基于HMS87C1408B的籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀

l 引言
在收購籽棉、菜籽和糧食時(shí)，通常需要測試它們的含水量或回潮率用于評(píng)定它們的等級(jí)。含水量的測量有烘箱法和阻抗法兩種方式。烘箱法雖然準(zhǔn)確性好，但耗時(shí)長，不適宜作為實(shí)時(shí)測量。本文介紹的籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀采用測量阻抗或電導(dǎo)的方法來得到被測物的含水量。即用兩根固定距離的電極插入到被測物中，將兩根電極之間的阻抗轉(zhuǎn)換成電壓，然后通過查表即可獲得被測物的水分，并經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)纫幌盗刑幚韺⒔Y(jié)果顯示在液晶屏上。籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀用HMS87C1408B作為主控芯片，外接阻抗變換器和語音電路，可以實(shí)時(shí)測試籽棉、菜籽和糧食(包括稻谷、玉米、小麥)的水分或回潮率，并提供全程語音提示和語音報(bào)數(shù)。

2 HMS87C1408B的特點(diǎn)
HMS87C1408B的主要參數(shù)和性能如下：
8KB OTPROM，192字節(jié)片上RAM(包括堆棧)；
在8 MHz下，指令周期為O.25 μs；
工作電壓2.5 V～5.5 V；
8位雙向多功能I/O口，可直接驅(qū)動(dòng)LED；
8路8位A/D轉(zhuǎn)換器；
1個(gè)8位時(shí)間間隔定時(shí)器；
4個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；
2個(gè)10位高速PWM；
看門狗定時(shí)器；
1個(gè)8位SPI串行接口；
12個(gè)中斷源；
1個(gè)可編程蜂鳴器驅(qū)動(dòng)口；
支持省電模式STOP；
可選RC振蕩器。
HMS87C1408B的4個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器不僅可以作為4個(gè)8位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，通過對(duì)定時(shí)方式寄存器TM0、TMl和TM2、TM3有關(guān)位的設(shè)置還可以使它們工作在7種其他定時(shí)方式，對(duì)T0和T1有：
8位計(jì)數(shù)器和8位捕捉方式；8位捕捉方式和8位比較輸出方式；8位定時(shí)/計(jì)數(shù)和10位PWM方式；16位定時(shí)器方式；16位計(jì)數(shù)器發(fā)生；16位捕捉方式；16位比較輸出方式。對(duì)T2和T3定時(shí)/計(jì)數(shù)器也可以組合成以上7種工作方式。
除了T0、Tl、T2、T3 4個(gè)定時(shí)器以外，HMS87C1408B還有一個(gè)時(shí)間間隔定時(shí)器BITR，只要上電后它就一直運(yùn)行不能停止。它的時(shí)鐘源可以是RC振蕩器也可以是主振經(jīng)預(yù)置分頻系數(shù)分頻后的信號(hào)。只要對(duì)CKCTLR寄存器中的BTCL位進(jìn)行置1操作，就可以使BITR清零并重新向上計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到FF并溢出后便產(chǎn)生BIT中斷。它可以在STOP方式下作為片內(nèi)喚醒定時(shí)器，也可以作為看門狗定時(shí)器用或作其他定時(shí)器。
HMS87C1408B的12個(gè)中斷是4個(gè)外部中斷、4個(gè)定時(shí)中斷、ADC中斷、WDT中斷、BIT中斷和SPI中斷。這些中斷都具有各自的優(yōu)先級(jí)，并且中斷可以嵌套。
HMS87C1408B的蜂鳴器輸出功能使得用戶可以選用無源蜂鳴器，它通過對(duì)RBFUN和BUR寄存器的設(shè)置使RBl引腳輸出交替變化的方波用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。方波的頻率f=fxin/(2x分頻系數(shù)(BUR+1))，分頻系數(shù)和BUR的值均由BUR寄存器確定。
除了片內(nèi)所具有的看門狗電路外，在片電源跌落檢測(PFD)電路是HMS87C1408B的一個(gè)獨(dú)特之處。對(duì)PFDR寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，若Vdd電壓下降至2.5 V～3.5 V，或在2.O V～3.0 V的范圍內(nèi)持續(xù)時(shí)間超過50 ms，該電源跌落檢測電路便使MCU復(fù)位。跌落電平是在OTP編程時(shí)由CONFIG寄存器的PFD位決定的。這一特點(diǎn)提高了HMS87C1404的抗干擾和抗死機(jī)能力。
HMS87C1408B的指令系統(tǒng)類似于Motorola的指令系統(tǒng)，它共有202條指令。指令系統(tǒng)的功能極為豐富，使用方便。它不但包括了乘法和除法指令，還具有7條16位運(yùn)算操作比較指令(ADDW dp、CMPW dp、DECW dp、INCW dp、LDYA dp、STYAdD、SUBW dp)。大大簡化了一些復(fù)雜和多字節(jié)的運(yùn)算和操作編程，提高了編程的效率。

