淺談便攜式高精度智能廚房秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黎匡磊，謝井華

（國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541002）

秤是一種在日常生活中使用十分廣泛的測(cè)量器具，我國(guó)古代的計(jì)量學(xué)早在原始社會(huì)末期已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)。隨著稱重技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)重量的測(cè)量需求也在逐步增加。傳統(tǒng)純機(jī)械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺(tái)秤、磅秤等稱量裝置已不能滿足人們?cè)诳萍忌钪械男枨螅悄茈娮映?、電子天平等電子測(cè)量?jī)x器以測(cè)量快速準(zhǔn)確、使用方便、顯示直觀、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)極大地滿足了日常生活的便捷性而受到了用戶的認(rèn)可和青睞。本課題設(shè)計(jì)的便攜式高精度智能廚房秤是智能廚房系統(tǒng)的一部分，具有稱重、清零、語(yǔ)音播報(bào)、數(shù)值顯示、智能識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，可以實(shí)現(xiàn)廚房家電之間信息的互聯(lián)互通，主要為構(gòu)造智能廚房系統(tǒng)提供食材相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

便攜式高精度智能廚房秤以北京君正的X1000微處理器作為主控部件與各個(gè)功能模塊連接。功能模塊主要包括稱重模塊、圖像采集模塊、觸摸按鍵模塊、數(shù)碼顯示模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和電源模塊等，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 便攜式高精度智能廚房秤系統(tǒng)框圖

稱重模塊主要由稱重傳感器和A/D轉(zhuǎn)換芯片兩部分組成，用于采集被測(cè)物體的重量信息；圖像采集模塊主要由USB攝像頭模組組成，用于采集被測(cè)物體的圖片信息；觸摸按鍵模塊由電容式觸控IC和按鍵組成，用于采集用戶的按鍵信息；數(shù)碼顯示模塊由LED數(shù)碼管和數(shù)碼驅(qū)動(dòng)IC組成，用于顯示被測(cè)物體的重量等信息；語(yǔ)音播報(bào)模塊由WM8978芯片及相關(guān)外圍電路組成，用于播報(bào)被測(cè)物體的重量信息、按鍵信息及物品識(shí)別信息等相關(guān)信息；網(wǎng)絡(luò)模塊由SDIO總線接口的WIFI-8189模塊組成，用于傳輸圖片信息和文本信息；電源模塊用于為系統(tǒng)各功能模塊提供所需的直流穩(wěn)壓電源，由電池、充電電路、BUCK和BOOST電路組成，是系統(tǒng)能夠正常工作的前提。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

便攜式高精度智能廚房秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)所接的外圍設(shè)備較多，主控芯片要滿足內(nèi)存容量較大、運(yùn)行速度快、消耗功耗低和價(jià)格合理等要求，因此，選用北京君正X1000芯片的微處理器，該微處理器是一款采用MIPS架構(gòu)、主頻高達(dá)1GHz、片內(nèi)內(nèi)置32MB LPDDR、支持兩百萬(wàn)像素的攝像頭，具有豐富的片上接口，且功耗小于200mW的物聯(lián)網(wǎng)處理器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的要求，整個(gè)硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)部分：稱重模塊、圖像采集模塊、觸摸按鍵模塊、數(shù)碼顯示模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和電源模塊等。

2.1 稱重模塊

稱重模塊是便攜式高精度智能廚房秤的重要組成部分，該模塊的性能對(duì)整個(gè)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)精度有著決定性的影響。稱重模塊主要由稱重傳感器和A/D轉(zhuǎn)換芯片兩部分組成。常見(jiàn)的稱重傳感器有電阻應(yīng)變式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，選用電阻應(yīng)變式壓力傳感器作為智能廚房秤的稱重傳感器。電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、惠更斯電橋電路和傳輸線四部分組成。當(dāng)彈性元件承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變片受到拉伸或者壓縮變形，彈性元件的阻值將發(fā)生增大或減小的變化，從而使惠更斯電橋失去平衡產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)由傳輸線傳輸?shù)胶罄m(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)的處理。

稱重傳感器采集的模擬電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送至微處理器進(jìn)行處理。為了滿足廚房秤的高精度和高穩(wěn)定性要求，本系統(tǒng)選用片內(nèi)集成穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘振蕩器等電路的專為高精度稱重而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711，該芯片具有集成度高、編程簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高智能廚房秤的性能及可靠性。該芯片與后端的微控制器接口和編程均非常簡(jiǎn)單，可以由微控制器通過(guò)兩根GPIO口管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)須對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程。HX711電路原理圖如圖2所示。

