【单片机项目实训】51单片机电子秤（语音播报版）
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【实验图片】
【演示视频】
【项目实训】51单片机电子秤（语音播报版）
目录
一、设计要求
二、方案选择
三、软件设计
四、图片展示
五、资料链接
六、设计要点
七、关于作者
八、后记
一、设计要求
1.利用单片机对数字电子秤的各种功能进行控制。
2.数字电子秤能够显示商品的重量、单价，且自动完成商品总价的计算，可通过语音播报商品总价。
3.数字电子秤的测量范围要求达到5KG，测量精度要求达到1g。
二、方案选择
1.设计思路
根据设计要求，首先要实现电子秤的称重基本功能，需要通过称重传感器采集到重量信号，经放大电路处理后，由模数转换成数字量，因此每一数字量就对应着一个物体的质量（在一定精度范围内），所以只要将转换成的数质量与物体质量建立映射关系，即可完成称重的要求。而其他的功能则可以通过程序运算来实现，并通过键盘进行控制。
总体结构框架图如下所示：
原理图如下所示：
2.控制器
本系统基于51单片机来实现，因为系统需要控制液晶显示和键盘，不宜采用大规模可编程逻辑器件，如CPLD、FPGA来实现。因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现的，即所解决的问题都是有规则的有限状态转化问题。本系统状态较多，难度较大。另外系统没有其他高标准的要求，最终选择STC89C52RC单片机来实现系统设计，其内部带有8K的程序存储器，可以满足系统设计需求。
3.数据采集部分
（1）传感器。传感器是测量机构最重要的部件，本系统选择的是电阻应变式压力传感器，电阻应变式压力传感器主要有弹性体、电阻应变片电缆线等组成。内部线路采用惠斯通电桥，当弹性体承受载荷产生的变形时，电阻应变片受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将会发生变化（增大或减小），从而电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。本系统要求测量范围是0~4.999Kg,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（4.999Kg），我们选择的称重传感器量程为5Kg，实物如下图所示。
（2）A/D转换器。所谓A/D转换器，是将输入的模拟信号转换成数字信号的器件，本设计采用的是HX711，HX711是24位高精度的A/D转换芯片，是一款专为高精度电子秤设计的，具有两路模拟通道输入，内部集成128倍增益可编程放大器，是一款理想的高精度、低成本的设计方案。
（3）液晶显示部分
由于显示需要，本系统选择1602液晶显示屏。
（4）键盘输入
选用带有16个按键的矩阵键盘，其中0~9数字按键、小数点按键用于输入单价；去皮按键用于仅显示物品净重；删除按键用于删除物品单价；校准+/校准-按键用于调节矫正系数，播报按键用于播报物品总价，矩阵键盘布局如图所示。
（5）语音模块
方案一：采用OTP语音芯片（一次性语音芯片）。一次性的语音芯片在厂家完成烧录后，语音内容就无法进行更改，所以需要事先和厂家沟通好，需要播报的语音内容，例如：
先将自己可能用到的语音，全部写入到语音芯片，然后烧写到语音芯片中。虽然OTP语音芯片不能重复烧写，但低成本的优势也让它占有了一定的市场份额，OTP语音芯片被广泛应用在儿童玩具、汽车电子、医疗器械、安防报警等行业。作者之前用到的一款OTP语音芯片，成本不超过2元，对于固定内容的播报，建议使用该方案，其硬件连接也很简单，比如如下图。
方案二：采用集成的语音模块，最好可以支持支持 FAT 文件系统、操作简单类似U盘，但成本是OTP芯片的几倍。考虑到作者后期作品可能涉及到语音播报，需要为后期作品预留可延续性实验，所以作者选择了该方案，电子秤作品中使用的是JQ8400-FL，只需制作好音频文件，通过类U盘操作拷贝至模块内存，然后“一线串口”发送文件名（数字）即可播报语音内容。
此芯片最大的优势在于能够灵活的更换 SPI-flash 内的语音内容，省去了传统语音芯片需要安装上位机更换语音的麻烦，SPI FLASH 直接模拟成 U 盘，跟拷贝 U 盘一样，非常方便。使得产品研发和生产变得便捷简单。一线串口控制模式、RX232 串口控制可选，为研发提供更多的选择性
三、软件设计
（1）主程序
void main()
{System_Init();while(1){Get_Weight(); keycode = MatrixKey_RanksScan();if(keycode){KeyPress(keycode);} }
}（2）流程图
<1>主程序流程图
<2>键盘扫描程序流程图
