基于的语音电子秤的设计样本.docx

基于的语音电子秤的设计样本.docx

《基于的语音电子秤的设计样本.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于的语音电子秤的设计样本.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于的语音电子秤的设计样本

基于STM32语音电子秤设计

学生专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

张城照

导师姓名：

张福才

摘要

质量是测量领域中一种非常故意义被测参数，称重技术发展从古至今被人们所注重，称重在寻常生活中随处可见，如首饰店测量贵金属重量，工厂原料定量配比，市场上称菜，货车过地磅等。

秤是最普通、最普及计量设备。

老式机械秤体积庞大，构造繁琐，易受外界挤压、碰撞变形，在长期使用中由于金属腐蚀，机械磨损会给机械秤带来不可逆损害直接导致机械秤精度下降。

电子秤相比机械秤拥有诸多长处，例如成本低、响应快、稳定、高智能等。

随着社会迅猛发展，人们需求日益多元化，多元化电子秤将具备极其辽阔市场前景。

本设计采用STM32F103作为主控芯片，外接电桥式称重传感器和24位高精度A/D转换芯片来完毕称重，以TFT液晶屏和触控芯片实现人机交互，独特语音播报功能给本设计增添了个性特点，实时温度和实时时钟以便了使用者寻常生活。

核心词质量电子秤STM32F103语音

Abstract

Qualityisanimportantparametertomeasuredinthefieldofmeasurement，weighingtechnologyispaidgreatattentionbypeoplesinceancienttimes，weighingcanbeseeneverywhereinourdailylife，suchasjewelryshopmeasuringweightofpreciousmetals，quantitativeratioofrawmaterials，weighingfoodonthemarket，truckspassloadometer，etc.Balanceisthemostcommon，themostpopularmeasuringequipment.Thetraditionalmechanicalscaleislarge，thestructureiscomplicated，vulnerabletoexternalextrusion，collisiondeformation，duetothemetalcorrosioninthelong-termuse，mechanicalwearwillbringirreversibledamagetomechanicalscaledirectlyledtothedecreaseoftheprecisionofmechanicalscale.

Electronicscalemechanicalscalecomparedwithmanyadvantages，suchaslowcost，fastresponse，stability，highintelligence，etc.Withtherapiddevelopmentofsociety，thedemandofpeopleincreasinglydiversified，diversifiedelectronicscalewillbeextremelybroadmarketprospect.

ThisdesignusesSTM32F103asthemastercontrolchip，externalbridgetypeweighingsensorsand24bithighprecisionA/Dtransformationchiptocompletetheweighing，TFTLCDscreenandtouchchiptorealizehuman-machineinteraction，uniquespeechfunctionaddindividualitytothedesigncharacteristicsofreal-timetemperatureandrealtimeclockisconvenientforuser'sdailylife.

Keywords　QualityElectronicscaleSTM32F103Speech

不要删除行尾分节符，此行不会被打印

行后加一空行

CONTENTS

行后加一空行

第1章绪论

1.1课题来源及研究目和意义

电子称重技术是测控工程重要技术之一。

自60年代初期浮现机电结合式电子秤以来，通过几十年不断改进与完善，电子秤从最初全机械式到机电结合式再发展到当前全电子式和数字化智能式。

由于数字智能化式电子秤具备称量精确、迅速、读数以便、环境适应性强、便于与计算机结合而实现过程控制自动化等特点，在工商贸易、冶金矿山、能源交通、医药卫生、航空航天、轻工食品等部门得到广泛应用[12]。

近来几年来，随着着称重传感器技术和计算机技术迅猛发展，以及当代科学技术间互相渗入，电子称重技术有了新发展。

称重计量办法从模仿测量向数字发展；称重技术从静态称重向动态发展；测量特点从单参数测量向多参数发展。

迅速称重和动态称重研究与应用，已成为世界各国所关注焦点之一。

电子称重技术水平高低已成为衡量一种国家测量控制技术水平标志之一。

电子称重技术是集电子、材料、传感器、管理为一体综合技术，发达国家始终以来都很注重电子称重技术研究，它们研究开发重点不再是单纯称重，而是自动控制领域和生产过程称重系统，这使得称重计量内涵被不断扩展，由狭义到广义，单项到系统，新型当代称重一跃成为当代世界瞩目技术与行业。

电子秤发展过程经历了从粗糙到精密、从单纯机械构造到机电结合再到全电子化、从功能单一到多功能化过程。

特别是近来以来，各个生产工艺流程中配料称重、药物定量、饲料配比、以及产品质量监督把关等，都离不开能输出电信号电子秤。

电子称重信号输出以便了自动化控制，能作为系统中一种重要参数承担着自动控制和检查功能，从而有力地推动贸易交往合理化、生产工艺原则化、材料配比科学化和工业生产自动化。

