语音报数电子秤论文V09.docx
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语音报数电子秤论文V09
毕业设计（论文）
语音报数电子秤的设计
学生姓名：
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论文完成时间：
2009年06月05日
目录
摘要3
第一章绪论4
1.1电子秤的发展史4
1.2电子秤应用范围4
1.3智能电子秤的发展4
第二章语音报数电子秤的总体设计6
2.1电子秤的工作原理6
2.2电子秤的总体设计6
2.2.1A/D转换电路方案的选择6
2.2.2语音报数电路方案的选择6
2.2.3显示电路方案的选择7
2.2.4系统总体方案的确定8
第三章系统硬件电路的设计9
3.1信号采集电路的设计9
3.2单片机电路的设计11
3.2.1单片机简介11
3.2.2STC12C5410AD单片机13
3.2.3单片机电路15
3.3液晶显示电路的设计16
3.3.1液晶显示原理16
3.3.2LCD1602液晶显示模块接口电路16
3.4键盘电路的设计17
3.5语音电路的设计19
3.6电源电路的设计21
第四章系统的软件设计22
4.1系统的总体软件流程22
4.2语音电路ISD4004的软件编程24
4.3液晶模块LCD1602的软件编程28
第五章结论与展望33
致谢35
参考文献36
附录：
系统电路图37
摘要
语音报数电子秤以单片机作为中心控制单元，通过称重传感器进行商品重量的测量，对测量信号进行放大，并送入模数转换单元进行模数转换，再配以键盘、液晶显示电路及软件来组成，称得的重量和计算的商品总价显示的同时还可以通过语音电路报数，实现语音输出。
单片机在电子秤中的应用使电子秤不但计量准确、快速方便，而且具有自动称重、计价功能、语音报数等功能。
本系统是针对是电子秤的自动称重、自动计价、数据处理、语音报数进行研究的。
为了阐明用单片机是如何对采样数据进行处理，对数据的采集和转换、计算问题进行了研究。
本文从信号采集电路、放大电路、语音录放电路、液晶显示及键盘电路等几个方面出发，详细研究和设计了语音电子秤的各个部分内容，设计了单片机及其外围电路，并结合一套完整的程序算法。
给出了一套完整的语音报数电子秤软硬件解决方案。
关键词语音电路；单片机；A/D转换；称重传感器
第一章绪论
随着自动化测量技术的不断发展，传统的称重系统在功能、精度、智能化、性价比等方面越来越难以满足人们的需要，尤其对一些微小质量的测量更显得力不从心。
为了实现高智能化的微小质量测量，以及商业流通领域中经常进行各种精度范围的重量测量，传统的秤砣加秤盘模式已经很难适应现代商业零售的需要。
同时商品种类的繁多和对服务更高的要求也促使电子秤的功能进一步扩展，而成为集度量、结算于一体的商业销售终端。
1.1电子秤的发展史
早在20世纪80年代，美国、德国等工业发达国家，就开始了数字式称重传感器和数字称重系统的预先研究和初期开发工作，经过十余年的努力，推出了多种数字式智能称重传感器及其称重系统，在电子称重领域备受瞩目,有力的推动了电子衡器数字化和数字称重系统的发展。
我国数字式智能称重传感器的研究开发始于20世纪90年代中后期，在短短几年时间里，研制出安装在模拟式称重传感器内部的小型数字化单元，完成了模拟信号与数字信号之间的转换，变模拟式称重传感器为数字化称重传感器，并应用于大型电子汽车衡和电子配料秤等小型称重系统中，取得了较好的测试结果。
近年来，又在数字化称重传感器的基础上，研究与实践数字式智能化电路，数字补偿技术与数字补偿工艺，开发整体型数字式智能称重传感器和分离型模块化数字称重传感器系统，已经取得了阶段性成果。
可以预计，很快就会在电子衡器数字化和数字称重系统中，见到国产的数字式智能称重传感器和模块化数字式称重传感器系统。
1.2电子秤应用范围
随着科学技术和经济的发展，出售商品品种的增加，需要称量物品的设备也需要更新换代，人们对称重装置的要求也越来越高。
智能电子秤正是利用它精确、智能、方便、明了、可靠的特点，广泛应用在商业、企业、日常生活等各个领域。
1.3智能电子秤的发展
称重技术的突破是单片机的应用。
称重技术的这种发展是由于不仅要求获得静态称重数据，而且进一步要求称重工作的自动化，实现快速称量，以及测量各种动态参数，提高测量精度和各种数据的及时处理。
这些精度、速度、性能和功能方面的要求是传统的机械测量系统无法满足的。
也就是说这种技术发展中的突破是必然的结果。
语音报数电子秤是针对自动称重、计算价格进行研究和设计的。
系统以单片机作为控制核心，结合语音电路的设计，突出语音报数的特点。
在每次测量称重的过程中，可以自动语音报出称出的重量和需要结算的金额，让买卖双方明明白白。
第二章语音报数电子秤的总体设计
2.1电子秤的工作原理
根据目前电子秤的基本使用要求和设计需要，语音报数电子秤必须具有单价输入、自动计算总价、语音播报称重重量和结算价价格等功能。
用户只要通过键盘电路输入所要称重物品的单价，将物品放到电子秤的托盘上，便能测量出物品的重量，进而得到商品的总价。
当商品放到秤盘上时，秤盘下的重量电阻应变式传感器产生一电信号，信号的强弱随商品重量的大小而变，该电信号经放大电路放大后，送入A/D转换芯片进行模数转换，转换后的数字量与物重成正比，再进入单片机经过数据处理，单片机产生一组满足显示要求的数据，送至显示电路显示出实际重量。
另一方面，商品单价通过键盘扫描电路送入单片机，经过数据处理，送至显示电路显示出商品单价。
物重与单价经过运算产生总价，也在显示电路上同时显示出来。
与此同时，语音电路将在单片机的控制下启动，将事先录制好的各位数字，单位等信息有机组合从而读出称得的重量和商品的总价格。
2.2电子秤的总体设计
根据语音报数电子秤的性能及技术要求，选择以单片机为核心，组成称量系统。
系统主要有单片机、A/D转换电路、语音录放电路、键盘电路，显示电路、称重传感器、放大电路等组成。
2.2.1A/D转换电路方案的选择
要完成商品的称重，必须要完成被测重量从模拟量向数字量的转换，所以系统需要设计A/D转换电路，A/D转换及单片机部分有以下两个方案可以选择：
方案一：
使用独立的A/D转换集成电路和普通单片机连接，使A/D转换电路可以在单片机的协调控制下工作。
这就需要设计A/D转换电路与电片机的接口电路。
方案二：
采用内部集成A/D转换器的单片机芯片。
由于内部集成了A/D转换器，省去了单片机与A/D转换器接口电路的设计，简化了设计的同时提高了系统的稳定性和可靠性。
