多功能语音电子秤

1作品背景

质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。

本次设计的电子秤除了具备一般的称重功能外，还具有语音播放功能，能够播放重量、总价、找零金额、身高和身体形态。本系统能够设置日期和预存十种商品的单价，还具有自动校零、交易金额找零、数据去抖和去皮及掉电保护功能。

2系统方案

2.1设计思路

本系统数据采集模块由电阻应变式称重传感器、仪用放大器、二阶低通滤波器组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交互。此部分对软件的设计要求比较高，系统整体原理图见附录(1)。

2.2 系统方案

本设计制作的为多功能语音电子秤，以ATMEGA16单片机为主控器，凌阳SPCE061A为辅助控制器，该系统可以分为数据采集、最小系统、人机交互界面、无线传输、语音播放和系统电源六大部分。

压力传感器将电压信传递到差分放大电路中放大，放大后的信号进入ATMEGA16的AD输入引脚，数据经过处理后在12864上显示，再通过人机交互将数据通过24L01发送到SPCE061A上处理，SPCE061A将处理后的数据通过其语音功能播放。

系统总体框图如图1所示：

图1 系统总体框图

2.2.1 压力传感器

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。电阻应变式传感器有如下特点：

（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。

（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。

（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。

（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。

2.2.2 信号处理

采用运放NE5532搭建仪用放大器，被称为“运放之皇”的NE5532具有低零漂、低噪声、高共模抑制比的特性，其内部集成两个运放，是一款性价比很高的运放芯片。其结构图如图2所示：

图2 NE5532内部简图

据电阻应变式传感器的相关参数（见附录3），知传感器的灵敏度（）为2.0mV/V 。所以向传感器提供5V （

）电压时其最大输出电压（）为10mV 。

具体计算公式如下：

AD 满额采集电压为（）5V ， Av=/

根据计算，得到Av=500。

放大原理图，如下图所示:

图3 仪用放大器原理图 由上图可知， = =22K Ω，==2K Ω，==20K Ω,为可调电阻2K Ω

具体计算公式如下: Av=)R 21(7143

R R R

调节，当为900Ω时，Av=500。

放大后经示波器观察，纹波范围为40mV~60mV。所以需要经过滤波处理，用滤波器设计软件（FilterLab_V2.0）设计以1KHz为上限频率的二阶有源低通滤波器可以有效滤除纹波。电路原理图见附录(3)。

2.2.3 控制器模块

ATMEGA16实现系统整体控制，SPCE061A实现语音功能。

ATMEGA16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。

ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

SPCE061A在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使μ’nSP ™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以μ’nSP ™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。最小系统见附录(4)。

2.2.4 显示模块

采用LCD12864显示。12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。通过软件进行菜单切换，这样就可以完成更多内容的显示，而且操作简便。

2.2.5 无线模块NRF24L01

nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模