从80年代至今，国内测控行业已经走上了按专业和产品归类行业管理化轨道中，且已经开创了由机械向数字电子过渡全新局面，但与发达工业国家相比，国内电子称重技术研究与应用依然出于较低水平，有很大进步空间，电子称重行业总体水平还跟不上国内需求发展步伐。

1.2本论文技术规定和重要工作

本论文设计电子秤是以STM32单片机为重要部件，使用C语言进行软件设计，硬件则以全桥应变片电阻传感器、WT588D语音模块和触控液晶屏模块为主。

量程为0～10kg，最小分度值为1g，误差达到±2g，具备超上限值报警功能。

本设计完毕电子秤重要长处是：

1.人性化人机交互界面；

2.具备超量程报警功能；

3.测量精度高；

4.实时显示环境温度和实时时钟；

5.具备语音播报重量、价格、报警等功能。

重要工作如下：

1.大量收集和查阅国内外关于电子秤设计资料，最佳开发前准备；

2.电子秤主板硬件系统设计；

3.电子秤软件系统设计；

4.通过原则质量砝码校准电子秤；

5.整机测试。

第2章电子秤总体设计方案

2.1电子秤称重系统整体设计方案

本设计采用STM32F103RBT6作为主控芯片，通过TFT液晶屏幕显示数据，以触控方式操作电子秤，DS18B20作为温度传感器采集实时温度，播报重量、价格、商品名等语音信息使用Flash芯片存储配合语音芯片WT588D发音，采用电阻应变片桥式连接称重传感器采集重量，以24位HX711作为A/D转换芯片[6][7]。

系统构造框图如图2-1。

图21系统整体框架图

架构为Cortex-M3STM32F103RBT6工作频率为72MHz，16位并行连接TFT液晶屏，能实现迅速刷屏，显示效果良好，通过SPI通讯方式连接触控芯片XPT2046，以触控方式操作电子秤，以单总线方式连接DS18B20采集实时温度，主控芯片以一线串口模式控制语音芯片WT588D播报重量、价格、商品名等信息，以上模块对速度均有苛刻规定，普通51单片机达不到规定，因此采用了工作频率为72MHzSTM32F103RBT6，它内部单周期乘法和硬件除法以便了价格计算和合计，采用型号为YZC-1B电阻应变片式电桥构造称重传感器，以24位电子秤专用A/D芯片HX711作为A/D转换芯片[1][2]。

2.2系统基本功能及其性能指标

本论文设计电子秤测量系统涉及重量测量、液晶屏显示、触摸控制、语音播报、实时时钟、实时温度、单价存储、自动计价、价格合计、去皮、超重报警等功能，重要技术指标如表2-1。

表21测量装置重要技术指标

基本功能

测量范畴

分度值

误差

测重

0~10kg

1g

±2g

实时时钟

1970.1.1~2099.12.31

1秒

±3秒/年

实时温度

-55~125℃

0.1℃

±0.5℃

计价

0~999.99元

0.01元

0

2.3称重传感器规定及选取

称重传感器是将非电量（质量或重量）转换成电量转换元件，它把重量变换成电信号或其他形式适共计量信号以以便数字解决器解决。

称重传感器普通由敏感元件、转换元件以及后续解决某些构成。

按照称重传感器构造形式不同，可分为应变式传感器（电阻应变式、声表面谐振式）和直接位移式传感器（电位计式、电容式、电感式、空腔谐振器式、振弦式等）或是运用压电、压阻和磁弹性等物理特性传感器。

考虑到本设计产品应用在市场、工厂和户外等环境比较恶劣潮湿场合，使用直接位移传感器和物理效应传感器容易受到外界干扰，综合各方面因素选取电阻应变式传感器。

本设计对称重传感器规定重要有：

输入重量与输出电量应当保持一一相应，即具备良好线性关系；具备较高敏捷度；能在恶劣条件下工作；对被称物体状态影响要小；具备较好频率响应特性；具备重现性；稳定可靠。

就以上规定本设计所使用称重传感器为YZC-1B型传感器，该传感器是10kg量程电阻应变片式传感器，在勉励电压为5V条件下输出，满量程时输出为10mV，该称重传感器实物如图2-2。