圖2 HX711電路原理圖

2.2 圖像采集模塊

智能廚房秤圖像采集模塊的主要功能是拍攝秤盤上的被測(cè)物體，并將采集的圖片信息傳輸?shù)絏1000微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。X1000微處理器將圖片進(jìn)行壓縮后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊上傳到連接手機(jī)智能廚房APP中，APP再通過(guò)調(diào)用百度AI進(jìn)行果蔬識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊返回給X1000微處理器，然后利用語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行播報(bào)。本系統(tǒng)選用USB數(shù)字?jǐn)z像頭進(jìn)行圖片采集，該攝像頭具有兩百萬(wàn)像素CMOS傳感器，最大圖像傳輸速度為15FPS UXGA 36MHZ/30FPS 720pMHZ，能有效減少圖像的采集時(shí)間。

2.3 觸摸按鍵模塊

觸摸按鍵模塊的主要功能是接收用戶的按鍵信息，并將按鍵信息通過(guò)I2C總線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀oX1000微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，同時(shí)微處理器將按鍵信息傳到語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行播報(bào)。根據(jù)智能廚房秤的功能需求和結(jié)構(gòu)限制要求，需要采用抗干擾能力強(qiáng)且穩(wěn)定性好的觸摸按鍵，因此本設(shè)計(jì)采用由TI公司推出的基于FRAM架構(gòu)的超低功耗微控制器MSP430FR2633作為觸摸按鍵模塊的控制IC，該IC采用CapTIvate觸控技術(shù)，可提供高分辨率的電容式觸控解決方案，能有效滿足本設(shè)計(jì)的需求。觸摸按鍵模塊的電路原理圖如圖3所示，其中SBWTDIO和SBWTCK管腳用于程序更新，TOUCH和BATQ_LAW用于與X1000微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，TP1、TP2、TP3和TP4為電容式觸摸按鍵。

圖3 觸摸按鍵模塊的電路原理圖

2.4 數(shù)碼顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊主要用于顯示物體的重量等相關(guān)信息。一般顯示方式有兩種，一種是LED數(shù)碼管顯示，另一種為L(zhǎng)CD液晶顯示。雖然液晶顯示的內(nèi)容較為豐富，但是亮度、功耗及美觀方面無(wú)法滿足智能廚房秤的需求，因此本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼顯示的方式。數(shù)碼管選用共陽(yáng)極LED數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)IC選用TM1637芯片。TM1637采用功率CMOS工藝，內(nèi)部集成有LED高壓驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)鎖存器和MCU數(shù)字接口等電路，通過(guò)I2C總線與X1000微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。數(shù)碼顯示模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4 數(shù)碼顯示模塊的電路原理圖

2.5 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊用于播報(bào)被測(cè)物體的重量信息、按鍵信息及物品識(shí)別信息等相關(guān)信息，當(dāng)放置在秤盤上的被測(cè)物體重量超過(guò)量程時(shí)，也可以播報(bào)報(bào)警信息及時(shí)提醒用戶將超重物體移除。本系統(tǒng)采用的語(yǔ)音模塊由WM8978芯片及相關(guān)外圍電路組成，該芯片是一款低功耗、高性能的立體聲多媒體數(shù)字信號(hào)編譯碼器，可以實(shí)現(xiàn)聲音調(diào)節(jié)、失真調(diào)節(jié)和均衡器等音頻效果。語(yǔ)音播報(bào)模塊的電路原理圖如圖5所示，X1000微處理器通過(guò)I2S數(shù)據(jù)總線發(fā)送聲音數(shù)據(jù)、通過(guò)I2C數(shù)據(jù)總線來(lái)控制WM8978芯片的音頻參數(shù)信息。

圖5 語(yǔ)音播報(bào)模塊的電路原理圖

2.6 網(wǎng)絡(luò)模塊

智能廚房秤通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊與智能廚房APP進(jìn)行通信，可用于廚房秤參數(shù)配置和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。在首次啟用設(shè)備或者長(zhǎng)按復(fù)位按鍵3s的情況下，廚房秤將進(jìn)入Air Kiss配網(wǎng)模式，在配網(wǎng)的過(guò)程中，需要廚房秤與用戶手機(jī)在同一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，使用智能廚房APP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。本廚房秤采用SDIO總線接口的WIFI-8189模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，具有設(shè)計(jì)方便、操作簡(jiǎn)單及傳輸速率穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，能滿足圖片信息和文本信息在廚房秤和智能廚房APP之間數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.7 電源模塊

