【項目實訓】51單片機電子秤（語音播報版）

ID:47177 · 發(fā)表于 2022-7-25 16:16

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一、設(shè)計要求

1.利用單片機對數(shù)字電子秤的各種功能進行控制。

2.數(shù)字電子秤能夠顯示商品的重量、單價，且自動完成商品總價的計算，可通過語音播報商品總價。

3.數(shù)字電子秤的測量范圍要求達到5KG，測量精度要求達到1g。

二、方案設(shè)計

（1）設(shè)計思路

根據(jù)設(shè)計要求，首先要實現(xiàn)電子秤的稱重基本功能，需要通過稱重傳感器采集到重量信號，經(jīng)放大電路處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此每一數(shù)字量就對應(yīng)著一個物體的質(zhì)量（在一定精度范圍內(nèi)），所以只要將轉(zhuǎn)換成的數(shù)質(zhì)量與物體質(zhì)量建立映射關(guān)系，即可完成稱重的要求。而其他的功能則可以通過程序運算來實現(xiàn)，并通過鍵盤進行控制。

總體結(jié)構(gòu)框架圖如下所示：

原理圖如下所示：

（2）控制器

本系統(tǒng)基于51單片機來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)需要控制液晶顯示和鍵盤，不宜采用大規(guī)模可編程邏輯器件，如CPLD、FPGA來實現(xiàn)。因為大規(guī)模可編程邏輯器件一般是使用狀態(tài)機方式來實現(xiàn)的，即所解決的問題都是有規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)化問題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。另外系統(tǒng)沒有其他高標準的要求，最終選擇STC89C52RC單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計，其內(nèi)部帶有8K的程序存儲器，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

（3）數(shù)據(jù)采集部分

（1）傳感器。傳感器是測量機構(gòu)最重要的部件，本系統(tǒng)選擇的是電阻應(yīng)變式壓力傳感器，電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要有彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成。內(nèi)部線路采用惠斯通電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生的變形時，電阻應(yīng)變片受到拉伸或壓縮應(yīng)變片變形后，它的阻值將會發(fā)生變化（增大或減小），從而電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理。本系統(tǒng)要求測量范圍是0~4.999Kg,考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重（4.999Kg），我們選擇的稱重傳感器量程為5Kg，實物如下圖所示。

（2）A/D轉(zhuǎn)換器。所謂A/D轉(zhuǎn)換器，是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件，本設(shè)計采用的是HX711，HX711是24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片，是一款專為高精度電子秤設(shè)計的，具有兩路模擬通道輸入，內(nèi)部集成128倍增益可編程放大器，是一款理想的高精度、低成本的設(shè)計方案。

（3）液晶顯示部分

由于顯示需要，本系統(tǒng)選擇1602液晶顯示屏。

（4）鍵盤輸入

選用帶有16個按鍵的矩陣鍵盤，其中0 ~ 9數(shù)字按鍵、小數(shù)點按鍵用于輸入單價；去皮按鍵用于僅顯示物品凈重；刪除按鍵用于刪除物品單價；校準+/校準-按鍵用于調(diào)節(jié)矯正系數(shù)，播報按鍵用于播報物品總價，矩陣鍵盤布局如圖所示。

（5）語音模塊

方案一：采用OTP語音芯片（一次性語音芯片）。一次性的語音芯片在廠家完成燒錄后，語音內(nèi)容就無法進行更改，所以需要事先和廠家溝通好，需要播報的語音內(nèi)容，例如：

先將自己可能用到的語音，全部寫入到語音芯片，然后燒寫到語音芯片中。雖然OTP語音芯片不能重復(fù)燒寫，但低成本的優(yōu)勢也讓它占有了一定的市場份額，OTP語音芯片被廣泛應(yīng)用在兒童玩具、汽車電子、醫(yī)療器械、安防報警等行業(yè)。作者之前用到的一款OTP語音芯片，成本不超過2元，對于固定內(nèi)容的播報，建議使用該方案，其硬件連接也很簡單，比如如下圖。

