基于小凌派RK2206的智能語音電子秤設(shè)計(jì)
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1、項(xiàng)目背景
科學(xué)進(jìn)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(duì)原來的測量儀器有了更加嚴(yán)格的要求。這些要求包括測量儀器的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定度和能否適應(yīng)環(huán)境的變化。對(duì)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(jìn)推動(dòng)了電子秤的變革?，F(xiàn)在電子秤運(yùn)用于各行各業(yè)，更加方便、準(zhǔn)確快捷的實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jià)比良好的傳感器結(jié)合起來，這樣一來就可以設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)測量結(jié)果有了更嚴(yán)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(jìn)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(dá)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(dá)到了領(lǐng)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(shè)計(jì)的佼佼者也就是美國公司Revere，設(shè)計(jì)出的電子秤精度可以達(dá)到5000D（美國的物體質(zhì)量精確度表示方式，相當(dāng)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(jià)比足以和處在國際領(lǐng)先水平的電子秤相媲美。國內(nèi)電子秤一般都是仿照和進(jìn)口國外的電子秤，有些偏遠(yuǎn)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。總體來看，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(xiàng)目簡介
（1）項(xiàng)目描述
本文基于單片機(jī)小凌派RK2206設(shè)計(jì)了一款智能化電子秤，可實(shí)現(xiàn)稱重、按鍵調(diào)節(jié)、顯示等功能。設(shè)計(jì)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(zhǔn)等功能。
圖2.1便攜式智能語音電子秤框圖
（2）設(shè)計(jì)原理
本次設(shè)計(jì)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(jī)主控芯片、液晶顯示器、按鍵控制、超重報(bào)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(hào)；(2)HX711模塊對(duì)模擬電壓信號(hào)放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)；(3)單片機(jī)通過計(jì)算在顯示器上顯示物體重量；(4)如果物體超重報(bào)警器報(bào)警，且紅色LED指示燈閃爍。
（3）系統(tǒng)功能模塊劃分
基于HX711芯片電子秤與SYN6288語音播報(bào)實(shí)現(xiàn)智能語音電子秤。當(dāng)物體放在秤盤上時(shí)，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(shí)使用激勵(lì)電壓發(fā)生變化，輸出一個(gè)變化的模擬信號(hào)。該信號(hào)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(hào)輸出到CPU（RK2206）運(yùn)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(bào)。該模塊通過小凌派RK2206為核心模塊驅(qū)動(dòng)。
（4）項(xiàng)目展示
圖2.4便攜式智能語音電子秤實(shí)物
3、硬件方案
（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(yīng)用在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、家庭自動(dòng)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(shí)有豐富的外圍設(shè)備，如USB2.0 OTG、I2C、UART、PWM、SPI、CapSense、I2S、PDM、i8080顯示接口、相機(jī)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
（2）SYN6288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(shí)現(xiàn)文本到語音（或TTS語音）的轉(zhuǎn)換。TTS語音為：存儲(chǔ)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(yīng)的語音合成方法，由語音參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字語音信號(hào)，通過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬語音信號(hào)。
圖3.2 SYN6288模塊
（3）專用模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊
HX711是一款專為電子秤而設(shè)計(jì)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(yīng)速度快和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)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(hào)的放大，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。連接方式：壓力傳感器輸出電壓信號(hào)分別連接HX711芯片的引腳INNA與引腳INPA。電壓信號(hào)經(jīng)放大、數(shù)字化后通過引腳DOUT和PD_SCK傳輸給單片機(jī)，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
（4）按鍵模塊
按鍵模塊由4個(gè)按鍵組成，分別完成復(fù)位清除、去皮、校準(zhǔn)加、校準(zhǔn)減四個(gè)功能。其中，復(fù)位清除功能是通過將單片機(jī)復(fù)位重啟按鍵實(shí)現(xiàn)的，即單片機(jī)復(fù)位按鍵為清除顯示按鍵。去皮、校準(zhǔn)加、校準(zhǔn)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。
4、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
（1）程序設(shè)計(jì)流程
首先，對(duì)單片機(jī)、液晶顯示屏、A/D轉(zhuǎn)換芯片初始化；然后，單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算將數(shù)字電壓信號(hào)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(bào)警模塊，使得蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，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(fù)以上操作。
圖4.1.0主要程序設(shè)計(jì)流程圖
圖4.1.1主流程圖
（2）軟件總體框架
在應(yīng)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(chǔ)層。數(shù)據(jù)的交換層實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器信號(hào)的接收、參數(shù)設(shè)定板參數(shù)的設(shè)定以及內(nèi)、外呼信號(hào)的控制。數(shù)據(jù)控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、重發(fā)等。通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，用戶可以將數(shù)據(jù)保存到設(shè)備上。當(dāng)計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)仍得以保留。用戶可以指示計(jì)算機(jī)從存儲(chǔ)設(shè)備中提取數(shù)據(jù)，而無需手動(dòng)將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)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(chǔ)位置。用戶還可以與他人共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。簡單來說，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（或稱為終端）直接或通過網(wǎng)絡(luò)連接到存儲(chǔ)設(shè)備。 用戶指示計(jì)算機(jī)從這些存儲(chǔ)設(shè)備訪問數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到其中。 但根本而言，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有兩個(gè)基本要素： 數(shù)據(jù)所采取的形式，以及記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)備。內(nèi)核，是一個(gè)操作系統(tǒng)的核心。是基于硬件的第一層軟件擴(kuò)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(chǔ)，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)、程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等）、基本的、公共的、運(yùn)行頻率較高的模塊（如時(shí)鐘管理、進(jìn)程調(diào)度等）以及關(guān)鍵性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨(dú)立開來，使之常駐內(nèi)存，并對(duì)他們進(jìn)行保護(hù)。
圖4.1.2軟件總體框架
5、項(xiàng)目總結(jié)和展望
本設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)時(shí)顯示、超重報(bào)警等功能。該電子秤使用簡單、攜帶方便、計(jì)量準(zhǔn)確，可以滿足基本需求。由于使用了單片機(jī)系統(tǒng)，可以通過電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)電子秤的進(jìn)一步智能化，如顯示日期、計(jì)算價(jià)格、語音播報(bào)、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(duì)性地開發(fā)出一套有實(shí)用價(jià)值的電子秤系統(tǒng)。