四、图片展示
（1）PCB-3D视图
（2）实物演示
五、资料链接
（1）作品演示视频链接
链接①：哔哩哔哩--------点击播放
链接②：优酷视频--------点击播放
链接③：爱奇艺--------点击播放
链接④：腾讯视频--------点击播放
链接⑤：快手视频--------点击播放
链接⑥：西瓜视频--------点击播放
（2）硬件电路分析视频
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链接②：优酷视频--------点击播放
链接③：爱奇艺--------点击播放
链接④：腾讯视频--------点击播放
链接⑤：快手视频--------点击播放
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（3）软件程序分析视频
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（4）原理图下载（PDF版）
链接：百度网盘--------点击下载
（5）源程序下载
链接：百度网盘--------点击下载
六、设计要点
（1）如何实现数据的稳定输出？
数据的稳定输出主要依靠两个方面：①硬件电路 和 ②软件程序。
①先分析硬件电路，HX711为24位的AD模块，对微量的变动非常敏感，所以硬件电路部分一定要注意：
这是作者在设计第一版的电路板的时候的硬件链接，设计后完成发现数据输出不是很稳定，而在E+和E-之间连接一个电解电容，数据的稳定性会有所改善，具体实验过程如下如下：
①首先，E+和E-之间不连接电解电容，然后放置200g标准砝码，采用串口打印相关信息，采集20000次数据，重量数据作图得到：
可以看到，数据稳定性不好，数据范围在0.199Kg~0.202Kg，上下起伏为0.003Kg，即3g左右误差。具体统计如下：
| 重量值（Kg） | 出现次数 | 次数占比 |
| 0.199 | 689 | 3.445% |
| 0.2 | 15259 | 76.295% |
| 0.201 | 4047 | 20.235% |
| 0.202 | 5 | 0.025% |
也就是正确数据占比为76.295%。（实际上，经过作者实验，获取337143次数据，得到的正确数据仅占比46.647%）
②在E+和E-之间连接电解电容，再次实验，采集20000次数据，数据稳定性如下所示：
可以看到，数据稳定性有所好转，具体统计如下：
| 重量值 | 出现次数 | 次数比例 |
| 0.2 | 19998 | 99.990% |
| 0.201 | 2 | 0.010% |
也就是正确数据占比为99.990%。在E+和E-之间连接电解电容，20000次数据中只有2次数据出现异常，数据误差只是1g，数据准确性达到99.99%，稳定性较好。
综上所述，建议在E+和E-之间连接电解电容，有利于数据稳定性。
②再分析软件程序，对单片机获取到的重量值，可以采用软件滤波的方式，获取到较为稳定的数据，比如多次求值，然后求平均值，当然还有其他很多滤波方式，都可以去实验，本作品中作者未涉及，有兴趣的可以去试着做。
（2）如何保留小数点后两位有效数字？
float money=0; //总价，单位为元money +=0.005; //用于四舍五入,保留总价有效数值到百分位//注意这里的技巧：巧妙利用数据类型转换，使得总价数值保留到百分位（一般金额精确到分）
money = ((float)((unsigned long)(money*100)))/100;该作品程序中，有这样两部分代码，摘抄这两句代码在一起。具体举例分析，假设money最开始等于22.986元，通过
money +=0.005; //用于四舍五入,保留总价有效数值到百分位得到money等于22.991元，再通过：
//注意这里的技巧：巧妙利用数据类型转换，使得总价数值保留到百分位（一般金额精确到分）
money = ((float)((unsigned long)(money*100)))/100;注意这里包含两次数据类型转换，第一次money先乘以100得到2299.1，然后强制转换为unsigned long类型数据，得到的就是2299元，然后再将其类型转换为float，得到2299.0元，然后除以100，得到的就是22.99元，得到的结果就是四舍五入后保留小数点后两位的结果。这里巧妙通过加法、两次数据类型转换就可以达到想要的结果，注意这些操作很有技巧性。（该方法是作者现有知识体系下较好的方法，如果有其他方法，欢迎留言评论分享）
七、关于作者
微创电子工作室，刺客阿瑞原创
八、后记
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