便攜式語(yǔ)音環(huán)境參數(shù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)

1 引言
    人們健康意識(shí)和環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)使環(huán)境參數(shù)及其對(duì)身體的影響日益受到關(guān)注。然而現(xiàn)實(shí)生活中人們常常身處煤氣、香煙、酒精等有害氣體的包圍之中，但因沒(méi)有合適的測(cè)量?jī)x器或因?qū)I(yè)的測(cè)量?jī)x器過(guò)于昂貴而不能方便地得知身邊環(huán)境中的各種參數(shù)值，因而無(wú)法知曉環(huán)境參數(shù)是否會(huì)對(duì)身體或環(huán)境構(gòu)成危害。這里介紹一種多功能環(huán)境測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方法，該測(cè)量?jī)x廉價(jià)、實(shí)用、便攜，并有語(yǔ)音播報(bào)測(cè)量值及有害氣體越限報(bào)警等多種功能。

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理
    該測(cè)量?jī)x以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A為控制核心，光線、溫度、濕度、氣體傳感器將獲得的環(huán)境信息量轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后交由CPU處理；CPU實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量值并將結(jié)果送液晶顯示器顯示，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。
    設(shè)有鍵盤(pán)、紅外接收電路、人工復(fù)位和自動(dòng)上電復(fù)位以及硬件看門(mén)狗電路。SPCE061A內(nèi)部帶有A／D、D／A轉(zhuǎn)換模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)模／數(shù)轉(zhuǎn)換和語(yǔ)音播報(bào)功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 溫度光線模塊
    溫度傳感器采用R450型負(fù)熱電阻，光線傳感器采用高靈敏度光敏電阻，該溫度傳感器和光線傳感器線性化較好，尤其在室內(nèi)環(huán)境下，且阻值隨外界物理量的變化較明顯，因而可省去中間放大電路直接與單片機(jī)10A端口相連。光線溫度測(cè)量模塊電路如圖2所示。整個(gè)電路由6 V電池供電，2 V的穩(wěn)壓管為A/D轉(zhuǎn)換電路提供2 V基準(zhǔn)電壓．可調(diào)電阻R1用來(lái)校準(zhǔn)由溫漂和電源電壓降低引起的基準(zhǔn)電壓的降低，R4與R6串聯(lián)，光線強(qiáng)度的變化通過(guò)風(fēng)分壓值的變化反應(yīng)，并輸入到單片機(jī)的 IOAO端口，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。IOA端口設(shè)置為懸浮輸入口，在單片機(jī)中定義變量iLM，光線測(cè)量得到的電壓數(shù)據(jù)存放在iLM中，并根據(jù)iLM判斷光線太強(qiáng)、太弱還是柔和。每1 ms取1次A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，共取10次是為在100 Hz的自然光的一個(gè)周期中都能取到數(shù)據(jù)。取10次測(cè)量平均值查表得到光強(qiáng)。溫度測(cè)量與光線測(cè)量原理基本相同。該模塊電路原理如圖2所示。

3．2 氣體測(cè)量模塊
    新型半導(dǎo)體氣體傳感器TGS2600能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其他異味，對(duì)H2、CO等有較高的敏感度。該傳感器能檢測(cè)到幾個(gè)ppm級(jí)H2含量，傳感器基本測(cè)量電路如圖3所示。此傳感器要求有兩個(gè)電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC1。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個(gè)特定的最佳感應(yīng)溫度。電路電壓VC1被加載以便于測(cè)量與氣敏元件串聯(lián)的負(fù)載電阻電壓Vout。輸出電壓經(jīng)IOA4端口直接輸入單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

3．3 濕度測(cè)量模塊
    由于濕度傳感器HS1101是電容式的，所以要測(cè)量其電容值，利用單片機(jī)無(wú)法直接讀到，但利用SPCE061A的Feed-back功能可測(cè)得HS1 101所在RC電路的工作頻率，這樣就可計(jì)算其電容值。為減小誤差，利用固定電容C6和電阻Rs構(gòu)成另一個(gè)Feedback電路作為濕度傳感器 HS1101的基準(zhǔn)，如圖4所示。根據(jù)圖4中的參數(shù)，為使?jié)穸葌鞲衅鱄S1101的工作頻率盡量接近10 kHz，選擇一只620 kΩ的電阻和HS1101形成Feedback1；390 pF的電容作為基準(zhǔn)和另一只620 kΩ電阻形成Feedback2。

