多功能語音電子秤

1、摘 要本系統(tǒng)以AVR系列單片機ATMEGA16為控制核心，凌陽SPCE061A為輔助控制器，實現(xiàn)語音電子秤功能。在設(shè)計系統(tǒng)時，為了更好地采用模塊化設(shè)計法，分步的設(shè)計各個單元功能模塊，系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集、最小系統(tǒng)、人機交互界面、無線傳輸、語音播放和系統(tǒng)電源六大部分。該電子秤在實現(xiàn)基本的稱重功能（稱重范圍為080.000公斤，重量誤差不大于0.1）的同時,發(fā)揮語音播放功能，能夠播放重量、總價、找零金額、身高和身體形態(tài)。本系統(tǒng)能夠設(shè)置日期和預存十種商品的單價， 還具有自動校零、交易金額找零、數(shù)據(jù)去抖和去皮及掉電保護功能。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，功能齊全，人性化，具有一定的實用價值。關(guān)鍵詞：電子

2、秤 ATMEGA16 儀用放大器 壓力傳感器 SPCE061A 語音播放1引言質(zhì)量是測量領(lǐng)域中的一個重要參數(shù)，稱重技術(shù)自古以來就被人們所重視。秤是最普遍、最普及的計量設(shè)備，電子秤取代機械秤是科學技術(shù)發(fā)展的必然規(guī)律。低成本、高智能化的電子秤無疑具有極其廣闊的市場前景。本設(shè)計制的多功能電子秤在實際使用時達到以下要求：（1）能用鍵盤設(shè)置單價，稱重后能同時顯示重量、單價和總額；電子秤：最大稱重為80.000公斤，重量誤差不大于0.1。（2）顯示重量、單價、總額等信息。a.重量顯示為5位，單位為公斤，最大重量顯示值為99.999公斤；b.單價金額顯示為5位，單位為元，最大單價金額顯示值值為999.99元

3、；c.總價金額顯示為6位，單位為元，最大總價金額顯示值值為9999.99元，總價金額誤差不大于0.01元。2方案設(shè)計2.1設(shè)計思路為達到設(shè)計要求，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊由電阻應(yīng)變式稱重傳感器、儀用放大器、二階低通濾波器組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給控制器處理，由控制器完成對該數(shù)字量的處理，驅(qū)動顯示模塊完成人機間的信息交換。此部分對軟件的設(shè)計要求比較高，系統(tǒng)整體原理圖見附錄(1)。2.2 系統(tǒng)方案本設(shè)計制作的為多功能語音電子秤，以ATMEGA16單片機為主控器，凌陽SPCE061A為輔助控制器，該系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集、最小系統(tǒng)、人機交互界面、無線傳輸、語音播放和系統(tǒng)電源六大部分。壓力傳感器將電壓信傳遞到

4、差分放大電路中放大，放大后的信號進入ATMEGA16的AD輸入引腳，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后在12864上顯示，再通過人機交互將數(shù)據(jù)通過24L01發(fā)送到SPCE061A上處理，SPCE061A將處理后的數(shù)據(jù)通過其語音功能播放。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：圖1 系統(tǒng)總體框圖2.2.1 壓力傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學量傳感器。導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換

5、為R/R后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。電阻應(yīng)變式傳感器有如下特點：（1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器。（2）分辨力和靈敏度高，精度較高。（3）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應(yīng)性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。（4）商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 2.2.2 信號處理采

6、用運放NE5532搭建儀用放大器，被稱為“運放之皇”的NE5532具有低零漂、低噪聲、高共模抑制比的特性，其內(nèi)部集成兩個運放，是一款性價比很高的運放芯片。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：圖2 NE5532內(nèi)部簡圖據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器的相關(guān)參數(shù)（見附錄3），知傳感器的靈敏度（）為2.0mV/V。所以向傳感器提供5V（Vcc）電壓時其最大輸出電壓（Vomax）為10mV。具體計算公式如下：Vomax=Vcc*AD滿額采集電壓為（Vout）5V， Av=Vout/Vomax根據(jù)計算，得到Av=500。放大原理圖，如下圖所示:圖3 儀用放大器原理圖由上圖可知，R1 = R2=22K，R4=R5=2K，R3=R6=2

