基于單片機(jī)的語音播報(bào)電子秤設(shè)計(jì)

唐凱

（青島市城陽區(qū)計(jì)量測試所，山東青島，266109）

由于稱量范圍、功能不同，目前市面上所見到的電子秤種類繁多，在生活中的應(yīng)用也十分廣泛，需求比較大。基于此，結(jié)合實(shí)際需求，本文采用單片機(jī)來作為控制核心，設(shè)計(jì)一款具備稱重、顯示、語音播報(bào)、日歷、價(jià)格計(jì)算的多功能數(shù)字化電子秤，它不僅能夠?qū)ω浳锏闹亓窟M(jìn)行稱量，還能顯示相關(guān)的信息，比如稱重?cái)?shù)值、具體時(shí)間，還能設(shè)置商品單價(jià)，當(dāng)貨物超出稱量范圍時(shí)，可以警示使用者。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對物品重量檢測，該具有重量檢測、顯示重量值，以及重量不在范圍報(bào)警，主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：重量檢測功能，實(shí)現(xiàn)重量的進(jìn)行檢測，檢測范圍0到10kg；顯示功能，顯示重量報(bào)警值和檢測的實(shí)時(shí)重量值；按鍵設(shè)置報(bào)警值，可以實(shí)時(shí)對重量報(bào)警值進(jìn)行加和減設(shè)置，同時(shí)還具有去皮，計(jì)數(shù)以及切換設(shè)置功能；報(bào)警功能，實(shí)際重量值大于設(shè)定的界限值時(shí)會(huì)發(fā)出聲音對重量異常進(jìn)行預(yù)警；語音播報(bào)功能，檢測到物品重量后，計(jì)算出單價(jià)后，通過語音模塊對價(jià)格進(jìn)行播報(bào)；時(shí)間顯示功能，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的日歷信息。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件電路設(shè)計(jì)

按照上文所述總體設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)的硬件電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

(1)單片機(jī)控制電路。本文的控制核心是STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)由美國的Atmel公司研發(fā)生產(chǎn)，具有性能強(qiáng)大、額定電壓小等優(yōu)點(diǎn)，包含了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器，具備40個(gè)引腳。

(2)重量檢測電路。本設(shè)計(jì)采用HX711模塊。該模塊是一款精度非常高的24位AD轉(zhuǎn)換芯片，集成度高，控制簡單可靠，引腳結(jié)構(gòu)包括三路差分輸入，通道的選擇是通過編程實(shí)現(xiàn)，所以其用在電子秤整機(jī)中不會(huì)給帶來干擾，數(shù)據(jù)模塊DT與單片機(jī)的P2.1連接，實(shí)現(xiàn)對重量數(shù)據(jù)的交換，SCK時(shí)鐘引腳與單片機(jī)的P2.0連接實(shí)現(xiàn)通道選擇與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

(3)重量顯示電路。本文通過LCD1602作為顯示模塊。VCC和VSS采用典型的5V供電設(shè)計(jì)；RS、R/W、E，三個(gè)控制引腳來實(shí)現(xiàn)選擇、讀寫、顯示使能等功能。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2被分配來控制LCD1602的3個(gè)引腳，實(shí)現(xiàn)讀寫時(shí)序控制，單片機(jī)的8個(gè)P0.0到P0.7引腳被分配來控制數(shù)據(jù)傳送引腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

(4)聲音報(bào)警電路。按照設(shè)計(jì)要求，當(dāng)電子秤稱量的重量大于10kg時(shí)，設(shè)備會(huì)通過聲音報(bào)警。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)控制核心通過P2.7實(shí)現(xiàn)對蜂鳴器控制，當(dāng)引腳輸出高電平時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲音來示警。

(5)按鍵電路。矩陣按鍵的主要功能就是實(shí)現(xiàn)重量閾值的設(shè)置，通過按鍵，本文設(shè)計(jì)的電子秤可以滿足報(bào)警重量值加減操作。按下相應(yīng)的按鍵之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入到功能設(shè)置環(huán)節(jié)，如數(shù)值調(diào)節(jié)、去皮功能以及數(shù)字0到9的輸入。除此之外，還可以設(shè)置密碼操作，分別有設(shè)置、刪除、服務(wù)以及確認(rèn)等，P1口實(shí)現(xiàn)對控制按鍵功能，列控制按鍵引腳對應(yīng)的是P30到P33，行對應(yīng)的P34到P37，采用列或者行的模式，對按鍵狀態(tài)判斷，以行控制為例，首先是所有引腳單片機(jī)在內(nèi)部都置低，如果將某一行控制引腳輸出高，按鍵按下后，對應(yīng)的列引腳就會(huì)檢測到低，那么就表示按鍵按下。

