多功能语音称重仪的设计与实现.docx
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多功能语音称重仪的设计与实现
远程与继续教育学院
本科毕业论文（设计）
题目：
多功能语音称重仪的设计与实现
学习中心：
内蒙古电大学习中心
学号：
090F31143071
姓名：
贾胤龙
专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
江南
2016年9月5日
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院
本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表
学生姓名：
贾胤龙学号：
090F31143071专业：
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：
多功能语音称重仪的设计与实现
指导教师意见：
（请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
）
选题符合电气自动化专业培养目标要求，也体现出一定实践应用性，全文结构合理，思路清晰，语言通顺，层次分明，观点表达准确，论据与论点保持一致，参考的文献资料与论题和论文内容结合相对紧密，能基本综合运用电气自动化专业所学内容解决主要问题，但格式还不是很规范，创新点不够。
总体上说，基本上达到了毕业论文的要求。
同意答辩。
指导教师结论：
合格（合格、不合格）
指导教师
姓名
江南
所在单位
内蒙古电大
指导时间
2016.9.26
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院
本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表
学生姓名：
贾胤龙学号：
090F31143071专业：
电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：
多功能语音称重仪的设计与实现
评阅意见：
（请对论文的学术水平做出简要评述。
包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。
还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。
）
《多功能语音称重仪的设计与实现》基于单片机进行设计，系统由金属应变片传感器、A/D转换模块、单片机STC89C52、语音模块、LCD1602组成。
当选题符合电气自动化专业培养目标要求，有一定的实用性。
全文结构完整，段落安排层次清楚，语言表达逻辑性强，论文写作过程中参考了较多的文献资料，且与论题和论文内容结合相对紧密，论文内容比较充实，图表及数据正确，能基本综合运用电气自动化专业所学内容解决主要问题。
但论文的不足之处在于，格式还不是很规范，创新点不够突出。
总体上说，论文达到了毕业论文的要求。
同意答辩。
修改意见：
（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。
评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。
毕业设计（论文）评阅成绩（百分制）：
80
评阅结论：
同意答辩（同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）
评阅人姓名
张祥莉
所在单位
中国地质大学
评阅时间
2016年10月17日
论文原创性声明
本人郑重声明：
本人所呈交的本科毕业论文《多功能语音称重仪的设计与实现》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。
论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。
对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。
本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。
论文作者（签字）：
贾胤龙
日期：
2016年9月5日
摘要
为了适应现代人对电子称的高要求，向更小，功能更全，更人性化，精度更高的方向发展是电子秤一种趋势。
因此设计一款使用方便、体积小、功能人性化、实用的电子秤来满足人们的日常使用是目前的发展趋势。
多功能语音电子秤不仅具有一定的实用性，准确性，而且可以实现语音播报，适应未来电子秤向着人性化发展的方向。
本设计是基于单片机的多功能语音称重仪的设计与实现。
该称重仪由金属应变片传感器、A/D转换模块、单片机STC89C52、语音模块、LCD1602组成。
