淺談便攜式高精度智能廚房秤系統(tǒng)設計

黎匡磊，謝井華

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541002）

秤是一種在日常生活中使用十分廣泛的測量器具，我國古代的計量學早在原始社會末期已經(jīng)開始出現(xiàn)。隨著稱重技術和電子技術的發(fā)展，人們對重量的測量需求也在逐步增加。傳統(tǒng)純機械結構的桿秤、臺秤、磅秤等稱量裝置已不能滿足人們在科技生活中的需求，智能電子秤、電子天平等電子測量儀器以測量快速準確、使用方便、顯示直觀、功能強大等優(yōu)點極大地滿足了日常生活的便捷性而受到了用戶的認可和青睞。本課題設計的便攜式高精度智能廚房秤是智能廚房系統(tǒng)的一部分，具有稱重、清零、語音播報、數(shù)值顯示、智能識別、網(wǎng)絡通信等功能，可以實現(xiàn)廚房家電之間信息的互聯(lián)互通，主要為構造智能廚房系統(tǒng)提供食材相關的數(shù)據(jù)信息。

1 系統(tǒng)設計方案

便攜式高精度智能廚房秤以北京君正的X1000微處理器作為主控部件與各個功能模塊連接。功能模塊主要包括稱重模塊、圖像采集模塊、觸摸按鍵模塊、數(shù)碼顯示模塊、語音播報模塊、網(wǎng)絡模塊和電源模塊等，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 便攜式高精度智能廚房秤系統(tǒng)框圖

稱重模塊主要由稱重傳感器和A/D轉換芯片兩部分組成，用于采集被測物體的重量信息；圖像采集模塊主要由USB攝像頭模組組成，用于采集被測物體的圖片信息；觸摸按鍵模塊由電容式觸控IC和按鍵組成，用于采集用戶的按鍵信息；數(shù)碼顯示模塊由LED數(shù)碼管和數(shù)碼驅(qū)動IC組成，用于顯示被測物體的重量等信息；語音播報模塊由WM8978芯片及相關外圍電路組成，用于播報被測物體的重量信息、按鍵信息及物品識別信息等相關信息；網(wǎng)絡模塊由SDIO總線接口的WIFI-8189模塊組成，用于傳輸圖片信息和文本信息；電源模塊用于為系統(tǒng)各功能模塊提供所需的直流穩(wěn)壓電源，由電池、充電電路、BUCK和BOOST電路組成，是系統(tǒng)能夠正常工作的前提。

2 系統(tǒng)硬件設計

便攜式高精度智能廚房秤系統(tǒng)設計所接的外圍設備較多，主控芯片要滿足內(nèi)存容量較大、運行速度快、消耗功耗低和價格合理等要求，因此，選用北京君正X1000芯片的微處理器，該微處理器是一款采用MIPS架構、主頻高達1GHz、片內(nèi)內(nèi)置32MB LPDDR、支持兩百萬像素的攝像頭，具有豐富的片上接口，且功耗小于200mW的物聯(lián)網(wǎng)處理器。根據(jù)系統(tǒng)設計方案的要求，整個硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個部分：稱重模塊、圖像采集模塊、觸摸按鍵模塊、數(shù)碼顯示模塊、語音播報模塊、網(wǎng)絡模塊和電源模塊等。

2.1 稱重模塊

稱重模塊是便攜式高精度智能廚房秤的重要組成部分，該模塊的性能對整個測量電路的設計精度有著決定性的影響。稱重模塊主要由稱重傳感器和A/D轉換芯片兩部分組成。常見的稱重傳感器有電阻應變式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。根據(jù)本系統(tǒng)設計需求，選用電阻應變式壓力傳感器作為智能廚房秤的稱重傳感器。電阻應變式壓力傳感器主要由彈性元件、電阻應變片、惠更斯電橋電路和傳輸線四部分組成。當彈性元件承受載荷產(chǎn)生變形時，粘貼在彈性元件上的電阻應變片受到拉伸或者壓縮變形，彈性元件的阻值將發(fā)生增大或減小的變化，從而使惠更斯電橋失去平衡產(chǎn)生相應的差動信號，該信號由傳輸線傳輸?shù)胶罄m(xù)電路進行相應的處理。

稱重傳感器采集的模擬電壓信號經(jīng)放大器放大后，需要經(jīng)過A/D轉換電路轉換為數(shù)字信號后送至微處理器進行處理。為了滿足廚房秤的高精度和高穩(wěn)定性要求，本系統(tǒng)選用片內(nèi)集成穩(wěn)壓電源、時鐘振蕩器等電路的專為高精度稱重而設計的24位A/D轉換芯片HX711，該芯片具有集成度高、編程簡單、響應速度快以及抗干擾能力強等優(yōu)點，可以有效提高智能廚房秤的性能及可靠性。該芯片與后端的微控制器接口和編程均非常簡單，可以由微控制器通過兩根GPIO口管腳驅(qū)動，無須對芯片內(nèi)部的寄存器進行編程。HX711電路原理圖如圖2所示。