7、0K,R7為可調(diào)電阻2K具體計算公式如下:Av=調(diào)節(jié)R7，當R7為900時，Av=500。放大后經(jīng)示波器觀察，紋波范圍為40mV60mV。所以需要經(jīng)過濾波處理，用濾波器設(shè)計軟件（FilterLab_V2.0）設(shè)計以1KHz為上限頻率的二階有源低通濾波器可以有效濾除紋波。電路原理圖見附錄(3)。2.2.3 控制器模塊ATMEGA16實現(xiàn)系統(tǒng)整體控制，SPCE061A實現(xiàn)語音功能。ATMEGA16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的

8、矛盾。ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16 有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USA

9、RT，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。SPCE061A在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使nSP能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。因此，與SPCE500A相比，以nSP為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種經(jīng)濟的選擇。最小系統(tǒng)見附錄(4)。2.2.4 顯示模塊采用LCD12864顯示。128

10、64是一種圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器列驅(qū)動器及12864全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示84個(1616點陣)漢字。通過軟件進行菜單切換，這樣就可以完成更多內(nèi)容的顯示，而且操作簡便。 2.2.5 無線模塊NRF24L01nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.42.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊。詳見附錄(5)。發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先在ATMEGA1

11、6中將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10s，延遲130s后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應(yīng)答信號，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知ATMEGA16。最后發(fā)射成功時,若CE為低則nRF24L01進入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且

12、CE為高，則進入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進入空閑模式2。接收數(shù)據(jù)時,首先SPCE061A將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130s進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包存儲在RX FIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知SPCE061A去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入空閑模式1。2.2.6電源模塊設(shè)計的電源需提供單片機、顯示器、信號處理模塊所需的不同電壓。設(shè)計的電源原理圖如附錄（6）所示，三端穩(wěn)壓芯片7805、7905

13、、LM317和LM337起穩(wěn)壓作用，2200uf電解電容、100uf和0.33uf瓷片電容起濾除紋波作用，輸出為提供給各單元電路。2.2.7語音播放模塊通常所說的音頻是在20HZ到20KHZ的聲音信號，分為波形聲音、語音、和音樂三種。波形聲音就是自然界中所有的聲音，是聲音數(shù)字化的基礎(chǔ)，數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于采樣頻率和量化位數(shù)這兩個重要參數(shù)。*.WAV文件是音頻文件的一種格式，使用三個參數(shù)來表示聲音，采樣位數(shù)、采用頻率和聲道數(shù)。凌陽音頻解決方案里主要包括：A/D、編碼處理、儲存、解碼處理以及D/A等，它有以下三種壓縮編碼方式：SACM-A2000、SACM-S480、SACM-S240。在凌陽的函

14、數(shù)庫里已經(jīng)將A/D、編碼處理、儲存、解碼處理以及D/A做成相應(yīng)的模塊，每個模塊都有應(yīng)用程序接口API，簡化了程序的編寫難度并且提高語音質(zhì)量。2.3 ATMEGA16系統(tǒng)軟件設(shè)計本軟件基于ATMEGA16單片機實現(xiàn)，主要負責AD轉(zhuǎn)換和菜單顯示功能，其中對AD轉(zhuǎn)換部分進行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)去抖動、手動清零和自動校零的功能?？傮w流程圖見下圖：圖4主程序流程圖3設(shè)計實現(xiàn)3.1 數(shù)據(jù)去抖和自動校零功能的實現(xiàn)由于通過電路放大得到的傳感器電壓信號不穩(wěn)定，導致采集到的重量值在屏幕上會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，這在實際應(yīng)用中是不允許的，以上就是通過軟件的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)去抖動功能，流程圖見下圖5所示。另外考慮到

15、在鎖定一個固定值后，如果還需要繼續(xù)稱量其它物品，這就需要當重物從傳感器上取下，顯示自動清理，這在圖5所示的流程圖中也已經(jīng)得以說明。圖5 數(shù)據(jù)去抖原理圖3.2 去毛重功能的實現(xiàn)在實際測量過程中，我們往往想得到的是凈重，所以必須將毛重去除。這種去毛重功能在本系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，當將視為毛重的物體置于秤盤上時，通過按鍵，將此重量保存，同時將顯示清零，然后將含毛重的物體重量減去此前保存的重量（毛重），即得到所測物體的凈重。原理見圖6所示：圖6 去毛重原理圖3.3 SPCE061A系統(tǒng)軟件設(shè)計圖7 凌陽SPCE061A程序流程圖程序初始化后進入等待模式，接收到信號后進行判斷播報的內(nèi)容，將接收到的數(shù)據(jù)進行分割