当电子秤施加重物以后，传感器采用电桥电路将压力信号转换为电压信号，但此时的电压信号为毫伏数量级，传感器输出的信号需要经过放大电路的放大、滤波，经过处理的电信号才能作为A/D转换电路的输入。
A/D转换电路将电压模拟信号转换为数字信号，再由单片机STC89C52量程转换处理，将处理后的数据送入LCD显示和语音模块进行播报。
多功能语音称重仪实现了预期的功能。
在硬件选型后，对电路进行了硬件连接，编写了相应软件程序，将软件烧写进单片机中。
开机示数清零，放上重物后，显示重物重量，待重物示数稳定后，5秒播报当前重量。
关键词：
称重仪；语音播报；应变式传感器
目录
引言1
第一章绪论2
1.1课题背景及意义2
1.2国内外发展状况2
1.3本文设计主要内容3
第二章系统方案与各模块方案选型4
2.1多功能语音称重仪的功能描述4
2.2多功能语音称重仪的工作原理4
2.3多功能语音称重仪的系统总体框图4
2.4多功能称重仪的各个模块的方案选型4
2.4.1单片机的选型4
2.4.2数据采集模块的选型5
2.4.3数据显示模块方案选型7
2.4.4语音模块的选型7
2.4.5电源模块方案选型7
第三章硬件电路设计8
3.1STC89C52单片机主控电路8
3.1.1简介8
3.1.2单片机最小系统8
3.2数据采集与信号处理转换电路9
3.2.1数据采集电路9
3.2.2信号处理转换电路9
3.3语音播报电路11
3.4液晶显示电路12
3.5电源电路12
第四章系统软件设计14
4.1软件总体结构14
4.2主程序设计15
4.3系统子程序设计16
4.3.1A/D转换16
4.3.2显示子程序16
4.3.3语音播报子程序18
4.3.4定时器中断程序18
第五章系统调试20
结论22
参考文献23
谢辞24
引言
电子衡器的称重技术是控制系统工程和现代称重技术的重要基础之一。
早期出现了机械秤，后来又出现了机电结合秤，经过几十年的不断改进和完善，才出现了全电子型和数字化智能型电子秤。
作为一种衡器，电子秤不仅出现在工厂，药店中，现已普及到每个家庭中了，在现实生活中扮演着重要的角色。
人们的生活质量提高了，对生活用具也在不断提出更高的要求。
过去人们一般用机械台式秤来称体重，机械秤操作复杂，容易引入人为误差，不易读数，而且体积大、机身重，使用极为不方便。
针对这种情况，设计一款简易，高精度，体积小，易操作的电子秤很有必要。
电子秤可以克服机械秤的缺点，读数方便，而且体积小、轻便，适合各类人群使用。
现市场上已有电子秤，但其类型不够多样化，满足不了人们的多用途需要。
加入语音播报的电子秤就体现了设计的人性化方面，更方便老人、孩子的使用。
第1章绪论
1.1课题背景及意义
称重技术从古代到现代一直受到人们的重视，作为一种计量的方法，在各个领域应用都比较广泛，与人们的生活息息相关。
电子秤是电子衡器的重要的一部分，衡器不仅是人们日常计量的器具，而且对于国家的科学研究、国防建设、内外贸易都是不可缺少的，一个国家的衡量技术水平的高低，直接影响现代科技水平和社会经济效益的提高。
称重技术的应用已遍及到国民经济的各行各业，而且已经取得了显著的经济效益。
因此，称重技术和衡器工业的研究与发展全世界都非常重视。
五十年代电子技术的发展推动了衡器制造业的发展。
从六十年代又出现半机械半电子的电子衡器，经过四十多年的不断改进与完善，电子衡器从最初的半机械半电子衡器发展到现代的全电子型与数字智能型衡器。
由最初的静态到现在的动态称重技术，由模拟称重到现在的数字称重技术。
由于市场的需求，电子秤正向着智能化、人性化、集成化、模块化等方向发展。
电子称重技术水平随着现代科技发展也在不断发展。
精度更高、功能更全、称重更快的电子秤不断地问世，不仅是商用，普通家庭也对电子秤的需求越来越高。
就目前来看，市场上大多数还是杆秤、台秤、小型电子秤居多，虽然价格、操作使用都占有一定的优势，但功能单一、精度低、运行不可靠、误差大等有诸多问题。
由于以上的缺点，市场上的称量工具逐渐无法满足现代人的需求了，设计一款多功能、操作简单、精度高很有必要。
1.2国内外发展状况
从国际上看，随着现代经济突飞猛进的发展，生产工艺标准不断地提高，对称重技术提出了更高的要求，称重技术需要智能化，而且要更快、更准。
在1960年专门称重值打印机问世，标志着半自动化电子衡器的产生。
当时的电子衡器除了显示是电子方式的其他的其实都是机械的部分。
从电子称的出现到今天，经历了从机械到电子的发展过程，功能从单一化到多功能化，而且现在电子秤还在向着人性化、自动化方向发展。
自从八十年代以来，经济快速发展，在工厂中工艺的称重以及产品的合格检验都离不开电子衡器。
在国外，尤其是西方发达国家电子秤的精确度越来越高，在六十年代就达到了0.1%称重准确度。
回首国内，我国早期的衡器大多为机械式的，随着洋务运动的开展，不断引进国外的科学技术，出现了机电结合是的衡器。
在五十年代出现了以传感器为主的电子衡器。