電源模塊是整個(gè)智能廚房秤的供電單元，主要為系統(tǒng)各功能模塊提供所需的直流穩(wěn)壓電源，由電池、充電電路、BUCK和BOOST電路組成，是系統(tǒng)能夠正常工作的前提。智能廚房秤采用便攜式設(shè)計(jì)，利用一塊型號(hào)為BL205的鋰離子電池給整個(gè)系統(tǒng)供電，該電池容量為3500mAh，正常輸出電壓為3.7V，因此，需要有給電池充電的電路，本系統(tǒng)選用TP4506芯片給電池充電，充電電路原理圖如圖6所示；智能廚房秤的外接直流電源為5V，X1000微控制器需要3.3V、2.5V、1.8V和1.2V的電壓，其余模塊主要用到5V和3.3V的電壓，要獲得除5V外的其他直流電壓，本系統(tǒng)采用多個(gè)SY8088的BUCK轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可以通過(guò)在OUT管腳和FB管腳間接不同反饋分壓電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，SY8088電路原理圖如圖7所示；當(dāng)單獨(dú)使用電池供電時(shí)，需要將3.7V的電池電壓升壓到5V，此時(shí)采用LM2733芯片BOOST升壓芯片，其原理圖如圖8所示。

圖6 充電電路原理圖

圖7 SY8088 BUCK電路原理圖

圖8 LM2733 BOOST電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能廚房秤主要具備稱重功能、圖像采集功能、觸摸按鍵功能、數(shù)碼顯示功能、語(yǔ)音播報(bào)功能和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。本系統(tǒng)正常開(kāi)始工作后，系統(tǒng)各功能模塊上電復(fù)位，微控制器對(duì)各功能模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，并執(zhí)行自檢程序，若在自檢過(guò)程中存在故障，就會(huì)調(diào)用語(yǔ)音播報(bào)模塊發(fā)出故障警報(bào)，自檢完成后，系統(tǒng)即進(jìn)入物體稱重模式。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

當(dāng)廚房秤的秤盤上放置被測(cè)物體時(shí)，物體的重力將使電阻應(yīng)變式壓力傳感器發(fā)生相應(yīng)的形變，此時(shí)，電阻應(yīng)變式壓力傳感器的阻值隨著形變而改變，并因電橋失衡輸出與被測(cè)物體的重力成正比的模擬電信號(hào)，該電信號(hào)放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711變換為24位的高精度數(shù)字信號(hào)，再送到X1000微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。同時(shí)，微處理器中收到稱重模塊的重量變換信息后啟動(dòng)圖像采集模塊，使用USB攝像頭將此時(shí)秤盤上的物體拍攝下來(lái)，之后將圖片信息送到X1000微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。

若觸摸按鍵模塊有接收到用戶的按鍵信息時(shí)，也會(huì)將按鍵信息送到X1000微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。X1000微處理器將按設(shè)定的程序?qū)⒈粶y(cè)物體的重量信息、圖片信息和按鍵信息處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊全部上傳到連接的手機(jī)智能廚房APP中，同時(shí)微處理器將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息傳遞到語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)和數(shù)碼顯示模塊顯示物體的重量相關(guān)信息等。

手機(jī)智能廚房APP中的圖片信息可通過(guò)調(diào)用百度AI進(jìn)行果蔬識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊反饋到X1000微處理器，再由語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行播報(bào)。另外，用戶也可通過(guò)智能廚房APP發(fā)出簡(jiǎn)單的命令，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)模塊給到X1000微處理器來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的智能交互。

4 系統(tǒng)稱重性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)電路方案設(shè)計(jì)、物料采購(gòu)、板件打板、電路板調(diào)試及整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)了便攜式高精度智能廚房秤的物體稱重、圖像采集、觸摸按鍵、數(shù)碼顯示、語(yǔ)音播報(bào)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。針?duì)最核心的物體重量測(cè)量功能，通過(guò)在秤盤上放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行測(cè)量，砝碼的重量從5～2000g，分別重復(fù)測(cè)量3次，計(jì)算測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)砝碼重量之間的誤差，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算智能廚房秤的稱重精度，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 智能廚房秤稱重性能測(cè)試結(jié)果

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)沒(méi)有物體放置在秤盤上時(shí)，數(shù)碼顯示模塊顯示的重量為0g，且3次測(cè)量的智能廚房秤測(cè)量最大誤差僅為±0.1g，達(dá)到本設(shè)計(jì)的精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子衡器向小型化、直觀化、智能化方向發(fā)展，技術(shù)性能趨向于高速率、高精度及高穩(wěn)定性方向，在此發(fā)展趨勢(shì)下，本文基于X1000微處理器，以電阻應(yīng)變式壓力傳感器為應(yīng)用研究對(duì)象，進(jìn)行便攜式高精度智能廚房秤的系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)，主要完成了2000g重量以下物體的精準(zhǔn)測(cè)量，通過(guò)圖像采集模塊采集圖片，利用數(shù)碼顯示模塊顯示物體重量信息，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音播報(bào)功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊可以使手機(jī)移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)接收信息并共享給智能廚房中的其他設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)廚房家電之間信息的互聯(lián)互通，為構(gòu)造智能廚房系統(tǒng)提供食材的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。