16、組合，最終可以實現(xiàn)流利的報價、重量以及找零功能。如果功能鍵按下，系統(tǒng)將進入計算體型模式，將身高和性別輸入進去后，CPU按照人體身高和體重的合理比例來計算當前身高和體型。通過語音播報體重、體型以及偏胖或偏瘦的公斤數(shù)。體型計算的實現(xiàn)是通過傳感器得到的體重和鍵盤輸入的身高進行計算，與亞洲人的體型標準作比較，將得到的體型顯示并且播放。國際上常用的人的體重計算公式，以及身材比例計算（比較適合東方人）標準體重=(身高cm-100)x0.9(kg)標準體重(女)=(身高cm-100)x0.9(kg)-2.5(kg)正常體重：標準體重(多少）10。4 系統(tǒng)測試4.1測試條件和測試儀器設(shè)備傳感器受較低或較高溫度

17、變化時會產(chǎn)生形變，所以測試時最好在室溫下進行，并要確保供電電源的穩(wěn)定性，測試儀器設(shè)備如下表1所示：表1 測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注出廠編號1Tektronix示波器1TektronixC0390702函數(shù)信號發(fā)生器 EE164281南京新聯(lián)電子設(shè)備有限公司0013983數(shù)字萬用表 UT58E1UNI-T30500306334.2測試方法和測試結(jié)果（1）掉電保護測試。當系統(tǒng)運行在某一菜單畫面下時，在外界環(huán)境發(fā)生變化導致系統(tǒng)掉電，而后重新恢復供電，系統(tǒng)自動恢復到掉電前的畫面，并且原先通過手動預置的單價也實時顯示在菜單畫面中。實現(xiàn)了掉電保護功能。 （2）稱重范圍測試。傳感器參數(shù)顯

18、示稱重范圍為080kg，選取磅秤砝碼，從最小重量砝碼開始，無稱重，再逐個往上加，直到有稱重時停止，再換小砝碼細秤，測出稱重下限為100g。用15kg砝碼測試，計價秤能正常工作。（3）電子計價秤精度測試。分別將重量為600g,2kg,8kg,12kg的砝碼放在電子秤上稱重，單價預置為10元/Kg。根據(jù)公式計算出重量的秤量精度；總額用公式計算；總額的誤差用公式來計算，將數(shù)據(jù)記錄于下表2中。分析得出結(jié)論，傳感器測量不夠靈敏，A/D轉(zhuǎn)換速度也是造成此結(jié)果的原因。 誤差 = 總額 = 重量 單價 表2 單價為10.00元/Kg下不同砝碼重量和總額的測量數(shù)據(jù)記錄表序號項目1234重量實際值（Kg）0.60

19、02.0008.00012.000測量值（Kg）0.5461.9507.95611.934誤差（%）-9 %-2.5%-0.55%-0.55%總額實際值（元）6.0020.0080.00120.00測量值（元）5.4619.5079.56119.34誤差-9%-2.5-0.55-0.555 結(jié)論經(jīng)過一段時間的努力，我們完成了多功能語音電子秤的制作，我們通過大膽想象，實現(xiàn)了自動校零、去皮、無線傳輸?shù)裙δ堋闹蝎@得了較多的課外知識，知道怎樣把實踐與理論相結(jié)合。明白了想象力的重要性，只有敢于想象，大膽的嘗試，才能獲得意想不到的結(jié)果。6參考文獻【1】郁有文,常健,程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用（第二版）

20、.西安. 西安電子科技大學出版社.2004【2】康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2005【3】洪志剛.傳感器原理及應(yīng)用.北京.高等教育出版社.2007【4】張洪潤,張亞凡單片機原理及應(yīng)用北京清華大學出版社2005【5】趙亮，侯國銳. 單片機C語言編程與實例,北京人民郵電出版社2003附錄1：系統(tǒng)整體原理圖附錄2：應(yīng)變式電阻傳感器相關(guān)資料表2產(chǎn)品類型LS80A 系列結(jié)構(gòu)特點鋁合金額定載荷080Kg靈敏度2.0mV/V附錄3：濾波模塊原理圖附錄4：凌陽單片機最小系統(tǒng)附錄5：nRF24L01應(yīng)用電路附錄6 ：電源模塊原理圖附錄7：秤體實物圖附錄8：ATMEGA16模組和

