基于HMS87C1408B的籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀

介紹了使用HMS87C1408B作為主控芯片的籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀的實現方法，重點說明了阻抗變換、軟件驅動LCD和語音播報技術的實施。

　　l 引言

　　在收購籽棉、菜籽和糧食時，通常需要測試它們的含水量或回潮率用于評定它們的等級。含水量的測量有烘箱法和阻抗法兩種方式。烘箱法雖然準確性好，但耗時長，不適宜作為實時測量。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換成電壓，然后通過查表即可獲得被測物的水分，并經溫度補償等一系列處理將結果顯示在液晶屏上。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，可以實時測試籽棉、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數。

　　2 HMS87C1408B的特點

　　HMS87C1408B的主要參數和性能如下：

　　8KB OTPROM，192字節片上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，可直接驅動LED；

　　8路8位A/D轉換器；

　　1個8位時間間隔定時器；

　　4個8位定時/計數器；

　　2個10位高速PWM；

　　看門狗定時器；

　　1個8位SPI串行接口；

　　12個中斷源；

　　1個可編程蜂鳴器驅動口；

　　支持省電模式STOP；

　　可選RC振蕩器。

　　HMS87C1408B的4個定時器/計數器不僅可以作為4個8位的定時器/計數器，通過對定時方式寄存器TM0、TMl和TM2、TM3有關位的設置還可以使它們工作在7種其他定時方式，對T0和T1有：

　　8位計數器和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/計數和10位PWM方式；16位定時器方式；16位計數器發生；16位捕捉方式；16位比較輸出方式。對T2和T3定時/計數器也可以組合成以上7種工作方式。

　　除了T0、Tl、T2、T3 4個定時器以外，HMS87C1408B還有一個時間間隔定時器BITR，只要上電后它就一直運行不能停止。它的時鐘源可以是RC振蕩器也可以是主振經預置分頻系數分頻后的信號。只要對CKCTLR寄存器中的BTCL位進行置1操作，就可以使BITR清零并重新向上計數，當計數到FF并溢出后便產生BIT中斷。它可以在STOP方式下作為片內喚醒定時器，也可以作為看門狗定時器用或作其他定時器。

　　HMS87C1408B的12個中斷是4個外部中斷、4個定時中斷、ADC中斷、WDT中斷、BIT中斷和SPI中斷。這些中斷都具有各自的優先級，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RBFUN和BUR寄存器的設置使RBl引腳輸出交替變化的方波用于驅動蜂鳴器。方波的頻率f=fxin/(2x分頻系數×(BUR+1))，分頻系數和BUR的值均由BUR寄存器確定。

　　除了片內所具有的看門狗電路外，在片電源跌落檢測(PFD)電路是HMS87C1408B的一個獨特之處。對PFDR寄存器進行適當的設置，若Vdd電壓下降至2.5 V～3.5 V，或在2.O V～3.0 V的范圍內持續時間超過50 ms，該電源跌落檢測電路便使MCU復位。跌落電平是在OTP編程時由CONFIG寄存器的PFD位決定的。這一特點提高了HMS87C1404的抗干擾和抗死機能力。

　　HMS87C1408B的指令系統類似于Motorola的指令系統，它共有202條指令。指令系統的功能極為豐富，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)。大大簡化了一些復雜和多字節的運算和操作編程，提高了編程的效率。

　　3 綜合測試儀的系統設計

　　籽棉、菜籽和糧食水分綜合測試儀的系統框圖如圖1所示。

　　?阻抗變換器將兩根電極之間的阻抗轉換成電壓送至HMS87C1408B進行A/D轉換，HMS87C-1408B將轉換值進行處理后送LCD顯示，并由語音電路輸出報數信息或超標提示。由于測試儀常常需要在室外陽光下和傍晚時操作，因此可用自動背光控制電路自動調節LCD顯示的亮度。自動背光通過光敏電阻感應外界環境的光照度，并將其轉換成電壓直接去控制背光源的電流，實現自動背光控制。按鍵用于設置待測試物的種類或品種、選擇語音提示或語音報數的方式、超標閾值、因為溫度變化需要修正的值以及通過按鍵來顯示平均值等等。電源電路用于將6 V的電池電壓轉換成3.9 V的系統供電，當電池電壓下降到4.5 V時，由低電壓檢測電路檢測并提供電平轉換信號給主控芯片，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的一個重要電路，它的性能關系到測試數據的精度和測試數據的有效范圍。本系統選擇單電源供電、低漂移、高阻運算放大器TLC27L2B結合外圍電阻構成阻抗變換器電路。TLC27L2B的輸入阻抗高達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。它實際上是一個電壓跟隨器電路。電壓跟隨器具有高阻輸入低阻輸出的特點，它的增益為：

　　Rc、Rd分別是運放的差分輸入電阻和共模輸入電阻；K是運放的開環增益。

　　輸出電壓：

　　Rm為被測阻抗，當電子開關Kd閉合時R12=R1//R2，當Kd打開時R12=R1。Kd用于調節被測阻抗的范圍。當R1選擇30 MΩ時，被測阻抗可高達lO GΩ。Usc經分壓后送主控芯片作A/D轉換可得到含水量。

　　5 軟件驅動LCD

　　綜合測試儀要求低成本和小體積。本系統通過軟件由主控芯片直接驅動LCD，省掉了LCD驅動芯片。由于LCD必須交流驅動，所以必須在LCD的每一個段上產生交替變化的正向和反向驅動電壓。綜合測試儀的LCD有三位數字顯示，共有8x3=24個顯示段。被配置成4個com和6個seg用于動態掃描。

　　圖3通過coml與segl、com2與segl的輸入來說明對應的顯示段是否被顯示。如果希望coml與segl對應的顯示段點亮，而com2與segl對應的顯示段熄滅，則coml與segl應有相反的輸出電平，反之com2與segl應有相同的輸出電平。合成的波形如圖3的第三行。LCD顯示的閥值應設置略微大于Vdd/2，用于減少或消除可能出現的鬼影。com口l/2電平由主控芯片將I/O口設置成輸入口，由外接上拉和下拉電阻分壓而產生。

　　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數。選用具有32段語音存儲能力的AP8842用作語音報數。由于需要播報的語音比較多，因此，必須將所有需要播報的語音分解成32個獨立的語音段存儲在AP8842語音電路中，需要播報的時候再將有關的語音段逐一連接起來形成句子。例如：“籽棉”“含水”“二”“十”“一”“點”“五”由7個獨立的語音段合成。通過這種方法，使可能播報的句子大大超過了32句。

　　AP8842語音電路某個語音段的調用是通過一個5位的地址(S1～S5)線和一個STB線來實現的。當5位的地址線輸出穩定后，STB由低到高上跳變時，該5位地址對應的語音段信號即通過COUT腳輸出放大后送喇叭播報。當這一段語音播報完后，如果需要的話，緊跟著輸出另一個5位的地址和一個STB播下一段語音。其輸入調用和輸出波形的對應關系見圖4。

　　7 結束語

　　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進行A/D轉換和相關處理后將含水率顯示在LCD上，并通過語音電路播報相應的信息。其含水率精確到O.1％，性能穩定，重復性好，可測試的品種也比較多，受到用戶的歡迎。