圖2 HX711電路原理圖

2.2 圖像采集模塊

智能廚房秤圖像采集模塊的主要功能是拍攝秤盤上的被測物體，并將采集的圖片信息傳輸?shù)絏1000微處理器進行存儲和處理。X1000微處理器將圖片進行壓縮后，通過網(wǎng)絡模塊上傳到連接手機智能廚房APP中，APP再通過調(diào)用百度AI進行果蔬識別，并將識別結果通過網(wǎng)絡模塊返回給X1000微處理器，然后利用語音播報模塊進行播報。本系統(tǒng)選用USB數(shù)字攝像頭進行圖片采集，該攝像頭具有兩百萬像素CMOS傳感器，最大圖像傳輸速度為15FPS UXGA 36MHZ/30FPS 720pMHZ，能有效減少圖像的采集時間。

2.3 觸摸按鍵模塊

觸摸按鍵模塊的主要功能是接收用戶的按鍵信息，并將按鍵信息通過I2C總線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀oX1000微處理器進行存儲和處理，同時微處理器將按鍵信息傳到語音播報模塊進行播報。根據(jù)智能廚房秤的功能需求和結構限制要求，需要采用抗干擾能力強且穩(wěn)定性好的觸摸按鍵，因此本設計采用由TI公司推出的基于FRAM架構的超低功耗微控制器MSP430FR2633作為觸摸按鍵模塊的控制IC，該IC采用CapTIvate觸控技術，可提供高分辨率的電容式觸控解決方案，能有效滿足本設計的需求。觸摸按鍵模塊的電路原理圖如圖3所示，其中SBWTDIO和SBWTCK管腳用于程序更新，TOUCH和BATQ_LAW用于與X1000微控制器進行數(shù)據(jù)通訊，TP1、TP2、TP3和TP4為電容式觸摸按鍵。

圖3 觸摸按鍵模塊的電路原理圖

2.4 數(shù)碼顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊主要用于顯示物體的重量等相關信息。一般顯示方式有兩種，一種是LED數(shù)碼管顯示，另一種為LCD液晶顯示。雖然液晶顯示的內(nèi)容較為豐富，但是亮度、功耗及美觀方面無法滿足智能廚房秤的需求，因此本設計采用LED數(shù)碼顯示的方式。數(shù)碼管選用共陽極LED數(shù)碼管，驅(qū)動IC選用TM1637芯片。TM1637采用功率CMOS工藝，內(nèi)部集成有LED高壓驅(qū)動、數(shù)據(jù)鎖存器和MCU數(shù)字接口等電路，通過I2C總線與X1000微控制器進行數(shù)據(jù)通訊。數(shù)碼顯示模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4 數(shù)碼顯示模塊的電路原理圖

2.5 語音播報模塊

語音播報模塊用于播報被測物體的重量信息、按鍵信息及物品識別信息等相關信息，當放置在秤盤上的被測物體重量超過量程時，也可以播報報警信息及時提醒用戶將超重物體移除。本系統(tǒng)采用的語音模塊由WM8978芯片及相關外圍電路組成，該芯片是一款低功耗、高性能的立體聲多媒體數(shù)字信號編譯碼器，可以實現(xiàn)聲音調(diào)節(jié)、失真調(diào)節(jié)和均衡器等音頻效果。語音播報模塊的電路原理圖如圖5所示，X1000微處理器通過I2S數(shù)據(jù)總線發(fā)送聲音數(shù)據(jù)、通過I2C數(shù)據(jù)總線來控制WM8978芯片的音頻參數(shù)信息。

圖5 語音播報模塊的電路原理圖

2.6 網(wǎng)絡模塊

智能廚房秤通過無線網(wǎng)絡模塊與智能廚房APP進行通信，可用于廚房秤參數(shù)配置和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。在首次啟用設備或者長按復位按鍵3s的情況下，廚房秤將進入Air Kiss配網(wǎng)模式，在配網(wǎng)的過程中，需要廚房秤與用戶手機在同一個無線網(wǎng)絡環(huán)境下，使用智能廚房APP進行網(wǎng)絡配置。本廚房秤采用SDIO總線接口的WIFI-8189模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸，具有設計方便、操作簡單及傳輸速率穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，能滿足圖片信息和文本信息在廚房秤和智能廚房APP之間數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.7 電源模塊

