基于小凌派RK2206的智能語音電子秤設計

本項目由閩江學院宋曉彬、宋翔、韋堅彬同學完成。

1、項目背景

科學進步的今天，電子秤技術(shù)從過去單一的追求測出結(jié)果到現(xiàn)在人們對原來的測量儀器有了更加嚴格的要求。這些要求包括測量儀器的精準度、穩(wěn)定度和能否適應環(huán)境的變化。對于電子秤來說傳感器技術(shù)最為重要。如果沒有傳感器技術(shù)，那么可想而知，就沒有什么信息采集和處理可言。傳感器技術(shù)的發(fā)展和改進推動了電子秤的變革?，F(xiàn)在電子秤運用于各行各業(yè)，更加方便、準確快捷的實現(xiàn)了對物體質(zhì)量的測量。電子技術(shù)的革命性的變革使得可以更好的將微處理技術(shù)和性價比良好的傳感器結(jié)合起來，這樣一來就可以設計出一款高精度、低成本的電子秤。電子秤的更新和發(fā)展都是以傳感器為前提的，還有就是電子秤系統(tǒng)的模塊化結(jié)合。電子秤系統(tǒng)模塊化結(jié)合使得電子秤從過去單一的稱重測量方式向多功能化轉(zhuǎn)變，這樣就方便了人們?nèi)粘Ｉ钚枨蟆?/p>

目前來看,國內(nèi)的電子秤測量技術(shù)通過近幾年的不斷發(fā)展和完善，有了很大程度上的提高。衡量物體質(zhì)量的手段從人類早期社會的杠桿式的稱的測量方式到現(xiàn)在的電子秤測量方式有了很大的變革。人們不單追求的是單一的能夠測量出物體的質(zhì)量，而且對測量結(jié)果有了更嚴格的要求。隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)和電子技術(shù)的深入發(fā)展，電子秤從結(jié)構(gòu)單一到智能化進行了轉(zhuǎn)變。目前國內(nèi)衡量物體的手段有了空前的發(fā)展，已經(jīng)跟上國際的發(fā)展水平。國內(nèi)電子秤的精確度已經(jīng)達到了0.019（10mg）的精確度。但是國內(nèi)電子秤大多數(shù)是仿照國外的技術(shù)，根本上沒有創(chuàng)新和發(fā)展。電子秤無論是在精確度還是穩(wěn)定性方面，國外電子秤測量已經(jīng)達到了領先的水平。國外的電子秤技術(shù)的發(fā)展結(jié)果可舉例如下：電子秤設計的佼佼者也就是美國公司Revere，設計出的電子秤精度可以達到5000D（美國的物體質(zhì)量精確度表示方式，相當于中國的5微克）。德國公司HBM的耐壓防爆型電子秤，它的性價比足以和處在國際領先水平的電子秤相媲美。國內(nèi)電子秤一般都是仿照和進口國外的電子秤，有些偏遠山區(qū)依舊使用老式的杠桿原理的稱。相比于國外電子秤的發(fā)展水平，國內(nèi)電子秤的依舊是發(fā)展緩慢，并沒有掌握核心科技?？傮w來看，國內(nèi)電子秤發(fā)展欠缺，電子秤技術(shù)沒有掌握核心，電子秤發(fā)展存在廣闊的發(fā)展空間。

2、項目簡介

2.1項目描述

本文基于單片機小凌派RK2206設計了一款智能化電子秤，可實現(xiàn)稱重、按鍵調(diào)節(jié)、顯示等功能。設計的基本要求為：測量量程0~10kg，測量誤差不能大于5g，能夠通過按鍵完成顯示清零、去皮、校準等功能。

圖2.1便攜式智能語音電子秤框圖

2.2設計原理

本次設計的電子秤主要由6部分組成，分別是：壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機主控芯片、液晶顯示器、按鍵控制、超重報警及指示燈。工作原理：(1)由壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，將壓力轉(zhuǎn)換為微弱的模擬電壓信號；(2)HX711模塊對模擬電壓信號放大后進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號給單片機；(3)單片機通過計算在顯示器上顯示物體重量；(4)如果物體超重報警器報警，且紅色LED指示燈閃爍。

圖2.2電路設計

2.3系統(tǒng)功能模塊劃分

基于HX711芯片電子秤與SYN6288語音播報實現(xiàn)智能語音電子秤。當物體放在秤盤上時，壓力施加給傳感器，該傳感器發(fā)生彈性形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時使用激勵電壓發(fā)生變化，輸出一個變化的模擬信號。該信號經(jīng)HX711芯片（放大電路放大輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號輸出到CPU（RK2206）運算控制。直至得出這種結(jié)果并通過串口發(fā)送到SYN6228芯片播報。該模塊通過小凌派RK2206為核心模塊驅(qū)動。

2.4項目展示

圖2.4便攜式智能語音電子秤實物

1、硬件方案

3.1 主控芯片選擇方案

我們使用的國產(chǎn)主控芯片RK2206是瑞芯微推出的一種低功耗、高集成的MCU無線局域網(wǎng)處理器，它可以應用在不同的應用領域，如物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、家庭自動化、云連接等。RK2206支持802.11b/g/n無線和全介質(zhì)接入控制WLAN整體解決方案，同時有豐富的外圍設備，如USB2.0OTG、I2C、UART、PWM、SPI、CapSense、I2S、PDM、i8080顯示接口、相機串行接口等，使產(chǎn)品開發(fā)更加簡單多樣。

