浅谈便携式高精度智能厨房秤系统设计

黎匡磊，谢井华

（国营长虹机械厂，广西 桂林 541002）

秤是一种在日常生活中使用十分广泛的测量器具，我国古代的计量学早在原始社会末期已经开始出现。随着称重技术和电子技术的发展，人们对重量的测量需求也在逐步增加。传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置已不能满足人们在科技生活中的需求，智能电子秤、电子天平等电子测量仪器以测量快速准确、使用方便、显示直观、功能强大等优点极大地满足了日常生活的便捷性而受到了用户的认可和青睐。本课题设计的便携式高精度智能厨房秤是智能厨房系统的一部分，具有称重、清零、语音播报、数值显示、智能识别、网络通信等功能，可以实现厨房家电之间信息的互联互通，主要为构造智能厨房系统提供食材相关的数据信息。

1 系统设计方案

便携式高精度智能厨房秤以北京君正的X1000微处理器作为主控部件与各个功能模块连接。功能模块主要包括称重模块、图像采集模块、触摸按键模块、数码显示模块、语音播报模块、网络模块和电源模块等，其系统框图如图1所示。

图1 便携式高精度智能厨房秤系统框图

称重模块主要由称重传感器和A/D转换芯片两部分组成，用于采集被测物体的重量信息；图像采集模块主要由USB摄像头模组组成，用于采集被测物体的图片信息；触摸按键模块由电容式触控IC和按键组成，用于采集用户的按键信息；数码显示模块由LED数码管和数码驱动IC组成，用于显示被测物体的重量等信息；语音播报模块由WM8978芯片及相关外围电路组成，用于播报被测物体的重量信息、按键信息及物品识别信息等相关信息；网络模块由SDIO总线接口的WIFI-8189模块组成，用于传输图片信息和文本信息；电源模块用于为系统各功能模块提供所需的直流稳压电源，由电池、充电电路、BUCK和BOOST电路组成，是系统能够正常工作的前提。

2 系统硬件设计

便携式高精度智能厨房秤系统设计所接的外围设备较多，主控芯片要满足内存容量较大、运行速度快、消耗功耗低和价格合理等要求，因此，选用北京君正X1000芯片的微处理器，该微处理器是一款采用MIPS架构、主频高达1GHz、片内内置32MB LPDDR、支持两百万像素的摄像头，具有丰富的片上接口，且功耗小于200mW的物联网处理器。根据系统设计方案的要求，整个硬件系统可以分为以下几个部分：称重模块、图像采集模块、触摸按键模块、数码显示模块、语音播报模块、网络模块和电源模块等。

2.1 称重模块

称重模块是便携式高精度智能厨房秤的重要组成部分，该模块的性能对整个测量电路的设计精度有着决定性的影响。称重模块主要由称重传感器和A/D转换芯片两部分组成。常见的称重传感器有电阻应变式压力传感器、电容式压力传感器和压电式压力传感器。根据本系统设计需求，选用电阻应变式压力传感器作为智能厨房秤的称重传感器。电阻应变式压力传感器主要由弹性元件、电阻应变片、惠更斯电桥电路和传输线四部分组成。当弹性元件承受载荷产生变形时，粘贴在弹性元件上的电阻应变片受到拉伸或者压缩变形，弹性元件的阻值将发生增大或减小的变化，从而使惠更斯电桥失去平衡产生相应的差动信号，该信号由传输线传输到后续电路进行相应的处理。

称重传感器采集的模拟电压信号经放大器放大后，需要经过A/D转换电路转换为数字信号后送至微处理器进行处理。为了满足厨房秤的高精度和高稳定性要求，本系统选用片内集成稳压电源、时钟振荡器等电路的专为高精度称重而设计的24位A/D转换芯片HX711，该芯片具有集成度高、编程简单、响应速度快以及抗干扰能力强等优点，可以有效提高智能厨房秤的性能及可靠性。该芯片与后端的微控制器接口和编程均非常简单，可以由微控制器通过两根GPIO口管脚驱动，无须对芯片内部的寄存器进行编程。HX711电路原理图如图2所示。