3 綜合測試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

阻抗變換器將兩根電極之間的阻抗轉(zhuǎn)換成電壓送至HMS87C1408B進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，HMS87C-1408B將轉(zhuǎn)換值進(jìn)行處理后送LCD顯示，并由語音電路輸出報(bào)數(shù)信息或超標(biāo)提示。由于測試儀常常需要在室外陽光下和傍晚時(shí)操作，因此可用自動(dòng)背光控制電路自動(dòng)調(diào)節(jié)LCD顯示的亮度。自動(dòng)背光通過光敏電阻感應(yīng)外界環(huán)境的光照度，并將其轉(zhuǎn)換成電壓直接去控制背光源的電流，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)背光控制。按鍵用于設(shè)置待測試物的種類或品種、選擇語音提示或語音報(bào)數(shù)的方式、超標(biāo)閾值、因?yàn)闇囟茸兓枰拚闹狄约巴ㄟ^按鍵來顯示平均值等等。電源電路用于將6 V的電池電壓轉(zhuǎn)換成3.9 V的系統(tǒng)供電，當(dāng)電池電壓下降到4.5 V時(shí)，由低電壓檢測電路檢測并提供電平轉(zhuǎn)換信號(hào)給主控芯片，由主控芯片通過語音電路播出“請更換電池”語音。

4 阻抗變換器
阻抗變換器電路是本系統(tǒng)的一個(gè)重要電路，它的性能關(guān)系到測試數(shù)據(jù)的精度和測試數(shù)據(jù)的有效范圍。本系統(tǒng)選擇單電源供電、低漂移、高阻運(yùn)算放大器TLC27L2B結(jié)合外圍電阻構(gòu)成阻抗變換器電路。TLC27L2B的輸入阻抗高達(dá)1012 Ω，而被測物籽棉、菜籽和糧食(包括稻谷、玉米、小麥)的阻抗范圍在幾百KΩ到10 GΩ，所以，TLC27L2B適合用作阻抗變換器，并且其功耗極低。阻抗變換器電路如圖2。它實(shí)際上是一個(gè)電壓跟隨器電路。電壓跟隨器具有高阻輸入低阻輸出的特點(diǎn)，它的增益為：

Rc、Rd分別是運(yùn)放的差分輸入電阻和共模輸入電阻；K是運(yùn)放的開環(huán)增益。
輸出電壓：

Rm為被測阻抗，當(dāng)電子開關(guān)Kd閉合時(shí)R12=R1//R2，當(dāng)Kd打開時(shí)R12=R1。Kd用于調(diào)節(jié)被測阻抗的范圍。當(dāng)R1選擇30 MΩ時(shí)，被測阻抗可高達(dá)lO GΩ。Usc經(jīng)分壓后送主控芯片作A/D轉(zhuǎn)換可得到含水量。

5 軟件驅(qū)動(dòng)LCD
綜合測試儀要求低成本和小體積。本系統(tǒng)通過軟件由主控芯片直接驅(qū)動(dòng)LCD，省掉了LCD驅(qū)動(dòng)芯片。由于LCD必須交流驅(qū)動(dòng)，所以必須在LCD的每一個(gè)段上產(chǎn)生交替變化的正向和反向驅(qū)動(dòng)電壓。綜合測試儀的LCD有三位數(shù)字顯示，共有8x3=24個(gè)顯示段。被配置成4個(gè)com和6個(gè)seg用于動(dòng)態(tài)掃描。
圖3通過coml與segl、com2與segl的輸入來說明對(duì)應(yīng)的顯示段是否被顯示。如果希望coml與segl對(duì)應(yīng)的顯示段點(diǎn)亮，而com2與segl對(duì)應(yīng)的顯示段熄滅，則coml與segl應(yīng)有相反的輸出電平，反之com2與segl應(yīng)有相同的輸出電平。合成的波形如圖3的第三行。LCD顯示的閥值應(yīng)設(shè)置略微大于Vdd/2，用于減少或消除可能出現(xiàn)的鬼影。com口l/2電平由主控芯片將I/O口設(shè)置成輸入口，由外接上拉和下拉電阻分壓而產(chǎn)生。

6 語音電路
籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀提供全程語音提示和語音報(bào)數(shù)。選用具有32段語音存儲(chǔ)能力的AP8842用作語音報(bào)數(shù)。由于需要播報(bào)的語音比較多，因此，必須將所有需要播報(bào)的語音分解成32個(gè)獨(dú)立的語音段存儲(chǔ)在AP8842語音電路中，需要播報(bào)的時(shí)候再將有關(guān)的語音段逐一連接起來形成句子。例如：“籽棉”“含水”“二”“十”“一”“點(diǎn)”“五”由7個(gè)獨(dú)立的語音段合成。通過這種方法，使可能播報(bào)的句子大大超過了32句。
AP8842語音電路某個(gè)語音段的調(diào)用是通過一個(gè)5位的地址(S1～S5)線和一個(gè)STB線來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)5位的地址線輸出穩(wěn)定后，STB由低到高上跳變時(shí)，該5位地址對(duì)應(yīng)的語音段信號(hào)即通過COUT腳輸出放大后送喇叭播報(bào)。當(dāng)這一段語音播報(bào)完后，如果需要的話，緊跟著輸出另一個(gè)5位的地址和一個(gè)STB播下一段語音。其輸入調(diào)用和輸出波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖4。

7 結(jié)束語
籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀使用HMS87C1408B作為主控芯片，將阻抗變換器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和相關(guān)處理后將含水率顯示在LCD上，并通過語音電路播報(bào)相應(yīng)的信息。其含水率精確到O.1％，性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，可測試的品種也比較多，受到用戶的歡迎。