八十年代以后，我国从技术引进到自主研发，从最初的机械式的衡器到现在的集成一体化的数字电子称，电子秤在国内有了很大的发展。
比起机械式电子秤具有更多的优点，已广泛应用与各行各业。
但电子秤只是在一些工厂得到了充分的应用，而且在大型超市也不是太普及，更不用说是家庭使用了。
1.3本文设计主要内容
本课题的主要设计思路是：
利用应变式传感器采集压力信号，然后转换为电信号，送到信号调理和A/D模块，先对送入的信号滤波、放大，再完成A/D转换，变为数字信号。
数字信号经过单片机的处理，送到LCD显示，可以读出当前重物的重量。
同时将处理后的信号送入语音模块，播报当前重量。
论文主要分为四大部分：
硬件的选型、硬件电路的设计、软件的设计与编写、系统的调试。
硬件选型为语音称重仪选择合适的电子元件，通过与各种器件的比较，选择电路简单、价格便宜、性能稳定的电子元件作为语音称重仪的制作原材料；硬件电路的设计是完成电路的连接，搭建一个完整的语音称重仪电路。
软件编写是用编程软件，编写一个可以实现本语音称重仪将要实现的功能，对硬件部分的控制。
在完成软件硬件的设计以后，由于一些参数设计不正确，语音称重仪还不能正常工作，需要对称重仪进行调试，使语音称重仪可以正常工作。
第2章系统方案与各模块方案选型
2.1多功能语音称重仪的功能描述
多功能语音称重仪，量程为0~200kg，误差为0.5kg，自动根据物体重量显示模块显示出来。
具有语音播报功能，将称重后的重量示数播报出来。
例：
重物为30KG，当把重物放在电子秤上，会播报“三十公斤，谢谢”。
2.2多功能语音称重仪的工作原理
该多功能语音称重仪由金属应变片传感器、A/D转换模块、单片机STC89C52、语音模块、LCD1602组成。
当语音称重仪施加重物以后，传感器采用电桥电路将压力信号转换为电压信号，但此时的电压信号为毫伏数量级，传感器输出的信号需要经过放大电路的放大、滤波，经过处理的电信号才能作为A/D转换电路的输入。
A/D转换电路将电压模拟信号转换为数字信号，再由单片机STC89C52量程转换处理，将处理后的数据送入LCD显示和语音模块进行播报。
2.3多功能语音称重仪的系统总体框图
语音称重仪由STC89C52单片机、电源模块、数据采集模块、语音模块、LCD液晶显示模块构成，它们之间的关系如下。
图2-1系统总体框图
2.4多功能称重仪的各个模块的方案选型
2.4.1单片机的选型
单片机作为语音称重仪的核心部件，是数据运算和处理的中心元件。
各个模块都与它进行通信，所以要选择一款速度快、指令简单、可靠性高、抗扰性能强、程序烧写简单的单片机。
在比较AVR、PIC、51系列单片机以后最终选择了51单片机，因为51指令精简、发展比较成熟、市场的型号比较多。
在与AT89C52比较之后最终还是选择了STC89C52单片机。
因为选择STC89C52单片机兼容性好、发展成熟。
STC89C52单片机有以下几点：
（1）STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代、单片机，指令代码易读、兼容性好、速度快、内部集成复位电路。
（2）STC89C52在工程应用中有一显著的优势：
不需要烧写器，便可将程序通过串行方式写入单片机。
2.4.2数据采集模块的选型
数据采集模块分为3个部分：
称重传感器、放大滤波电路和A/D转换器。
1、称重传感器
称重传感器的工作原理就是把压力信号转变为电压信号。
传感器有敏感元件和转化元件组成，敏感元件可以直接感受被测的部分，转换元件将变化量转换为电压输出量。
传感器的输入信号与输出信号是有相互对应的关系，但也受其他因素的影响，比如温度、压力的超载等。
传感器的主要参数有：
线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
市场上的称重传感器种类比较繁多，但找到一款适合多功能电子秤的传感器还是比较难的。
经过不断地筛选和比对，最终选择了田字形称重传感器，此传感器为电阻应变式传感器，相比电容传感器、压电传感器，电阻应变式传感器精度更高，测量范围宽，灵敏度高。
而且抗干扰的能力比较强，能适应多变的环境。
2、放大电路和A/D转换电路
传感器输出的电压信号比较微弱，必须经过放大才能送入A/D转换模块，而且信号內阻高，还有共模信号。
所以需要放大电路先对源信号进行滤波、放大。
一般对放大电路有两个要求：
输入阻抗应远大于信号源内阻；抗共模电压干扰能力强。
在不断的甄选后，最终选择了HX711A/D转换模块作为语音称重仪的模数转换单元。
该模块是海瑞科技公司生产的24位A/D转换芯片，芯片内部集成稳压电源、时钟振荡电路等外围电路，集成度高、速度快、抗干扰性能强。
该芯片接口和编程非常简单，管脚直接驱动控制信号，不需要对芯片内部的寄存器编程。
芯片内的稳压电源可以为传感器提供电源，无需另外的模拟电源。
输入通道有A、B通道可以选择，通道A有两种增益分别为128和64，其对应的满额度差分输入信号分别为±20mV或±40mV。
