基于spce061a具有语音功能的湿度测控系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于spce061a具有语音功能的湿度测控系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

气压 )与其相同情况下饱和水蒸气量 (饱和水蒸气压 )的百分比。 电子式湿度传感器的特点 电子式湿度传感器是近几十年，特别是近 20 年才迅速发展起来的。 湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器 来 逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到 2％一 3％ RH。 精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在 177。 2% 左右，甚至更高。 一般情况下，生产厂商会标明 1 次标定的有效使用时间为 1年或 2 年，到期需重新标定。 电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳 定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命都不是很好。 湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。 所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。 电子式湿度传感器主要有电容式和电阻式两种 :电容式湿敏元件的优点在于响应速华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 10 度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。 但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。 市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想， 30%RH 以下， 80%RH 以上感湿段变形严重。 有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现 阶跃 性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。 无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为 pF级， 1%RH 的变化不足，容值的漂移改变往往引起几十 %RH 的误差，大多数电容式湿敏元件不具备 40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。 本系统中我们使用电容式湿度传感器 HS1101，这颗传感器比较常见，适用于一些对精度要求不高的场合。 HS1101 简介 基本参数 如图。 如果没有特别标注，默认下图的测量温度 Tα=25 ℃ ，测量时 HS1101 工作频率为 10KHz。 图 HS1101 参数图 特性曲线 如图。 测量温度 Tα=25 ℃ ，测量时 HS1101 工作频率为 10KHz。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 11 图 HS1101 特性曲线 测量原理 HS1100 湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器 ,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。 在自动测试系统中 ,电容值随着空气湿度的变化而变化 ,因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化 ,才能进行有 效地数据采集。 用 555 集成电路组成振荡电路 , HS1100 湿度传感器充当振荡电容 ,从而完成湿度到频率的转换 ,电路图如图 所示。 图 测量电路图 测量方法 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 12 HS1101 湿敏传感器是采用侧面开放式封装 ,只有 2 个引脚 ,有线性电压输出和线性频率输出 2种电路。 在使用时 ,将 2 脚接地 ,这里选用频率输出电 路。 该传感器采用电容构成材料 ,不允许直流方式供电 ,所以我们使用 555 定时器电路组成单稳态电路。 具体电路分析如下。 电源电压工作范围是 +～ +12V。 利用一片 CMOS 定时器 TLC555 , 配上HS1101 和电阻 R2 、 R4构成单稳态电路 ,将相对湿度值变化转换成频率信号输出。 输出频率范围是 7351～ 6033Hz,所对应的相对湿度为 0～ 100%。 当 RH=55%时 ,f=6660Hz。 输出的频率信号可送至数字频率计或控制系统 ,经整理后送显示。 R3 为输出端的限流电阻 ,起保护作用。 通电后 ,电源沿着 U cc→ R4→ R2→ C 对 HS1101 充电 ,经过 t1 时间后湿敏电容的压降 Uc 就被充电到 TLC555 的高触发电平 (Uh = ) ,使内部比较器翻转 , OUT 端的输出变成低电平。 然后 C开始放电 , 放电回路为 C→ R2→ D→内部放电管→地。 经过 t2 时间后 ,Uc 降到低触发电平 (Ul =) ,内部比较器再次翻转 ,使 OUT 端的输出变成高电平。 这样周而复始的进行充、放电 ,形成了振荡。 充电、放电时间计算公式分别为 : t1 =C(R2+R4)ln2。 t2 =CR2ln2 输出波形的频率 (f)和占空比 (D)的计 算公式如下 : f =1/T=1/(t1+t2) =1/C(2R2+R4)ln2 D =t1/T=t1/(t1+t2) =R2+R4/(2R2+R4) 通常取 R4R2 使 D≈ 50%,输出接近于方波。 例如 ,取入 R2 =567kΩ ,R4 =。 湿度传感器只是保证传感探头的精度 ,在实际使用中 ,综合精度除了与湿度传感器本身元件有关 ,还与外围电路的器件选择相关。 为了与 HS1101 温度系数相匹配 ,R1 数值应取为 1%精度 ,且最大温漂不超过 100 106(表示 10 6当温度变化 1℃ ,所对应的电阻相对变化量 )。 为了保证达到 6660Hz/55% ,R2 与 555 电路选取参照表 1。 表 1 器件参数选择表 当 RH = 55%、 TA = + 25℃时 ,典型输出方波频率与相对湿度的数据对照见表 2。 表 2 输出频率与相对湿度数据对照见表 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 13 硬件电路 SPCE061A 最小系统 本方案使用 SPCE061A 精简开发板（ 61 板）作为单片机最小系统。 