方案二：采用集成的語音模塊，最好可以支持支持 FAT 文件系統(tǒng)、操作簡單類似U盤，但成本是OTP芯片的幾倍。考慮到作者后期作品可能涉及到語音播報，需要為后期作品預(yù)留可延續(xù)性實驗，所以作者選擇了該方案，電子秤作品中使用的是JQ8400-FL，只需制作好音頻文件，通過類U盤操作拷貝至模塊內(nèi)存，然后“一線串口”發(fā)送文件名（數(shù)字）即可播報語音內(nèi)容。

此芯片最大的優(yōu)勢在于能夠靈活的更換 SPI-flash 內(nèi)的語音內(nèi)容，省去了傳統(tǒng)語音。芯片需要安裝上位機更換語音的麻煩，SPI FLASH 直接模擬成 U 盤，跟拷貝 U 盤一樣，非常方便。使得產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)變得便捷簡單。一線串口控制模式、RX232 串口控制可選，為研發(fā)提供更多的選擇性。

三、軟件設(shè)計

（1）主程序

（2）流程圖

<1>主程序流程圖

<2>鍵盤掃描程序流程圖

四、圖片展示

（1）PCB-3D視圖

（2）實物演示

五、資料鏈接

（1）作品演示視頻鏈接

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（2）硬件電路分析視頻：

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（3）軟件程序分析視頻：

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（4）原理圖鏈接：

鏈接：主從一體機

（5）源程序下載：程序下載

六、設(shè)計要點

（1）如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸出？

數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸出主要依靠兩個方面：①硬件電路；②軟件程序。

①先分析硬件電路，HX711為24位的AD模塊，對微量的變動非常敏感，所以硬件電路部分一定要注意：

這是作者在設(shè)計第一版的電路板的時候的硬件鏈接，設(shè)計后完成發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出不是很穩(wěn)定，而在E+和E-之間連接一個電解電容，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性會有所改善，具體實驗過程如下如下：

①首先，E+和E-之間不連接電解電容，然后放置200g標準砝碼，采用串口打印相關(guān)信息，采集20000次數(shù)據(jù)，重量數(shù)據(jù)作圖得到：

可以看到，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不好，數(shù)據(jù)范圍在0.199Kg~0.202Kg，上下起伏為0.003Kg，即3g左右誤差。具體統(tǒng)計如下：

重量值（Kg）	出現(xiàn)次數(shù)	次數(shù)占比
0.199	689	3.445%
0.2	15259	76.295%
0.201	4047	20.235%
0.202	5	0.025%

也就是正確數(shù)據(jù)占比為76.295%。（實際上，經(jīng)過作者實驗，獲取337143次數(shù)據(jù)，得到的正確數(shù)據(jù)僅占比46.647%）

②在E+和E-之間連接電解電容，再次實驗，采集20000次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性如下所示：

可以看到，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有所好轉(zhuǎn)，具體統(tǒng)計如下：

重量值	出現(xiàn)次數(shù)	次數(shù)比例
0.2	19998	99.990%
0.201	2	0.010%

也就是正確數(shù)據(jù)占比為99.990%。在E+和E-之間連接電解電容，20000次數(shù)據(jù)中只有2次數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)誤差只是1g，數(shù)據(jù)準確性達到99.99%，穩(wěn)定性較好。

綜上所述，建議在E+和E-之間連接電解電容，有利于數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

②再分析軟件程序，對單片機獲取到的重量值，可以采用軟件濾波的方式，獲取到較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，比如多次求值，然后求平均值，當然還有其他很多濾波方式，都可以去實驗，本作品中作者未涉及，有興趣的可以去試著做。

（2）如何保留小數(shù)點后兩位有效數(shù)字？

該作品程序中，有這樣兩部分代碼，摘抄這兩句代碼在一起。具體舉例分析，假設(shè)money最開始等于22.986元，通過

得到money等于22.991元，再通過：

注意這里包含兩次數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，第一次money先乘以100得到2299.1，然后強制轉(zhuǎn)換為unsigned long類型數(shù)據(jù)，得到的就是2299元，然后再將其類型轉(zhuǎn)換為float，得到2299.0元，然后除以100，得到的就是22.99元，得到的結(jié)果就是四舍五入后保留小數(shù)點后兩位的結(jié)果。這里巧妙通過加法、兩次數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換就可以達到想要的結(jié)果，注意這些操作很有技巧性。（該方法是作者現(xiàn)有知識體系下較好的方法，如果有其他方法，歡迎留言評論分享）

七、關(guān)于作者

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