高精度高增益24位A/D芯片HX711具有以下特点：
1）可选择两路的差分输入，可选择增益为64和128；
2）片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源；
3）具有上电自动复位电路；
4）简单的数字控制和串口通讯：
所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程；
5）可以选择10Hz或80Hz的数据输出速率；
6）耗电量（含稳压电源电路）：
工作电流：
<1.7mA,断电电流：
<1μA；
7）工作电压范围：
2.6~5.5V；
图2-2HX711在电子秤应用中的典型应用方案图[1]
图2-3HX711外部管脚图[1]
2.4.3数据显示模块方案选型
单片机经过处理的数据要显示出来，常用的显示有数码管和液晶显示。
如果显示位数多的话，数码管接线复杂，而且只能显示数字。
LCD可以显示多位数字，可以显示字母，更容易读取示数。
数码管为发光二极管组成，耗电量大，不符合低消耗的标准。
而LCD背光可以选择开关，节省电量。
数码管显示软件比较难实现，动态显示程序编写复杂。
LCD显示只需要一些底层子函数，通过调用就可以实现显示。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）显示质量高：
画面稳定，不会闪烁。
（2）数字式接口：
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）功耗低：
液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，相对其它显示来说功耗非常小。
2.4.4语音模块的选型
市场上专门集成的语音芯片并不多，在细心的甄选后，选择了YY01语音芯片作为语音播报的主要电路元件。
YY01语音芯片需要的辅助电路简单，容易控制，软件编写容易，时序简单。
2.4.5电源模块方案选型
单片机需要5V电源供电，而且语音播报电路功耗比较大，电源适配器可以提供稳定的电流，但是需要220V的交流电源，使用起来比较麻烦。
考虑到使用方便，得用移动电源供电，而且电源需要大容量电池供电。
三节干电池供电电压接近5V，但随着使用时间电压就会降低，从而影响传感器的激励电压供电，会导致称取结果不准。
锂电池供电电流比较小，但电流稳定。
通过与镍氢、镍镉电池的比较，最后决定9V锂电池经过稳压变为5V。
7805集成块稳压效果好，输入范围大。
用78系列三端稳压来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
第3章硬件电路设计
3.1STC89C52单片机主控电路
3.1.1简介
STC89C52是宏晶公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，512字节的RAM。
工作电压为5V，32位I/O口，P0口做为I/O口试需接外部上拉电阻。
通过串口可直接下载，3个16位定时器/计数器，4个外部中断。
工作频率范围为0~40MHz[2]。
3.1.2单片机最小系统
最小系统为单片机可以工作的最简单电路，包括复位电路和晶振电路。
如果要保证单片机正常的工作就必须搭建好最小系统。
单片机工作时，取指令、译码、位操作必须在时钟控制下才能有序的进行，时钟电路就是为单片机提供的基本时钟电路。
复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。
图3-1STC89C52最小系统
3.2数据采集与信号处理转换电路
3.2.1数据采集电路
数据的采集由4个半桥式最大量程为50KG的传感器组成最大量程200KG桥式测量传感器。
半桥式传感器由一个1000欧固定电阻和一个1000欧压变电阻组成，两个电阻串联相接。
每个传感器引出3根线，为激励电压正负极和信号线。
四个田字形应对称的、均匀的分布在电子秤的受力玻璃板上。
四个传感器的连接线长度要相同，因为传感器的输出信号比较微弱，阻值的不同会对称重的结构有影响。
四个传感器连接图如3-2所示。
图3-2传感器连接图
3.2.2信号处理转换电路
选用HX711芯片作为放大、滤波、AD转换的电路芯片，HX711为24位高精度AD转换芯片，通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。
具有自动上电复位功能。
传感器的激励电压正负极与模数转换模块的Vcc与GNG直接相连，HX711模块提供激励电压。
传感器的信号线直接与A‐和A﹢相连，A代表A通道，增益为128。
HX711的电源由电池供电，直接与供电模块连接。
下图为HX711模块的实物图。
图3-3 HX711模块的实物图
HX711芯片内部集成放大电路，通过软件编程可以选择。
