基于STC90C52RC單片機及物聯網技術的多功能輔食碗設計

李 然，李佳炫，孫 超，李雄雄，楊易濤

(天津職業技術師范大學 信息技術工程學院，天津 300222)

0 引言

隨著世界信息產業的第三次浪潮推進，通過對原有科學技術的融合，人們發現了一種新的技術模式——物聯網。物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等的信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡，成為了經濟增長的新引擎，也將帶給人類社會前所未有的深刻變革，智能產品全面發展。幼兒產品的智能化日趨完善，新奇的智能化產品對小孩的吸引力劇增，在此情況下，許多新生兒家庭出現孩子吃飯困難等問題，家長輪番上陣追著哄著孩子吃飯已成為常見現象，令家長十分苦惱[1]。

本文基于STC90C52RC單片機與物聯網技術相結合，并結合多種傳感器，包含溫度傳感器、質量傳感器、以及語音播報模塊等。溫度傳感器實時測量碗中的溫度值，可通過藍牙模塊與外部手機連接以數值的形式顯示；語音播讀模塊隨機播讀故事、音樂，結合質量傳感器的質量變化通過單片機的數據計算發出對應的語音鼓勵；用戶可通過手機APP查看碗中食物的溫度，剩余食物的重量，并且可以實現音樂、語音的播放，具有高度的趣味性，實現寶寶的高度互動，符合寶寶的興趣，滿足用戶實際使用要求[2]。

1 整體框架及硬件電路設計

本文研究的輔食碗的碗體是半球形，為了方便溫度感應，碗內為易導熱材料。能實現測溫、測重、控制、語音播報等功能。其中碗的底部作為一個平臺，用于放置電路板，所以核心電路板制成圓形。溫度傳感器使用的是DS18B20，該傳感器采用單獨測試端內置于碗壁；質量傳感器為HL—8，放置于電路板的中央，用于測量碗內重量；藍牙模塊為HC05直接安裝在電路板上，并與單片機相連，用于用戶端與碗之間的數據交互；語音模塊采用JQ8900芯片，可與手機APP相連，并根據測得的值，進而對孩子進行鼓勵。最后，物理控制選用的是單片機STC90C52RC，結合各種集成電路，來進行核心控制[3]。結構如圖1所示。

1.1 集成電路DS1302

DS1302是DALLAS一款充電時鐘芯片，內含一個實時時鐘/日歷和31字節靜態RAM，可以通過串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每個月的天數和閏年的天數可自動調整，時鐘操作可通過AM/PM標志位決定采用24或12小時時間格式。

1.2 單片機STC90C52RC

STC90C52RC單片機是一款高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期任意選擇，并且內部集成了MAX810專用復位電路。STC90C52RC單片機支持ISP(在系統編程)及IAP(在應用編程)技術。實現停電后保存數據的功能，擦寫次數為100 000次以上，可省去外接EEPROM[4]。

1.3 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是一種常用的數字溫度傳感器。它的輸出是一個數字信號。它具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等特點。DS18B20的讀寫順序和測溫原理與DS1820相同，只是分辨率不同，得到的溫度值不同，溫度轉換的延遲時間由2 s縮短到750 ms，低溫振蕩頻率系數晶體振蕩器受溫度的影響很小，用來產生一個固定頻率的脈沖信號并發送給計數器1。高溫系數晶體振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化顯著，產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器預設為與-55 ℃的基值相對應。計數器1對低溫系數晶體振蕩器產生的脈沖信號進行倒計時。當計數器1的預置值減小到0時，溫度寄存器的值將增加1，計數器1的預置將被重新加載，計數器1將重新啟動。對低溫系數晶體振蕩器產生的脈沖信號進行計數，循環至計數器2計數為0，停止溫度寄存器值的累積。此時，溫度寄存器中的值為測量溫度[5]。斜坡累加器用于補償和校正溫度測量過程中的非線性，其輸出用于校正計數器1的預設值。

1.4 質量傳感器(HL-8型)

HX711是一款專為高精度稱重傳感器設計的24位A/D轉換器芯片。與同類芯片相比，該芯片集成了其他同類芯片所需的外圍電路，包括穩壓電源、片上時鐘振蕩器等，具有集成度高、響應速度快、抗干擾能力強等優點，降低了整個寶寶碗的成本，提高了整機的性能和可靠性。芯片與后端微控制器芯片之間的接口和編程非常簡單，所有控制信號都由引腳驅動，不需要對芯片內部寄存器進行編程。輸入選擇開關可任意選擇A、B通道，并與內部低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，相應的全額定差分輸入信號幅值分別為±20 mV或±40 mV。通道B的固定增益為64，用于系統參數檢測。芯片中的時鐘振蕩器不需要任何外部設備。開機自動復位功能簡化了啟動初始化過程[6]。

1.5 語音播報模塊JQ8900芯片

語音播報模塊JQ8900是一款具有單片機內核的語音芯片，功能多音質好應用范圍廣性能穩定是JQ8900系列語音單片機的特長，彌補了以往各類語音芯片應用領域狹小的缺陷。對音質的追求當然也是精益求精的，完全支持6K～22K Hz采樣率的音頻加載，芯片將加載的音頻音質幾乎完整無損地展現出來。JQ8900系列語音單片機支持SPI-FLASH內容在線下載，SPIFLASH直接枚舉成U盤，使得操作更加簡便[7]。

2 數據顯示端設計

2.1 軟件系統工作流程

軟件系統工作流程如圖2所示。

圖2 軟件系統工作流程

2.2 功能

功能如圖3所示。

圖3 功能框圖

2.3 數據測試

質量模塊檢測測試數據如表1所示，溫度模塊檢測測試數據如表2所示。

表1 質量模塊檢測數據

表2 溫度模塊檢測數據

4 結語

本文以STC90C52RC單片機為核心，結合溫度傳感器DS18B20、質量傳感器HL-8型、藍牙模塊HC05型、語音播報模塊(采用JQ8900芯片)和蓄電池HR無人機鋰電池型等器件，及相關集成電路HX711、集成電路DS1302、集成電路AT24C02，構成碗體的內部機構[8]。數據采集部分主要由稱重傳感器和溫度傳感器組成，質量傳感器由信號放大和A/D轉換部分組成，信號放大和A/D轉換部分主要由專用型高精度24位AD轉換芯片HX711實現，溫度傳感器使用DS18B20，采用單獨的測試端，該測試端附著在碗內壁方便測試碗內溫度[9]。最后藍牙模塊采用HC05型，安裝在電路板上，與單片機連接用于將單片機收集的數據通過藍牙模塊發送到手機APP上。