21、SPCE061A模組實物圖ATMEGA16模組實物圖 SPCE061A模組實物圖附錄9：主程序代碼void main() init(); /初始化 while(1) keyzhi=keyscan(); if(keyzhi=3&keyzhi=10) fun_flag=0; EEPROM_write(now_add, fun_flag); switch(fun_flag) case 0:send_command(0x01);daytime();break; /進入時鐘設(shè)置模式 case 1:send_command(0x01);nowmode();break; /進入普通模式 case 2:sen

22、d_command(0x01);yucunmode();break; /進入預存模式 case 3:send_command(0x01);now_happen();break; /進入正在顯示重量，單價，總價模式 case 4:send_command(0x01);jiaoyimode();break; /進入交易模式 default :break; 附錄10：語音播放程序代碼/* 函數(shù)名稱：PlaySnd 函數(shù)功能：播放語音函數(shù) 入口參數(shù)：播放索引號SndIndex，播放通道DAC_Channel 出口參數(shù)：無 備 注： */void PlaySnd(BYTE SndIndex,BYTE D

23、AC_Channel) SACM_A2000_Initial(1);/初始化自動播放 SACM_A2000_Play(SndIndex,DAC_Channel);/開始一段播放語音 while(SACM_A2000_Status()&0x0001)!=0)/判斷是否播放完畢 SACM_A2000_ServiceLoop();/解碼填充隊列 *P_Watchdog_Clear=1;/清看門狗 SACM_A2000_Stop();/停止播放 *P_Watchdog_Clear=1;/* 函數(shù)名稱：void Price 函數(shù)功能：總價語音提示 入口參數(shù)：無 出口參數(shù)：無 備 注： */void Pr

24、ice()Price_Num=(unsigned long int)rx_buf3*10000+(unsigned long int)rx_buf4*100+(unsigned long int)rx_buf5;if(Price_Num=0)PlaySnd(0,1);/0PlaySnd(14,1);/元else if(Price_Num/100000)!=0)PlaySnd(Price_Num/100000,1);PlaySnd(12,1); /千if(Price_Num%100000/10000)!=0)PlaySnd(Price_Num%100000/10000,1);PlaySnd(11

25、,1); /百else if(Price_Num%100000/10000=0)&(Price_Num%100000%10000/1000)!=0)/如果十位不等于0,并且百位等于0.PlaySnd(0,1);/0if(Price_Num%100000%10000/1000)!=0)PlaySnd(Price_Num%100000%10000/1000,1);PlaySnd(10,1);/十else if(Price_Num%100000%10000/1000=0)&(Price_Num%100000%10000%1000/100!=0)/如果十位=0.并且各位不等于0.PlaySnd(0,1

26、);/0if(Price_Num%100000%10000%1000/100)!=0)PlaySnd(Price_Num%100000%10000%1000/100,1);else ;PlaySnd(14,1);/元if(Price_Num%100000%10000%1000%100/10)!=0)PlaySnd(Price_Num%100000%10000%1000%100/10,1);PlaySnd(15,1);/角else ;if(Price_Num%100000%10000%1000%100%10)!=0)PlaySnd(Price_Num%100000%10000%1000%100%

27、10,1);PlaySnd(16,1);/分else ;else if(Price_Num/100000=0)&(Price_Num%100000/10000)!=0)PlaySnd(Price_Num/10000,1);PlaySnd(11,1); /百if(Price_Num%10000/1000)!=0)PlaySnd(Price_Num%10000/1000,1);PlaySnd(10,1);/十else if(Price_Num%10000/1000=0)&(Price_Num%10000%1000/100)!=0)/如果十位=0.并且各位不等于0.PlaySnd(0,1);/0if

28、(Price_Num%10000%1000/100)!=0)PlaySnd(Price_Num%10000%1000/100,1);else ;PlaySnd(14,1);/元if(Price_Num%10000%1000%100/10)!=0)PlaySnd(Price_Num%10000%1000%100/10,1);PlaySnd(15,1);/角else ;if(Price_Num%10000%1000%100%10)!=0)PlaySnd(Price_Num%10000%1000%100%10,1);PlaySnd(16,1);/分else ;else if(Price_Num/100000=0)&(Price_Num%100000/10000=0)&(Price_Num%100000%10000/1000)!=0)PlaySnd(Price_Num/1000,1);PlaySnd(10,1);/十if(Price_Num%1000/100)!=0)PlaySnd(Price_Num%1000/100,1);else ;PlaySnd(14,1