图22称重传感器实物图

其构造为由电阻应变片搭接惠更斯全臂电桥贴于铝块载体上。

应变片是镍铬丝或康铜丝绕成栅状（或使用薄金属箔腐蚀成栅状）夹在两层绝缘薄片中制成。

YZC-1B称重传感器上表面镶嵌两片应变片，同步下表面也有两个同样应变片，上下连接形成全臂电桥，当应变片不受外力时，输出电压为零，当受外力作用时，上表面应变片电阻变大，下表面应变片电阻变小，使电桥不平衡，由于相似电阻丝其电阻变化量相似，因此输出电压与电阻变化量成线性关系，再经相应测量电路把这一电阻变化转换为电压信号，此过程完毕了将外力转换为电信号过程，这样就测量出重量大小。

外接5根线分别是一根屏蔽线，两根输出线，两根供电线。

当未载物时传感器内部电桥桥臂上电阻满足这样条件：

R1*R3=R2*R4，电桥平衡，输出电压为零；载物时铝块发生微小形变，致使贴在上面电阻应变片也发生形变，从而导致应变片电阻发生变化，破坏电桥平衡，使电桥输出薄弱电压，其输出电压与电阻变化量（外力变化量）成近似线性变化，线性度小，这极大地以便了后续软件依照A/D值计算解决得到重量。

2.4质量计算

由于本设计所选YZC-1B型电阻应变片式电桥构造称重传感器具备良好线性度，所觉得后续数据解决带来了很大以便。

本设计使用线性拟合软件CurveExpert1.3来拟合A/D值与实际重量之间函数关系。

主控芯片内部单周期乘法和硬件除法为重量迅速计算提供硬件支持。

随着质量增大，称重传感器线性度下降，再配以人工补偿，以保证精度。

在校正精度时，选用了M1级别高精度不锈钢砝码以保证电子秤精度。

第3章电子秤硬件电路设计

3.1A/D采集电路设计

对于电子秤设计，核心问题是A/D转换。

只有对的选取A/D转换芯片类型才干才干做出高精度电子秤。

本论文设计电子秤使用一款24位Σ-Δ（SigmaDelta）型A/D转换芯片HX711。

在电子秤实际使用中，由于人们对重量测量速度规定不高，因此使用这款高辨别率慢速A/D转换芯片。

Σ-Δ型A/D芯片是由1位A/D转换器、数字滤波器、积分器和比较器等构成[8]。

在原理上近似于积分型A/D，将输入电压量变换成脉冲宽度（即时间信号）信号，通过数字滤波器解决之后得到数字量[9]。

电路数字某些容易做到单片化，因而极易做到高辨别率。

由于输出数字量与模仿输入量之间有较长延时，因此此类A/D芯片合用于那些模仿信号近似直流或变化很慢应用场合，如温度测量、流量测量和压力测量等。

HX711与同类型其他A/D芯片相比，其内部集成其他同类型芯片所需要外围电路，如内部时钟振荡器和稳压电源等，具备集成度高、抗干扰性强、响应速度较快等长处，使用该芯片设计电子秤既能减少了整机成本又提高了电子秤可靠性和抗干扰性。

该芯片与主控芯片连接电路非常简朴，只有DATA和SCLK两条线连接与主控芯片连接，两个控制信号由管脚驱动，且无需对芯片内部寄存器编程。

在输入指定脉冲数可任意选用通道A或通道B以及增益，通道A可编程增益为128和64，相应满额度差分输入信号幅值分别为±40mV和±20mV，通道B则为固定为64增益。

芯片内部稳压电源可以直接向外部传感器供电，系统板上无需此外提供电源，可以保证传感器精确度。

HX711工作温度范畴为-20~+85℃，工作电压范畴为2.6~5.5V，可同步抑制50Hz和60Hz电源干扰，典型工作电流：

<1.7mA（含稳压电源电路），断电电流：

<1µA，可见该芯片是功耗极低，适合运用于充电便携式设备中，较大工作温度范畴和宽电压决定了该芯片能应用在较恶劣场合。

HX711硬件电路如图3-1。

图31HX711硬件电路

图中E+和E-分别连接5V和地线，为芯片供电，S+和S-连接称重传感器输出端。

本设计使用HX711内部时钟振荡器（引脚XI接地），10Hz输出数据速率（引脚RATE接地）。

芯片供电电压取用5V，片内稳压电源电路通过片外三级管8550和滑动变阻器R11向传感器提供稳定低噪声模仿电源（图中E+和E-）。

在程序设计中选用通道A，因此INNA和INPA与传感器相连，通道B接地。

3.2单片机外扩电路设计

3.2.1STM32F103RBT6最小系统硬件设计

本设计采用STM32F103RBT6作为主控芯片。

该芯片使用Cortex-M3架构，支持Thumb-2指令集，最高支持72MHz工作频率，在存储器0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz，并且具备单周期乘法和硬件除法。