61板包括 SPCE061A芯片及其外围的基本模块，外围模块包括：晶振输入模块（ OSC）、锁相环外围电路（ PLL）、复位电路（ RESET）、指示灯（ LED）等，如下图所示。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 14 图 SPCE061A 最小系统 SPCE061A 的内核供电为 ，而 I/O 端口可接 也可以接 5V，所以在电源模块（ 61 板上）中有一个端口电平选择跳线，如图中的 J5，下图为 61 板上的电源模块图。 图 电源模块 61 板上的主要功能模块如下： ●SPCE061A 单片机最小系统外围电路模块； ● 电源输入模块； ● 音频电路（包含 MIC 输入、 DAC 音频功放输出）模块； ●I/O 端口接口模块； ● 调试、下载接口模块； 电容式湿度传感器 HS1101 电路模块 由于湿度传感器 HS1101 是电容式的，所以要想办法测量得到它的电容，利用单片机没有办法直接读到，但是利用 SPCE061A 的 Feedback 功能可以测得 HS1101 所在 RC电路的工作频率，这样就可以计算得到它的电容。 为了减小误差，利用一个固定电容和一个电阻构成另一个 Feedback 电路，作为湿度传感器 HS1101 的基准。 如图 ：根据图 中的参数，为了使湿度传感器 HS1101 的工作频率尽量接近10KHz，选择一个 620KΩ 的电阻和 HS1101 形成 Feedback1； 390pF 的电容作为基准，和另外一个 620KΩ 电阻形成 Feedback2。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 15 图 电容式湿度传感器电路模块电路 按键 电路 本系统直接使用 SPCE061A 精简开发板上的按键， 61 板上按键电路如图。 图 61 板按键电路 三、 系统软件设计 本方案的软件系统包括下面模块： 按键扫描：扫描按键，判断是否有键按下，在 文件中实现； 湿度测量：端口初始化，测量湿度并返回湿度值，在 文件中实现； 语音播放任意数字：播放任意的整数，本系统中用来播放湿度值，在 文件中实现； 中断服务：语音播放中断服务程序和 IRQ2 中断读计数值程序，在 文件中定义。 主程序 主程序流程如图 ：调用按键扫描程序读取键值，如果是 KEY1 键按下则启动测量，华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 16 调用湿度测量函数测量湿度，并根据测量结果进行相应播放；如果不是 KEY1 键按下，返回继续扫描按键。 注意：在每次测量前都会关断快速中断 FIQ，这是因为在测量过程中用到了定时 /计数器 TimerA，而在语音播放时打开了 FIQ 中断，所以在测量前需先关闭，以免在测量过程中 CPU 一直相应 FIQ 中断，造成不必要的麻烦。 图 主程序流程图 程序见附录 按键扫描模块 本系统中只用到了一个按键 61 板 上的 KEY1 键，这个键和 IOA0 连接。 按键扫描程序流程如图 所示。 利用延时去抖的方法，先取一次端口数据，延时一段时间，一般华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 17 延时几十 ms 即可，再取一次端口数据，如果二者相同，说明取到了正确的键值。 图 按键扫描程序流程图 程序见附录 湿度测量程序流程图 湿度测量程序流程如图 ，为了减少误差，确保测量的正确性，测量四次，去掉一个最高值和一个最低值，如果中间两个数相差不大于 10，则中间两个数的平均值就是测量的最终数据，程序中这个数据为 TimerA 的计数值。 由于用 Feedback 功能 测量传感器的电容，如图。 事实上利用 Feedback 功能直接能测到传感器工作的频率，根据这个频率来才能计算传感器的电容值。 测量传感器工作频率的方法：利用 TimeB作为定时器， TimeA作为计数器；根据 TimeB定时时间内 TimeA 计数的个数来测得传感器的工作频率。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 18 图 湿度测量程序流程图 程序见附录 语音播放任意整数数据程序 语音播放任意三位整数程序流程如图。 这个程序可以定义形式参数来传递任意三位数。 先计算这个数据的百、十、个位，再分别进行播放，播放的流程如下： 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 19 图 语音播放任意三位数流程图 程序见附录 中断服务程序流程图 FIQ 的中断服务程序如图。 FIQ 中断服务程序主要功能是调用F_FIQ_Service_SACM_S480 函数解码并输出。 IRQ2 中断服务程序如图。 IRQ2 中断服务程序有两个功能：一是保存 TimerA 的计数值；二是为了配合湿度测量函数，设置定时时间溢出标志，如果进入这个中断服务程序，说明定时溢出。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 20 图 FIQ 中断服务程序流程图 图 IRQ2 中断服务程序流程图 程序见附录 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 21 结束语 本文提 出基于 SPCE061A 单片机语音识别系统的设计方案，并完成了其硬件和软件 的设计。 设计中，以语音语言学和数字信号处理为基础，涉及多学科领域。 语音处理技 术是系统设计的基础和关键所在。 重点阐述语音信号产生的数学模型、特征参数的提取 方法以及语音识别的算法等。 软件设计主要是依据语音处理技术理论．选择适合识别系 统的语音处理方法，采用结构化的程序设计语言 —— 汇编语言和 C 语言，编写提取语音 特征参数并进行识别的程序。 硬件电路设计，以 SPCE061A 单片机为核心进行了语音 播报、湿度测量 的设计。 本系统通过语音命令控制实 现 LED 亮灭， 采用 SPCE061A 单片机的语音压缩技术， 本系统是一个高度集成的语音识别片上系统。 湿度测量本身比温度测量复杂的多，主要是由于湿度受温度、大气压的影响。 对于电容式湿度传感器来说，更是难上加难，因为测量电容本身也是一个非常复杂的过程。 SPCE061A 的 Feedback 功能给这种测量提供了很大的方便，利用固定电阻和电容式湿度传感器形成 RC 振荡电路，接在 Feedback 的输入和输出端，这样通过测量频率，很 容易就能得到电容式湿度传感器的电容，根据标定值就可以得到测量湿度。 但是因为本身条件的限制，没能 在具体的硬件上进行实际的操作。 因此，本方案也只是一个理论上的研究，最终的结果可能会出现一定的差错。 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 22 参考文献 [1]罗亚非 .凌阳 16 位单片机应用基础 [M].北京 :北京航空航天大学出版社 ,20xx. 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