基于上述考虑，本设计采用方案二，模拟量转换成数字量由内部集成A/D转换器的单片机来完成。
2.2.2语音报数电路方案的选择
系统测量和计算过程中的称重重量、商品总价等信息需要语音报数。
语音报数部分有以下两种方案可供选择：
方案一：
ADC+MCU+DAC方案。
这种方案是将模拟语音信号通过模数转换器A/D转换成数字信号，再通过单片机控制存储在存储器中，回放时，由单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换器D/A转换成模拟信号，经放大在扬声器上输出语音。
方案二：
专用语音芯片方案。
专用语音芯片比如采用ISD4004语音芯片。
ISD4004语音芯片音质好。
芯片采用CMOS技术，内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM阵列。
最小的录放系统仅需麦克风、喇叭、两个按钮、电源及少数电阻电容。
在录放操作结束后，芯片自动进入低功耗节电模式、功耗仅0.5uA。
芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调各效果，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。
采样频率从5.3，6.4到8.0KHz，对音质仅有轻微影响。
片内信息可保存100年（无需后备电源），EEPROM单片可反复录音十万次。
专用语音芯片使用方便，单片录放系统外部元件最少，重现优质原声，没有常见的背景噪音，具有自动节电模式等。
本设计采用专用语音芯片的方案。
2.2.3显示电路方案的选择
电子秤称得的重量、输入的单价、计算出来的总价等信息需要通过显示电路进行显示。
与单片机接口的常用显示电路主要包括数码管显示（LED）和液晶显示（LCD），下面分别加以介绍。
方案一：
数码管显示（LED）
数码管显示也称为LED显示，是一种主动发光的信息显示方式，它的每一个字段由一个发光的二极管组成，其外形和引脚如下图所示：
图2-1数码管外形和引脚图
LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳极数码管；相反的，就叫共阴极数码管。
那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。
再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。
方案二：
液晶显示（LCD）
液晶显示是一种可以通过电流的通断改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断的集成显示方式，液晶显示具有耗电量低、体积小等优点，可以很方便的和单片机进行连接。
并且有多种尺寸，可以同时显示多组数据和信息。
综合以上考虑，液晶显示和数码管显示电路相比更加适合应用于电子秤的显示电路。
本设计采用液晶显示器作为显示方案。
2.2.4系统总体方案的确定
本设计采用电阻应变式压力传感器进行测量，得出模拟信号，再进行放大，然后送入内部集成模数转换电路的单片机进行处理。
整个系统主要有称重传感器、放大电路、单片机（内部集成A/D）、语音录放电路、以及键盘和显示电路组成。
语音报数电子秤的总体框图如图2-2所示：
图2-2系统总体设计框图
语音报数电子秤通过信号采集部分感受托盘所放物品的重量，也就是利用电阻应变式压力传感器获取外部重量信息。
经过信号放大电路将这一比较微弱的信号放大，使之符合AD转换电路的输入要求，单片机利用其内部集成的A/D转换器把输入的模拟信号转换成数字信号并进行处理。
系统通过键盘电路输入商品的单价等信息。
单片机综合商品的重量和单价等信息，计算出物品的总价，并将商品的单价、重量、总价等信息送到液晶显示电路进行显示。
与此同时，专用的语音芯片电路ISD4004在单片机的控制下，将事先录制再其内部存储器的各位数字，单位等信息有机组合从而读出称得的重量和商品的总价格等语音信息，从而完成语音报数的工作。
第三章系统硬件电路的设计
3.1信号采集电路的设计
要达到设计的性能要求，称重传感器的精度起着决定性作用。
本设计选用应用于称重系统90％以上的高精度电阻应变式传感器。
电阻应变传感器是将被测量的力通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。
题目要求称重范围500g，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重。
我们选择的是L-PSIII型传感器，精度为0.01%，满量程时误差0.002Kg。
可以满足本系统的精度要求。
我们选择的是L-PSIII型传感器，量程20Kg，精度为，满量程时误差0.002Kg。
可以满足本系统的精度要求。
本设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路（见图3-1），用到的是电阻应变传感器半桥式测量电路。
它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上，测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而产生的变化。
电阻的变化使桥式测量电路的输出电压发生变化。
即输出电压的变化反映出重力的变化。
电桥的输出电压可由下式表示：
上式说明电桥的输出电压V和四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和成正比。
图3-1桥式测量电路
传感器电桥电路的输出电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。
我们考虑可以采用专用仪表放大器AD620此芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。
通过一个电阻就可以决定电路的放大倍数。
AD620的输出加一级运算放大电路，对经过AD620处理过的电压信号进行滤波处理后再次放大，放大电路的增益控制在10左右，通过调整R8调整运算放大器的放大倍数，使信号采集电路的输出与单片机内部的A/D电路量程范围相符合。
这部分电路的电路图如图3-2所示：
图3-2信号采集部分电路图
由四只电阻应变式传感器组成电桥电路。
AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1—1000的低功耗、高精度仪表放大器。
尽管AD620由传统的三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优于三运放构成的仪表放大器设计,电源范围宽（±2.3V--±18V）,设计体积小,功耗非常低（最大供电电流仅为1.3mA）因而使用于低电压、低功耗的应用场合。
图3-3、3-4分别是AD620的引脚图和结构简图。
图3-3 AD620芯片引脚图
AD620是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。
输入三极管Q1和Q2提供了唯一双极差分输入，因内部的超β处理，它的输入偏移电流比一般情况低10倍。
通过Q1-A1-R1环路和Q2-A2-R2环路的反馈，保持了Q1，Q2集成极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻Rg的两端，从输入到A1/A2输出的差分放大倍数为G=（R1+R2）/Rg+1。
由A3组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与REF管脚电位有关的单路输出。
由输入三极管集成电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到极小。
内部增益电阻R1和R2被精确确定24.7kΩ,使得运放增益精确地有Rg确定。
G=49.4kΩ/Rg+1或 Rg=49.4kΩ/（G-1）。
本设计取Rg为100欧姆，放大倍数控制在500倍左右。
图3-4 AD620结构简图
3.2单片机电路的设计
3.2.1单片机简介
3.2.1.1单片机概述
单片微机（Single-ChipMicrocomputer）简称单片机，也有的叫做微处理（Micro-Processor简写μP）或微控制器（Micro-Controller简写μC），通常统称微型处理部件（MicroControllerUnit简写MCU）。
一般的说，单片机就是在一块硅片上集成CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、和多种I/O的完整的数字处理系统。
二十世纪，微电子、IC集成电路行业发展迅速，其中单片机行业的发展最引人注目。
单片机功能强、价格便宜、使用灵活，在计算机应用领域中发挥着极其重要的作用。
从INTEL公司于1971年生产第一颗单片机Intel-4004开始，开创了电子应用的“智能化”新时代。
单片机以其高性价比和灵活性，牢固树立了其在嵌入式微控制系统中的“霸主”地位，在PC机以286、386、Pentium、PⅢ高速更新换代的同时，单片机却“始终如一”保持旺盛的生命力。
例如，MCS-51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的态势就充分证明了这一点。
3.2.1.2单片机的结构与组成
目前，单片机的系统结构有两种类型：
一种是将程序和数据存储器分开使用，即哈佛（Harvard）结构，当前的单片机大都是这种结构。
另一种是采用和PC机的冯.诺依曼（VonNeumann）类似的原理，对程序和数据存储器不作逻辑上的区分，用来存放用户程序，可分为EPROM、OTP、ROM和FLASH等类。
EPROM型内存编程后其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发过程，但EPROM型单片机价格很高。
具有ROM型（掩膜型）内存的单片机价格最低，它适用于大批量生产。
由于ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用户要更改程序代码就十分不便，在产品未成熟时选用ROM型单片机风险较高。
OTP型（一次可编程）单片机介于EPROM和ROM型单片机之间，它允许用户自己对其编程，但只能写入一次。
OTP型单片机生产多少完全可由用户自己掌握，不存在ROM型有最小起订量和掩膜费问题，另外，该类单片机价格已同掩膜型十分接近，故特别受中小批量客户的欢迎。
Flash型（闪速型）单片机允许用户使用编程工具或在线快速修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。
Flash型单片机,即可用于开发过程，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，Flash型单片机价格不断下降，使用越来越普遍，它已是现代单片机的发展趋势。
随机内存（RAM）:
用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百个字节。
RAM的内容是易失性（也有的称易挥发性）的，掉电后会丢失。
最近出现了EEPROM或FLASH型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其它重要信息。
单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，它们是单片机中存取速度最快的内存，但通常存储空间很小。
1、中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件ALU和控制部件构成。
CPU就象人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。
并行输入/输出（I/O）口:
通常为独立的双向口，任何口既可以用作输入方式，又可以作输出方式，通过软件编程来设定。
现代的单片机的I/O口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。
I/O是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指针之一。
串口输入/输出口:
用于单片机和串行设备或其它单片机的通信。
串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件来实现。
不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如UART、SPI、I2C、MicroWire等。
2、定时器/计数器（T/C）