内置稳压电路，数字电源与单片机使用相同的数字电源，稳压电源可以向A/D转换器和传感器同时供电。
稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R9、R10和芯片的输出参考电压VBG决定，VAVDD=VBG（R1+R2）/R2。
应选择该输出电压比稳压电源的输入电压低至少100mV。
如果将管脚XI接地，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。
下图为HX711模块的电路图。
图3-4 HX711模块的电路图
3.3语音播报电路
语音模块由稳压电源、基本语音电路、功放三部分组成，当与5V单片机板连接时，语音板上的稳压电路将来自单片机板5V电源稳压为3.3V，供基本语音电路和功放部分使用。
当与3.3V单片机板连接时，短接JP1,不使用语音板上的稳压电路，直接由单片机板提供电源供基本语音电路和功放部分使用。
语音芯片的工作电压为2.4—2.6V，静态电流小于2微安，工作电流为2毫安。
工作功率为7.2毫瓦。
图3-5 语音模块的实物图
下图为语音模块电路图，由语音基本电路和稳压电路两部分构成，没有功放电路。
图3-6 语音模块电路图
3.4液晶显示电路
1602液晶为5V电压驱动，带有背光，可以显示两行，每行有16个字符，内含128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口。
16个端口，直接与单片机相连。
P0口与单片机的DB0—DB7相接，为数据口，1602为并行传输方式。
A与B为背光灯正负极，可以选择接通。
V0为对比度调节端口，与滑动变阻器相接。
图3-7液晶显示电路图
3.5电源电路
以一块9V锂电池为电源作为输入，7805稳压块输入范围为7V~36V，输出电源为5V。
电源模块有显示灯，当开关闭合时，显示灯亮，也可以用于判断电源电量的有无。
二极管和钽电容可以进行电源的滤波。
图3-8电源模块电路图
第4章系统软件设计
4.1软件总体结构
程序由C语言编写，C语言精简易读，移植性高，是当今比较流行的程序设计语言。
既具有高级语言的特点，又有汇编语言的特点。
应用范围广泛，处理数据能力强，单片机应用也很广泛。
编程软件为KEIL软件，它具有丰富的库函数和强大的调试功能。
生成目标代码的效率高，可以完成调试、仿真等开发流程。
下图为程序工程图。
图4-1KEIL软件程序工程图
整个程序可以分为五大部分，主程序就是调用各个子程序模块来实现电子秤的全部功能的。
下图为多功能语音称重仪软件的总体结构。
图4-2软件总体结构
4.2主程序设计
A/D转换模块、液晶显示模块、语音播报模块编写的子程序，在主函数中直接调用，语音播报的控制用中断去实现，循环播报，隔5秒报一次。
A/D模块不断采集数据，采集以后对数据进行简单误差处理，每采集的十个数求均值在送出显示。
图4-3主程序流程图
4.3系统子程序设计
4.3.1A/D转换
当DOUT从高电平变为低电平后，PD-SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲。
其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出24位数据的最高位。
直至第24个时钟脉冲完成，24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成，第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益。
PD-SCK的输入时钟脉冲数应不少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。
[1]
当芯片复位后或从断电到正常工作状态后，芯片会选择A通道的128增益作为第一次A/D转换的增益。
图4-4A/D转换子程序流程图
4.3.2显示子程序
LCD1602操作简单，在电子秤软件设计中，主要包括写数据、写指令、初始化的操作。
写指令操作和写数据操作分别为两个独立的函数来实现，两个函数操作时序有区别。
以写指令函数解释如下：
voidwrite_com（ucharcom）
{
lcdre=0;//选择指令模式
P0=com;//将要写的指令字送到数据总线上
delay（5）;//延时以等待数据稳定
lcden=1;//使能端给一高脉冲，因为初始化函数中已经将lcden置为0
delay（5）;//延时
lcden=0;//将使能端置为0已完成高脉冲
}
初始化函数命令指令码及功能解释：
write_com（0x38）;//设置16×2显示5×7点阵，8位数据接口
write_com（0x0c）;//设置开显示，不显示光标
write_com（0x06）;//写一个字符
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