電源模塊是整個智能廚房秤的供電單元，主要為系統(tǒng)各功能模塊提供所需的直流穩(wěn)壓電源，由電池、充電電路、BUCK和BOOST電路組成，是系統(tǒng)能夠正常工作的前提。智能廚房秤采用便攜式設計，利用一塊型號為BL205的鋰離子電池給整個系統(tǒng)供電，該電池容量為3500mAh，正常輸出電壓為3.7V，因此，需要有給電池充電的電路，本系統(tǒng)選用TP4506芯片給電池充電，充電電路原理圖如圖6所示；智能廚房秤的外接直流電源為5V，X1000微控制器需要3.3V、2.5V、1.8V和1.2V的電壓，其余模塊主要用到5V和3.3V的電壓，要獲得除5V外的其他直流電壓，本系統(tǒng)采用多個SY8088的BUCK轉換芯片，該芯片可以通過在OUT管腳和FB管腳間接不同反饋分壓電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓，SY8088電路原理圖如圖7所示；當單獨使用電池供電時，需要將3.7V的電池電壓升壓到5V，此時采用LM2733芯片BOOST升壓芯片，其原理圖如圖8所示。

圖6 充電電路原理圖

圖7 SY8088 BUCK電路原理圖

圖8 LM2733 BOOST電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

智能廚房秤主要具備稱重功能、圖像采集功能、觸摸按鍵功能、數(shù)碼顯示功能、語音播報功能和網(wǎng)絡傳輸功能。本系統(tǒng)正常開始工作后，系統(tǒng)各功能模塊上電復位，微控制器對各功能模塊進行初始化設置，并執(zhí)行自檢程序，若在自檢過程中存在故障，就會調(diào)用語音播報模塊發(fā)出故障警報，自檢完成后，系統(tǒng)即進入物體稱重模式。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

當廚房秤的秤盤上放置被測物體時，物體的重力將使電阻應變式壓力傳感器發(fā)生相應的形變，此時，電阻應變式壓力傳感器的阻值隨著形變而改變，并因電橋失衡輸出與被測物體的重力成正比的模擬電信號，該電信號放大后，經(jīng)A/D轉換芯片HX711變換為24位的高精度數(shù)字信號，再送到X1000微處理器進行存儲和處理。同時，微處理器中收到稱重模塊的重量變換信息后啟動圖像采集模塊，使用USB攝像頭將此時秤盤上的物體拍攝下來，之后將圖片信息送到X1000微處理器進行存儲和處理。

若觸摸按鍵模塊有接收到用戶的按鍵信息時，也會將按鍵信息送到X1000微處理器進行存儲和處理。X1000微處理器將按設定的程序?qū)⒈粶y物體的重量信息、圖片信息和按鍵信息處理后通過網(wǎng)絡模塊全部上傳到連接的手機智能廚房APP中，同時微處理器將相應的數(shù)據(jù)信息傳遞到語音播報模塊進行語音播報和數(shù)碼顯示模塊顯示物體的重量相關信息等。

手機智能廚房APP中的圖片信息可通過調(diào)用百度AI進行果蔬識別，并將識別結果通過網(wǎng)絡模塊反饋到X1000微處理器，再由語音播報模塊進行播報。另外，用戶也可通過智能廚房APP發(fā)出簡單的命令，經(jīng)由網(wǎng)絡模塊給到X1000微處理器來進行簡單的智能交互。

4 系統(tǒng)稱重性能測試

經(jīng)過電路方案設計、物料采購、板件打板、電路板調(diào)試及整個系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最終實現(xiàn)了便攜式高精度智能廚房秤的物體稱重、圖像采集、觸摸按鍵、數(shù)碼顯示、語音播報和網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ堋ａ槍ψ詈诵牡奈矬w重量測量功能，通過在秤盤上放置標準砝碼進行測量，砝碼的重量從5～2000g，分別重復測量3次，計算測量結果與標準砝碼重量之間的誤差，根據(jù)測試結果計算智能廚房秤的稱重精度，試驗結果如表1所示。

表1 智能廚房秤稱重性能測試結果

由試驗數(shù)據(jù)可知，當沒有物體放置在秤盤上時，數(shù)碼顯示模塊顯示的重量為0g，且3次測量的智能廚房秤測量最大誤差僅為±0.1g，達到本設計的精度要求。

5 結語

隨著科學技術的不斷進步，電子衡器向小型化、直觀化、智能化方向發(fā)展，技術性能趨向于高速率、高精度及高穩(wěn)定性方向，在此發(fā)展趨勢下，本文基于X1000微處理器，以電阻應變式壓力傳感器為應用研究對象，進行便攜式高精度智能廚房秤的系統(tǒng)研究和設計，主要完成了2000g重量以下物體的精準測量，通過圖像采集模塊采集圖片，利用數(shù)碼顯示模塊顯示物體重量信息，實現(xiàn)了語音播報功能，通過網(wǎng)絡模塊可以使手機移動設備實時接收信息并共享給智能廚房中的其他設備，可以實現(xiàn)廚房家電之間信息的互聯(lián)互通，為構造智能廚房系統(tǒng)提供食材的相關數(shù)據(jù)信息。