单片机内部用于精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲）进行计数，有的单片机内部有多个定时/计数器。
3、系统时钟
通常需要外接石英晶体或其它振荡源来提供时钟信号输入，也有的使用内部RC振荡器。
以上是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D）、数字/模拟转换器（D/A）、温度传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等等
3.2.1.3单片机编程语言介绍
单片机的编程语言主要有四种，即汇编、PL/M，C和BASIC。
而其中又以汇编语言和C语言最为常用
C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。
C语言结构是以括号{}而不是子和特殊符号的语言。
C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。
与汇编相比，有如下优点：
对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的内存结构有初步了解寄存器分配、不同内存的寻址及数据类型等细节可由编译器管理程序有规范的结构，可分为不同的函数。
这种方式可使程序结构化将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能将已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机不同较快地移植过来。
单片机汇编语言非常像其它汇编语言。
不同存储区域使得其复杂一些。
尽管懂得汇编语言不是目的，看懂一些可帮助了解影响任何语言效率的特殊规定。
例如，懂得汇编语言指令就可以使用在片内RAM作变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。
要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。
由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。
3.2.2STC12C5410AD单片机
STC12C5410AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。
4路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制，强干扰场合。
STC12C5410AD作为STC12系列单片机中的一个典型代表，具有如下的特点：
1.STC12C5410AD单片机为增强型8051芯片，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051单片机。
2.工作电压：
STC12C5410AD系列工作电压：
5.5V-3.8V（5V单片机）/3.8V-2.4V（3V单片机）。
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz。
4.用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K/1K字节。
5.片上集成512字节RAM（STC12C5410AD系列）。
6.通用I/O口（27/23/15个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻开漏。
每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器
可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
8.EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）
11.时钟源：
外部高精度晶体时钟，内部R/C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体时钟。
常温下内部R/C振荡器频率为：
5.2MHz～6.8MHz。
精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是4MHz～8MHz。
12.共2个16位定时器/计数器，但可用PCA模块再产生4个定时器
13.外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断唤醒。
14.PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列,4路）,5410系列是4路，可用来当4路D/A使用、4个定时器，也可用来再实现4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）。
15.A/D转换,10位精度ADC，共8路。
16.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口。
17.SPI同步通信口，主模式/从模式。
18.工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃。
19.封装：
PLCC-32,PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，TSSOP-20，PLCC-32有27个I/O口，PDIP28/SOP28有23个I/O口，PDIP20/SOP20/TSSOP20有15个I/O口，
I/O口不够时，可用74HC595/74HC165串行扩展I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
3.2.3单片机电路
1、时钟电路
STC12C5410AD内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
图3-5中为内部方式时钟电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡器Y1频率选择12MHz，电容C14、C15值选择10pF，这两个电容可对频率起微调的作
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