图2 HX711电路原理图

2.2 图像采集模块

智能厨房秤图像采集模块的主要功能是拍摄秤盘上的被测物体，并将采集的图片信息传输到X1000微处理器进行存储和处理。X1000微处理器将图片进行压缩后，通过网络模块上传到连接手机智能厨房APP中，APP再通过调用百度AI进行果蔬识别，并将识别结果通过网络模块返回给X1000微处理器，然后利用语音播报模块进行播报。本系统选用USB数字摄像头进行图片采集，该摄像头具有两百万像素CMOS传感器，最大图像传输速度为15FPS UXGA 36MHZ/30FPS 720pMHZ，能有效减少图像的采集时间。

2.3 触摸按键模块

触摸按键模块的主要功能是接收用户的按键信息，并将按键信息通过I2C总线传输的方式传输给X1000微处理器进行存储和处理，同时微处理器将按键信息传到语音播报模块进行播报。根据智能厨房秤的功能需求和结构限制要求，需要采用抗干扰能力强且稳定性好的触摸按键，因此本设计采用由TI公司推出的基于FRAM架构的超低功耗微控制器MSP430FR2633作为触摸按键模块的控制IC，该IC采用CapTIvate触控技术，可提供高分辨率的电容式触控解决方案，能有效满足本设计的需求。触摸按键模块的电路原理图如图3所示，其中SBWTDIO和SBWTCK管脚用于程序更新，TOUCH和BATQ_LAW用于与X1000微控制器进行数据通讯，TP1、TP2、TP3和TP4为电容式触摸按键。

图3 触摸按键模块的电路原理图

2.4 数码显示模块

数码显示模块主要用于显示物体的重量等相关信息。一般显示方式有两种，一种是LED数码管显示，另一种为LCD液晶显示。虽然液晶显示的内容较为丰富，但是亮度、功耗及美观方面无法满足智能厨房秤的需求，因此本设计采用LED数码显示的方式。数码管选用共阳极LED数码管，驱动IC选用TM1637芯片。TM1637采用功率CMOS工艺，内部集成有LED高压驱动、数据锁存器和MCU数字接口等电路，通过I2C总线与X1000微控制器进行数据通讯。数码显示模块的电路原理图如图4所示。

图4 数码显示模块的电路原理图

2.5 语音播报模块

语音播报模块用于播报被测物体的重量信息、按键信息及物品识别信息等相关信息，当放置在秤盘上的被测物体重量超过量程时，也可以播报报警信息及时提醒用户将超重物体移除。本系统采用的语音模块由WM8978芯片及相关外围电路组成，该芯片是一款低功耗、高性能的立体声多媒体数字信号编译码器，可以实现声音调节、失真调节和均衡器等音频效果。语音播报模块的电路原理图如图5所示，X1000微处理器通过I2S数据总线发送声音数据、通过I2C数据总线来控制WM8978芯片的音频参数信息。

图5 语音播报模块的电路原理图

2.6 网络模块

智能厨房秤通过无线网络模块与智能厨房APP进行通信，可用于厨房秤参数配置和数据的网络传输。在首次启用设备或者长按复位按键3s的情况下，厨房秤将进入Air Kiss配网模式，在配网的过程中，需要厨房秤与用户手机在同一个无线网络环境下，使用智能厨房APP进行网络配置。本厨房秤采用SDIO总线接口的WIFI-8189模块实现无线数据的传输，具有设计方便、操作简单及传输速率稳定可靠等优点，能满足图片信息和文本信息在厨房秤和智能厨房APP之间数据信息的稳定传输的目的。