在存储器方面，该片有128K字节闪存程序存储器和高达20K字节SRAM。

片内带校准功能32kHzRTC振荡器和后备供电VBAT，可为实时时钟提供精准定期和掉电不掉时提供支持[1][2]。

2.0~3.6V供电电压和睡眠、停机和待机模式可为电子秤低功耗提供硬件支持。

该芯片还拥有多达51个迅速I/O端口，并且所有I/O口可以映像到16个外部中断，几乎所有端口均可容忍5V信号，即兼容5V数字电平[1][2]。

STM32F103RBT6引脚图如图3-2。

图32STM32F103RBT6引脚图

主控芯片外接8MHz和32.768kHz石英晶振，最高工作频率达72MHz，其中，32.768kHz晶振作为RTC输入频率，为实时时钟提供精准频率[14]。

外接晶振硬件电路如图3-3。

图33外接晶振电路图

图3-3为主控芯片复位电路和后备电源电路。

当系统上电时，电容C1充电，此时RESET为0电位，芯片复位，C1布满电后，电路相称于断路，RESET为高电平，进入工作状态。

当按键KP1按下时，RESET接地，使RESET为0电位，产生复位，普通低电平持续20us之后，可实既有效复位[15]。

后备电池BAT1通过二极管D2连接到主控芯片VBAT脚，实现系统“掉电不掉时”功能，如图3-4。

图34复位电路和后备电源电路

3.2.2TFT液晶屏硬件电路设计

TFT-LCD（ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay）即薄膜晶体管液晶显示屏。

TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD简朴矩阵不同，它在液晶显示屏每一种象素上都设立有一种薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时串扰，使显示液晶屏静态特性与扫描线数无关，因而大大提高了图像质量。

实物如图3-5。

图35TFT触控液晶模块

本设计使用TFT-LCD液晶屏使用控制芯片为ILI9320，屏幕尺寸为2.8寸，320*250像素，26万真彩，通过16位并行方式连接主控芯片。

该液晶刷频速度快，显示效果能满足实际需求。

该液晶模块中还整合了触控芯片XPT2046，通过SPI通讯和主控芯片连接，以实现迅速触摸辨认[10]。

该液晶模块和主控芯片硬件连接图3-6。

图36TFT触控液晶模块连接电路

3.2.3WT588D语音模块硬件电路设计

本设计语音功能采用WT588D语音模块来实现。

这是带32MbitSPI-Flash存储器、内嵌DSP高速音频解决器、13BitDA转换器和12BitPWM输出DIP28封装语音模块。

DSP高速音频解决器让该模块有较快音频解决速度，12BitPWM输出让该快具备良好音质，可直接驱动0.5W/8Ω扬声器，推挽电流充沛。

该模块可以通过专业上位机软件VoiceChipV-B建立语音工程，可随意组合语音块、插入10ms～25min静音，插入静音不占用内存容量，一种已加载语音可重复调用到各种地址，语音工程编译之后用USB下载方式下载到模块中，支持在线下载和脱机下载，在WT588D语音芯片通电状况下，也同样可以正常下载数据到模块中。

语音块支持WAV格式6K～22KHz采样率音频。

该模块BUSY引脚能输出语音播放状态信号，为编程提供以便。

该模块工作电压为直流2.8V～5.5V，在语音播放停止时会立即进入休眠模式，芯片转为完全停止状态，静态休眠电流不大于10uA，这些都决定了该模块是一种低功耗模块。

WT588D语音模块构造如图3-7。

图37WT588D语音模块构造图

WT588D与主控芯片硬件连接如图3-8。

图38WT588D与主控芯片硬件连接图

图中P2为0.5W/8Ω扬声器，与模块正负PWM输出连接，该模块复位引脚连接主控芯片IO口PA3，由于该模块与主控芯片为一线串口通讯模式，因此只需使用模块P03引脚即可，这里咱们连接主控芯片PA2口。

该模块VDD供电为DC2.8～5.5V，VCC为DC2.8～3.6V。

采用DC3.3V供电时，可以直接短接VDD跟VCC，但考虑到使用环境声音嘈杂，故VDD供5V以提供较大音量。

BUSY连接发光二级管批示模块工作状态，当模块发音时二极管亮，不发音时不亮。

3.2.4电源模块硬件电路设计

本设计主控芯片和TFT触控液晶模块需要3.3V电压，WT588D语音模块、HX711芯片和蜂鸣器需要5V电压。

考虑到本设计产品功耗较低和以便携带问题，使用9V层积电池作为主电源供电，详细电路如图3-9。

39系统电源电路图

如图使用9V层积电池为主电源，通过稳压芯片AMS1117-3.3得到3.3V电压，供主控芯片和TFT触控液晶模块使用，通过稳压芯片LM7805得到5V电压，供WT588D语音模块、HX711芯片和蜂鸣器使用[3]。