3．4 紅外發(fā)射接收模塊
    紅外發(fā)射接收采用38 kHz載波，具有功耗低、抗干擾、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。獨(dú)立的遙控器可以使人們?cè)谑覂?nèi)任何地方控制測(cè)試儀的播報(bào)、開(kāi)關(guān)機(jī)等功能。發(fā)射器由一塊凌陽(yáng)61板和一塊紅外發(fā)射電路組成。主程序調(diào)用鍵盤(pán)掃描程序讀取鍵值，如果是KEY1鍵按下，則調(diào)用KEY1發(fā)射程序，發(fā)射序列二進(jìn)制1000 0000；KEY2鍵按下，則發(fā)射序列1000 0001；KEY3鍵按下則發(fā)射序列1000 0010。接收電路通過(guò)IOA7端口輸入單片機(jī)，主程序在每次測(cè)量完成后對(duì)IOA7端口進(jìn)行掃描看是否有低電平起始信號(hào)到來(lái)，若有則繼續(xù)接收，否則主程序繼續(xù)向下執(zhí)行。系統(tǒng)上電后若接收到KEY1鍵發(fā)射序列．則開(kāi)始測(cè)量顯示；若接收到KEY2鍵發(fā)射序列，則播報(bào)當(dāng)前溫度光線濕度值和有害氣體濃度值。 KEY3鍵可使系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低功耗。
3．5 鍵盤(pán)顯示單元
    顯示單元選用128x64字符點(diǎn)陣液晶顯示屏SPLC501模塊組件，主要由LCD顯示器、 LCD控制板和偏壓產(chǎn)生電路組成。分4行依次顯示當(dāng)前溫度值、光線強(qiáng)度、有害氣體濃度、濕度等信息，如圖5所示。鍵盤(pán)模塊主要用于設(shè)定報(bào)警門(mén)限值。 KEY1鍵為確定／取消功能，KEY2鍵為上調(diào)功能，KEY3鍵為下調(diào)功能。當(dāng)KEY1鍵按下后溫度值會(huì)不斷閃爍，按下KEY2或KEY3鍵設(shè)定溫度閾值，設(shè)定好后再次按下KEY1鍵則光強(qiáng)值不斷閃爍，對(duì)光強(qiáng)閾值進(jìn)行設(shè)定，按同樣的方法設(shè)定氣體濃度和濕度閾值，當(dāng)設(shè)定好后停止按鍵，2 s后系統(tǒng)自動(dòng)重新開(kāi)始測(cè)量。

4 軟件設(shè)計(jì)
    軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序及鍵盤(pán)處理、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、語(yǔ)音、液晶顯示和紅外接收等子程序組成。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示，該程序是控制和管理的核心，系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，完成后系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行環(huán)境各參數(shù)的測(cè)定顯示及判斷超限報(bào)警等操作，然后檢測(cè)紅外接收是否有信號(hào)輸入并執(zhí)行顯示和語(yǔ)音播報(bào)等功能。

    該系統(tǒng)溫度提醒上限為27℃，下限為16℃，光線強(qiáng)度分為20個(gè)等級(jí)，7級(jí)以下為光線太弱，16級(jí)以上為太強(qiáng)，太弱太強(qiáng)都會(huì)有語(yǔ)音提醒。有害氣體濃度分為 100個(gè)等級(jí)，20級(jí)以下為無(wú)害區(qū)，系統(tǒng)不會(huì)報(bào)警。20級(jí)以上系統(tǒng)會(huì)不斷進(jìn)行語(yǔ)音提醒，直到氣體濃度重新下降到20級(jí)以下。濕度在40％以下時(shí)不會(huì)提醒，在40％以上時(shí)系統(tǒng)會(huì)間斷提醒。在4個(gè)語(yǔ)音播報(bào)提醒的子程序中設(shè)定氣體播報(bào)為最高優(yōu)先級(jí)，因?yàn)橛泻怏w對(duì)人體危害最大，且最易出事故。另外系統(tǒng)外留有繼電器輸出接口，可控制外部應(yīng)急設(shè)備，像排氣扇，燈光，加濕器等設(shè)備。根據(jù)不同地區(qū)不同環(huán)境參數(shù)的要求，系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行的參數(shù)設(shè)定功能可滿足各種不同的環(huán)境需求，如蔬菜大棚，工廠車(chē)間等。此系統(tǒng)編譯環(huán)境為unSP IDE 2．0，使用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編寫(xiě)，其中，中斷服務(wù)程序、A／D轉(zhuǎn)換及液晶顯示等相關(guān)底層程序由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其余像測(cè)量程序及語(yǔ)音播報(bào)等程序由C語(yǔ)言完成，程序量約22 KB。

5 結(jié)束語(yǔ)
    按照上述原理研制出樣機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)由測(cè)量、繼電器輸出控制、電池供電、紅外遙控器及顯示等5個(gè)模塊組成。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)對(duì)香煙、甲烷、酒精有非常靈敏的檢測(cè)報(bào)警能力，對(duì)溫度、濕度及光線的測(cè)定也均達(dá)到實(shí)用要求。該測(cè)量?jī)x可根據(jù)要求改變?cè)O(shè)定值，適合應(yīng)用于家庭、溫室及公共場(chǎng)所的環(huán)境測(cè)量與安全報(bào)警，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，這種多功能便攜式測(cè)試儀將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于集室內(nèi)環(huán)境與安全報(bào)警為一體，液晶顯示和語(yǔ)音播報(bào)非常具有人性化特點(diǎn)，此外，紅外遙控功能使得使用更為方便。