基于HMS87C1408B的籽棉、菜籽和粮食水分综合测试仪

摘要：介绍了使用HMS87C1408B作为主控芯片的籽棉、菜籽和粮食水分综合测试仪的实现方法，重点说明了阻抗变换、软件驱动LCD和语音播报技术的实施。
关键词：HMS87C1408B；水分测试；回潮率；语音电路

l 引言
    在收购籽棉、菜籽和粮食时，通常需要测试它们的含水量或回潮率用于评定它们的等级。含水量的测量有烘箱法和阻抗法两种方式。烘箱法虽然准确性好，但耗时长，不适宜作为实时测量。本文介绍的籽棉、菜籽和粮食水分综合测试仪采用测量阻抗或电导的方法来得到被测物的含水量。即用两根固定距离的电极插入到被测物中，将两根电极之间的阻抗转换成电压，然后通过查表即可获得被测物的水分，并经温度补偿等一系列处理将结果显示在液晶屏上。籽棉、菜籽和粮食水分综合测试仪用HMS87C1408B作为主控芯片，外接阻抗变换器和语音电路，可以实时测试籽棉、菜籽和粮食(包括稻谷、玉米、小麦)的水分或回潮率，并提供全程语音提示和语音报数。

2 HMS87C1408B的特点
    HMS87C1408B的主要参数和性能如下：
    8KB OTPROM，192字节片上RAM(包括堆栈)；
    在8 MHz下，指令周期为O.25 μs；
    工作电压2.5 V～5.5 V；
    8位双向多功能I/O口，可直接驱动LED；
    8路8位A/D转换器；
    1个8位时间间隔定时器；
    4个8位定时/计数器；
    2个10位高速PWM；
    看门狗定时器；
    1个8位SPI串行接口；
    12个中断源；
    1个可编程蜂鸣器驱动口；
    支持省电模式STOP；
    可选RC振荡器。
    HMS87C1408B的4个定时器/计数器不仅可以作为4个8位的定时器/计数器，通过对定时方式寄存器TM0、TMl和TM2、TM3有关位的设置还可以使它们工作在7种其他定时方式，对T0和T1有：
    8位计数器和8位捕捉方式；8位捕捉方式和8位比较输出方式；8位定时/计数和10位PWM方式；16位定时器方式；16位计数器发生；16位捕捉方式；16位比较输出方式。对T2和T3定时/计数器也可以组合成以上7种工作方式。
    除了T0、Tl、T2、T3 4个定时器以外，HMS87C1408B还有一个时间间隔定时器BITR，只要上电后它就一直运行不能停止。它的时钟源可以是RC振荡器也可以是主振经预置分频系数分频后的信号。只要对CKCTLR寄存器中的BTCL位进行置1操作，就可以使BITR清零并重新向上计数，当计数到FF并溢出后便产生BIT中断。它可以在STOP方式下作为片内唤醒定时器，也可以作为看门狗定时器用或作其他定时器。
    HMS87C1408B的12个中断是4个外部中断、4个定时中断、ADC中断、WDT中断、BIT中断和SPI中断。这些中断都具有各自的优先级，并且中断可以嵌套。
    HMS87C1408B的蜂鸣器输出功能使得用户可以选用无源蜂鸣器，它通过对RBFUN和BUR寄存器的设置使RBl引脚输出交替变化的方波用于驱动蜂鸣器。方波的频率f=fxin/(2x分频系数×(BUR+1))，分频系数和BUR的值均由BUR寄存器确定。
    除了片内所具有的看门狗电路外，在片电源跌落检测(PFD)电路是HMS87C1408B的一个独特之处。对PFDR寄存器进行适当的设置，若Vdd电压下降至2.5 V～3.5 V，或在2.O V～3.0 V的范围内持续时间超过50 ms，该电源跌落检测电路便使MCU复位。跌落电平是在OTP编程时由CONFIG寄存器的PFD位决定的。这一特点提高了HMS87C1404的抗干扰和抗死机能力。
    HMS87C1408B的指令系统类似于Motorola的指令系统，它共有202条指令。指令系统的功能极为丰富，使用方便。它不但包括了乘法和除法指令，还具有7条16位运算操作比较指令(ADDW dp、CMPW dp、DECW dp、INCW dp、LDYA dp、STYAdD、SUBW dp)。大大简化了一些复杂和多字节的运算和操作编程，提高了编程的效率。