第4章测量装置软件设计及其优化

对于一种测量系统来说，功能实现除了硬件电路之外，软件解决是必不可少。

硬件是系统肉体，软件是系统灵魂，软件决定了产品思想，对一种产品至关重要。

4.1单片机软件设计流程

本设计软件某些大体流程如图4-1。

图41软件流程图

系统上电后一方面执行各个功能模块初始化，初始化涉及功能模块内部功能设立和与主控芯片连接IO口模式设立，初始化完后该系统会读取A/D值然后作为零重量A/D值（取零点），在取完零点后显示该系统固定不变内容，如键盘，显示项目等。

在做完所有准备工作之后系统进入程序死循环，在死循环中重要完毕A/D值采集，数据解决和数据显示刷新。

触摸程序解决是在中断程序中执行

4.2各个模块程序设计思路及某些代码

4.2.1TFT触控液晶模块某些

本设计选用TFT触控液晶模块显示某些程序流程如图4-2。

图42TFT触控液晶模块程序流程图

TFT触控液晶屏初始化涉及主控芯片与模块相连IO口工作模式设立和显示驱动芯片ILI9320初始化，其详细设立如下：

IO口PB0~15作为液晶显示数据口，采用16位并行方式连接。

当主控芯片从模块读数据时设立为上拉输入模式，写数据时设立为上拉输出模式。

别的引脚如8080并口信号线CS、WR、RD和RS都设为推挽输出模式[11]。

对于显示驱动芯片ILI9320初始化，一方面读取TFTLCD控制芯片型号，然后再依照详细型号向芯片写入一系列特定命令，例如启动振荡器、设立纵向26万色显示、设立纵向更新GRAM等，然后启动TFTLCD显示，整屏填充白色[13]。

在程序工程中初始化函数为：

voidLCD_Init（void）。

通过函数将字符和数字显示到TFTLCD模块上。

本设计编写各个功能函如下：

显示数字函数：

voidLCD_ShowNum（u16x,u16y,u32num,u8len,u8size,u8mode）；

显示一种字符串函数：

voidLCD_ShowString（u16x,u16y,constu8*p）；

显示中文函数：

voidShow_Str（u16x，u16y，u8*str，u8mode）；

绘制矩形函数：

voidLCD_DrawRectangle（u16x1，u16y1，u16x2，u16y2）；

系统显示界面如图4-3。

图43开机前初始化界面

图44使用时主界面

TFT触控液晶屏触控某些程序流程如图4-5。

图45触控某些程序流程图

在初始化程序中重要执行TFT触控液晶模块和主控芯片连接IO配备和中断初始化，触控芯片XPT2046与主控芯片采用模仿SPI通讯，接口MOSI、SCK、CS都设为推挽输出模式，SPIMISO和触控标志PEN设立为上拉输入模式。

此外还初始化了外部中断，当有触控动作时，触控动作产生下降沿会触发中断，进而执行中断服务函数[11]。

中断服务函数中涉及了键值扫描（依照触摸位置返回不同键值）和某些设立界面标志位解决。

在初始化完后还要进行触控点和液晶显示位置匹配。

每触摸一次屏幕，触控芯片XPT2046都会得出一种触控点坐标，液晶屏自身有像素坐标，这两个坐标之间关系是线性，因而计算公式如下：

XLCD=Xfac*Px+xoff；

YLCD=Yfac*Py+yoff。

式中XLCD和YLCD是液晶屏上像素坐标；Xfac和Yfac是触摸屏上读出触控点坐标；Px和Py分别为两坐标比例系数；xoff和yoff是横向和纵向偏移量。

在程序工程中关于触控重要功能函数如下：

触控初始化函数：

voidTouch_Init（void）；

触控点校准程序：

voidConvert_Pos（void）；

触控键值扫描函数：

u8touch_scan（void）。

4.2.2WT588D语音模块某些

在使用WT588D语音模块前需要将语音块下载到模块中，然后再通过主控芯片向WT588D芯片发送命令，WT588D调用flash语音进而发音。

本设计中使用语音合成软件合成0~9、十、百、千和各个商品等读音，然后通过VoiceChipV-B编译软件来建立语音工程，