圖3.1RK2206主控芯片

3.2SYN6288模塊

SYN6288通過異步串口（UART）通信方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)實現(xiàn)文本到語音（或TTS語音）的轉(zhuǎn)換。TTS語音為：存儲在FlashROM中的是編碼后的語音參數(shù)，由MCU控制將FlashROM中的數(shù)據(jù)取出并譯碼，根據(jù)相應的語音合成方法，由語音參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字語音信號，通過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬語音信號。

圖3.2 SYN6288模塊

3.3 專用模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊

HX711是一款專為電子秤而設計的24位高精度模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片，具有集成度高、響應速度快和抗干擾性強等優(yōu)點。HX711芯片集成了穩(wěn)壓電源，可以向內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器和外部的壓力傳感器供電。壓力傳感器產(chǎn)生的電壓信號十分微弱，而HX711芯片內(nèi)集成有低噪聲可編程、增益可調(diào)的放大器，首先完成電壓信號的放大，再進行A/D轉(zhuǎn)換。連接方式：壓力傳感器輸出電壓信號分別連接HX711芯片的引腳INNA與引腳INPA。電壓信號經(jīng)放大、數(shù)字化后通過引腳DOUT和PD_SCK傳輸給單片機，分別接小凌派RK2206的P2.0和P2.1引腳。穩(wěn)壓電路為壓力傳感器提供穩(wěn)定的輸入電壓。

圖3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊HX711

3.4 按鍵模塊

按鍵模塊由4個按鍵組成，分別完成復位清除、去皮、校準加、校準減四個功能。其中，復位清除功能是通過將單片機復位重啟按鍵實現(xiàn)的，即單片機復位按鍵為清除顯示按鍵。去皮、校準加、校準減按鍵接小凌派RK2206的ADC引腳，判斷不同的電壓值來判斷不同按鍵。

1、系統(tǒng)程序設計

4.1程序設計流程

首先，對單片機、液晶顯示屏、A/D轉(zhuǎn)換芯片初始化；然后，單片機讀取A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)，通過計算將數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為重量值，并傳輸給顯示器顯示重量，再判斷是否超重；再次，如果超重，則發(fā)出指令給報警模塊，使得蜂鳴器發(fā)出警報，紅色LED燈不斷閃爍，提示超重。如果未超重，綠色LED燈常亮表示正常。最后，不斷讀取A/D轉(zhuǎn)換芯片，重復以上操作。

圖4.1.0主要程序設計流程圖

圖4.1.1主流程圖

4.2軟件總體框架

在應用層中分成：數(shù)據(jù)交換層、數(shù)據(jù)控制層和數(shù)據(jù)存儲層。數(shù)據(jù)的交換層實現(xiàn)對編碼器信號的接收、參數(shù)設定板參數(shù)的設定以及內(nèi)、外呼信號的控制。數(shù)據(jù)控制層實現(xiàn)對物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯、重發(fā)等。通過數(shù)據(jù)存儲空間，用戶可以將數(shù)據(jù)保存到設備上。當計算機關(guān)機時，數(shù)據(jù)仍得以保留。用戶可以指示計算機從存儲設備中提取數(shù)據(jù)，而無需手動將數(shù)據(jù)輸入計算機。計算機可根據(jù)需要從各種來源讀取輸入數(shù)據(jù)，然后再創(chuàng)建輸出，并將其保存到相同的源位置或其他存儲位置。用戶還可以與他人共享數(shù)據(jù)存儲。簡單來說，現(xiàn)代計算機（或稱為終端）直接或通過網(wǎng)絡連接到存儲設備。 用戶指示計算機從這些存儲設備訪問數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到其中。 但根本而言，數(shù)據(jù)存儲有兩個基本要素： 數(shù)據(jù)所采取的形式，以及記錄和存儲數(shù)據(jù)的設備。內(nèi)核，是一個操作系統(tǒng)的核心。是基于硬件的第一層軟件擴充，提供操作系統(tǒng)的最基本的功能，是操作系統(tǒng)工作的基礎，它負責管理系統(tǒng)的進程、內(nèi)存、設備、驅(qū)動、程序、文件和網(wǎng)絡系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。現(xiàn)代操作系統(tǒng)設計中，為減少系統(tǒng)本身的開銷，往往將一些與硬件緊密相關(guān)的（如中斷處理程序、設備驅(qū)動程序等）、基本的、公共的、運行頻率較高的模塊（如時鐘管理、進程調(diào)度等）以及關(guān)鍵性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨立開來，使之常駐內(nèi)存，并對他們進行保護。

圖4.1.2軟件總體框架

5、項目總結(jié)和展望

本設計實現(xiàn)了以小凌派RK2206為主控芯片的電子秤，配備精度較高的壓力傳感器和專用A/D轉(zhuǎn)換器模塊HX711，具備實時顯示、超重報警等功能。該電子秤使用簡單、攜帶方便、計量準確，可以滿足基本需求。由于使用了單片機系統(tǒng)，可以通過電路擴展實現(xiàn)電子秤的進一步智能化，如顯示日期、計算價格、語音播報、上傳數(shù)據(jù)到APP等，也是未來工作的方向。電子稱在我們的日常生活中已經(jīng)成為必不可少的工具，因此，有針對性地開發(fā)出一套有實用價值的電子秤系統(tǒng)。