3 综合测试仪的系统设计
    籽棉、菜籽和粮食水分综合测试仪的系统框图如图1所示。

    阻抗变换器将两根电极之间的阻抗转换成电压送至HMS87C1408B进行A/D转换，HMS87C-1408B将转换值进行处理后送LCD显示，并由语音电路输出报数信息或超标提示。由于测试仪常常需要在室外阳光下和傍晚时操作，因此可用自动背光控制电路自动调节LCD显示的亮度。自动背光通过光敏电阻感应外界环境的光照度，并将其转换成电压直接去控制背光源的电流，实现自动背光控制。按键用于设置待测试物的种类或品种、选择语音提示或语音报数的方式、超标阈值、因为温度变化需要修正的值以及通过按键来显示平均值等等。电源电路用于将6 V的电池电压转换成3.9 V的系统供电，当电池电压下降到4.5 V时，由低电压检测电路检测并提供电平转换信号给主控芯片，由主控芯片通过语音电路播出“请更换电池”语音。

4 阻抗变换器
    阻抗变换器电路是本系统的一个重要电路，它的性能关系到测试数据的精度和测试数据的有效范围。本系统选择单电源供电、低漂移、高阻运算放大器TLC27L2B结合外围电阻构成阻抗变换器电路。TLC27L2B的输入阻抗高达1012 Ω，而被测物籽棉、菜籽和粮食(包括稻谷、玉米、小麦)的阻抗范围在几百KΩ到10 GΩ，所以，TLC27L2B适合用作阻抗变换器，并且其功耗极低。阻抗变换器电路如图2。它实际上是一个电压跟随器电路。电压跟随器具有高阻输入低阻输出的特点，它的增益为：
   
    Rc、Rd分别是运放的差分输入电阻和共模输入电阻；K是运放的开环增益。
    输出电压：

   
    Rm为被测阻抗，当电子开关Kd闭合时R12=R1//R2，当Kd打开时R12=R1。Kd用于调节被测阻抗的范围。当R1选择30 MΩ时，被测阻抗可高达lO GΩ。Usc经分压后送主控芯片作A/D转换可得到含水量。

5 软件驱动LCD
    综合测试仪要求低成本和小体积。本系统通过软件由主控芯片直接驱动LCD，省掉了LCD驱动芯片。由于LCD必须交流驱动，所以必须在LCD的每一个段上产生交替变化的正向和反向驱动电压。综合测试仪的LCD有三位数字显示，共有8x3=24个显示段。被配置成4个com和6个seg用于动态扫描。
    图3通过coml与segl、com2与segl的输入来说明对应的显示段是否被显示。如果希望coml与segl对应的显示段点亮，而com2与segl对应的显示段熄灭，则coml与segl应有相反的输出电平，反之com2与segl应有相同的输出电平。合成的波形如图3的第三行。LCD显示的阀值应设置略微大于Vdd/2，用于减少或消除可能出现的鬼影。com口l/2电平由主控芯片将I/O口设置成输入口，由外接上拉和下拉电阻分压而产生。

6 语音电路
    籽棉、菜籽和粮食水分综合测试仪提供全程语音提示和语音报数。选用具有32段语音存储能力的AP8842用作语音报数。由于需要播报的语音比较多，因此，必须将所有需要播报的语音分解成32个独立的语音段存储在AP8842语音电路中，需要播报的时候再将有关的语音段逐一连接起来形成句子。例如：“籽棉”“含水”“二”“十”“一”“点”“五”由7个独立的语音段合成。通过这种方法，使可能播报的句子大大超过了32句。
    AP8842语音电路某个语音段的调用是通过一个5位的地址(S1～S5)线和一个STB线来实现的。当5位的地址线输出稳定后，STB由低到高上跳变时，该5位地址对应的语音段信号即通过COUT脚输出放大后送喇叭播报。当这一段语音播报完后，如果需要的话，紧跟着输出另一个5位的地址和一个STB播下一段语音。其输入调用和输出波形的对应关系见图4。

7 结束语
    籽棉、菜籽和粮食水分综合测试仪使用HMS87C1408B作为主控芯片，将阻抗变换器输出的电压信号进行A/D转换和相关处理后将含水率显示在LCD上，并通过语音电路播报相应的信息。其含水率精确到O.1％，性能稳定，重复性好，可测试的品种也比较多，受到用户的欢迎。