2.7 电源模块

电源模块是整个智能厨房秤的供电单元，主要为系统各功能模块提供所需的直流稳压电源，由电池、充电电路、BUCK和BOOST电路组成，是系统能够正常工作的前提。智能厨房秤采用便携式设计，利用一块型号为BL205的锂离子电池给整个系统供电，该电池容量为3500mAh，正常输出电压为3.7V，因此，需要有给电池充电的电路，本系统选用TP4506芯片给电池充电，充电电路原理图如图6所示；智能厨房秤的外接直流电源为5V，X1000微控制器需要3.3V、2.5V、1.8V和1.2V的电压，其余模块主要用到5V和3.3V的电压，要获得除5V外的其他直流电压，本系统采用多个SY8088的BUCK转换芯片，该芯片可以通过在OUT管脚和FB管脚间接不同反馈分压电阻来调节输出电压，SY8088电路原理图如图7所示；当单独使用电池供电时，需要将3.7V的电池电压升压到5V，此时采用LM2733芯片BOOST升压芯片，其原理图如图8所示。

图6 充电电路原理图

图7 SY8088 BUCK电路原理图

图8 LM2733 BOOST电路原理图

3 系统软件设计

智能厨房秤主要具备称重功能、图像采集功能、触摸按键功能、数码显示功能、语音播报功能和网络传输功能。本系统正常开始工作后，系统各功能模块上电复位，微控制器对各功能模块进行初始化设置，并执行自检程序，若在自检过程中存在故障，就会调用语音播报模块发出故障警报，自检完成后，系统即进入物体称重模式。系统主程序流程图如图9所示。

图9 系统主程序流程图

当厨房秤的秤盘上放置被测物体时，物体的重力将使电阻应变式压力传感器发生相应的形变，此时，电阻应变式压力传感器的阻值随着形变而改变，并因电桥失衡输出与被测物体的重力成正比的模拟电信号，该电信号放大后，经A/D转换芯片HX711变换为24位的高精度数字信号，再送到X1000微处理器进行存储和处理。同时，微处理器中收到称重模块的重量变换信息后启动图像采集模块，使用USB摄像头将此时秤盘上的物体拍摄下来，之后将图片信息送到X1000微处理器进行存储和处理。

若触摸按键模块有接收到用户的按键信息时，也会将按键信息送到X1000微处理器进行存储和处理。X1000微处理器将按设定的程序将被测物体的重量信息、图片信息和按键信息处理后通过网络模块全部上传到连接的手机智能厨房APP中，同时微处理器将相应的数据信息传递到语音播报模块进行语音播报和数码显示模块显示物体的重量相关信息等。

手机智能厨房APP中的图片信息可通过调用百度AI进行果蔬识别，并将识别结果通过网络模块反馈到X1000微处理器，再由语音播报模块进行播报。另外，用户也可通过智能厨房APP发出简单的命令，经由网络模块给到X1000微处理器来进行简单的智能交互。

4 系统称重性能测试

经过电路方案设计、物料采购、板件打板、电路板调试及整个系统联调，最终实现了便携式高精度智能厨房秤的物体称重、图像采集、触摸按键、数码显示、语音播报和网络传输等功能。针对最核心的物体重量测量功能，通过在秤盘上放置标准砝码进行测量，砝码的重量从5～2000g，分别重复测量3次，计算测量结果与标准砝码重量之间的误差，根据测试结果计算智能厨房秤的称重精度，试验结果如表1所示。

表1 智能厨房秤称重性能测试结果

由试验数据可知，当没有物体放置在秤盘上时，数码显示模块显示的重量为0g，且3次测量的智能厨房秤测量最大误差仅为±0.1g，达到本设计的精度要求。

5 结语

随着科学技术的不断进步，电子衡器向小型化、直观化、智能化方向发展，技术性能趋向于高速率、高精度及高稳定性方向，在此发展趋势下，本文基于X1000微处理器，以电阻应变式压力传感器为应用研究对象，进行便携式高精度智能厨房秤的系统研究和设计，主要完成了2000g重量以下物体的精准测量，通过图像采集模块采集图片，利用数码显示模块显示物体重量信息，实现了语音播报功能，通过网络模块可以使手机移动设备实时接收信息并共享给智能厨房中的其他设备，可以实现厨房家电之间信息的互联互通，为构造智能厨房系统提供食材的相关数据信息。