(6)語音播報(bào)電路。本設(shè)計(jì)采用WTD588實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能，(PWM+) /(PWM-) 同/反相模擬輸入端，前者在輸入信號時(shí)時(shí)有兩種方式，一種時(shí)單端輸入，由耦合的電容輸入32mV峰峰值的信號，同時(shí)與本段的3kΩ電阻對截止頻率進(jìn)行設(shè)置。另外一種是差分輸入，與單端不同輸入的時(shí)16m V峰峰值信號；反向時(shí)只有差分輸入一種模式，信號通過耦合電容輸出16mV峰峰信號，對負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最大負(fù)載5kΩ。(SCLK)WTD是一個(gè)輸入給WTD的時(shí)鐘端，一般時(shí)由與WTD連接的MCU產(chǎn)生。在SPI通信額下一個(gè)周期進(jìn)行置位。OVF是一個(gè)錄音和放音快到末尾數(shù)據(jù)的指示狀態(tài)，也就是表示馬上結(jié)束，通過RINT也能實(shí)現(xiàn)讀取。EOM 表示一個(gè)內(nèi)部放音標(biāo)志，高電平有效。RAC行地址時(shí)鐘，也是采用的開路輸出，主要時(shí)根據(jù)RAC的周期來對來對WTD中功2400個(gè)行地址進(jìn)行操作，RAC運(yùn)行一個(gè)周期代表一行數(shù)據(jù)運(yùn)行完成。該時(shí)鐘高低電平持續(xù)時(shí)間不一樣周期為200ms，高電平為175ms，這是在正常運(yùn)行模式時(shí)的推進(jìn)速度，在快進(jìn)模式時(shí)，運(yùn)行達(dá)到us級別，周期時(shí)250μs，高電平持續(xù)時(shí)間是218.75μs。(XCLK) 外部時(shí)鐘，通常對外部時(shí)鐘未使用；(AMCAP) 引腳用來對聲音進(jìn)行自動(dòng)靜噪處理，尤其是在錄音的時(shí)候，當(dāng)信號低于設(shè)定閾值時(shí)，其自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)對信號衰減，一般都是通過一個(gè)1μF電容來實(shí)現(xiàn)。

在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的P1.4引腳與RESET連接實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，P1.3時(shí)與WTD連接作為一個(gè)反饋信號來表示W(wǎng)TD正常，P1.5和P1.6與CS和CLK連接，實(shí)現(xiàn)對WTD通訊時(shí)序控制；P1.7與P0.3引腳連接，控制播報(bào)內(nèi)容。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一直循環(huán)的程序。首先需要對引腳進(jìn)行配置，比如LCD的時(shí)序控制引腳由單片機(jī)的P1.0到P1.2控制，按鍵引腳配置，同時(shí)對重量異常的閾值進(jìn)行設(shè)置，比如初始設(shè)置10kg，對同時(shí)對顯示的值和顯示的初始化位置進(jìn)行設(shè)置，之后進(jìn)入一個(gè)不斷循環(huán)的程序，如圖3所示的主程序流程圖，實(shí)時(shí)讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)對重量的讀取，一方面與設(shè)定重量值比較，一方面進(jìn)行對重量進(jìn)行顯示。

圖3 主程序流程圖

■3.2 顯示子程序設(shè)計(jì)

在LCD1602首先根據(jù)LCD的控制指令，比如定位指令將地址寄存器設(shè)為00H，設(shè)置SH值對移動(dòng)指令進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對內(nèi)部的儲(chǔ)存器進(jìn)行地址讀取，來控制顯示內(nèi)容。具體如圖4所示。

圖4 顯示程序

■3.3 數(shù)據(jù)處理子程序設(shè)計(jì)

在本子程序中，HX711傳感器首先讀取重量數(shù)據(jù)，然后在傳感器內(nèi)部對該數(shù)據(jù)進(jìn)行去皮處理，并將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為kg數(shù)值，如果超出重量預(yù)設(shè)閾值，就進(jìn)行聲音報(bào)警，如果在范圍內(nèi)，就通過語音播報(bào)進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)。子程序流程圖如圖5所示。

圖5 重量檢測子函數(shù)

■3.4 按鍵子主程序設(shè)計(jì)

矩陣按鍵子函數(shù)主要是實(shí)時(shí)檢測掃描按鍵是否被按鍵，然后通過算法執(zhí)行對應(yīng)的功能，子程序如圖6所示。

圖6 矩陣按鍵子函數(shù)

4 實(shí)物調(diào)試

■4.1 實(shí)物制作

對該多功能的電子秤進(jìn)行焊接，對硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試對主要功能進(jìn)行驗(yàn)證，搭建完成的實(shí)物模型如圖7所示。

圖7 實(shí)物圖

■4.2 功能測試

對重量的顯示，聲音報(bào)警功能，按鍵設(shè)置功能進(jìn)行測試，具體如圖8所示。

圖8 實(shí)物測試圖

通過以幾組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)檢測精度高，報(bào)警精度高和顯示準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款具有物品質(zhì)量檢測，聲音報(bào)警，價(jià)格換算，語音播報(bào)和重量顯示功能的電子稱重器系統(tǒng)采用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警，采用LCD1602實(shí)現(xiàn)重量顯示功能，設(shè)計(jì)矩陣按鍵實(shí)現(xiàn)重量設(shè)置功能，本文主要完成了以下工作：一是完成對應(yīng)變電阻實(shí)現(xiàn)對電子稱重器系統(tǒng)的最新現(xiàn)狀技術(shù)的學(xué)習(xí)，選擇基于單片機(jī)的控制方式，然后對功能進(jìn)行分析，對單片機(jī)模塊，顯示模塊方案之間的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，確定模塊。二是根據(jù)選擇模塊，設(shè)計(jì)硬件電路，對各個(gè)硬件電路與單片機(jī)的引腳連接，工作原理都進(jìn)行詳細(xì)介紹。三是對軟件設(shè)計(jì)邏輯設(shè)計(jì)，主要以流程圖形式給出，最后對實(shí)物調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對電子稱重器系統(tǒng)的功能。雖然完成了對電子稱重器系統(tǒng)的功能，但是本電子稱重器系統(tǒng)功能還可以繼續(xù)完善，比如增加語音播報(bào)的功能，能實(shí)現(xiàn)電子稱重器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作等，同時(shí)市場還出現(xiàn)很多新型的遠(yuǎn)程控制的電子稱重器傳感器，因此還可以增加藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)按鍵的功能，實(shí)現(xiàn)對電子稱重器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。