李 然，李佳炫，孫 超，李雄雄，楊易濤

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 信息技術(shù)工程學(xué)院，天津 300222)

0 引言

隨著世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮推進(jìn)，通過對原有科學(xué)技術(shù)的融合，人們發(fā)現(xiàn)了一種新的技術(shù)模式——物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，成為了經(jīng)濟(jì)增長的新引擎，也將帶給人類社會前所未有的深刻變革，智能產(chǎn)品全面發(fā)展。幼兒產(chǎn)品的智能化日趨完善，新奇的智能化產(chǎn)品對小孩的吸引力劇增，在此情況下，許多新生兒家庭出現(xiàn)孩子吃飯困難等問題，家長輪番上陣追著哄著孩子吃飯已成為常見現(xiàn)象，令家長十分苦惱[1]。

本文基于STC90C52RC單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，并結(jié)合多種傳感器，包含溫度傳感器、質(zhì)量傳感器、以及語音播報模塊等。溫度傳感器實時測量碗中的溫度值，可通過藍(lán)牙模塊與外部手機(jī)連接以數(shù)值的形式顯示；語音播讀模塊隨機(jī)播讀故事、音樂，結(jié)合質(zhì)量傳感器的質(zhì)量變化通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)計算發(fā)出對應(yīng)的語音鼓勵；用戶可通過手機(jī)APP查看碗中食物的溫度，剩余食物的重量，并且可以實現(xiàn)音樂、語音的播放，具有高度的趣味性，實現(xiàn)寶寶的高度互動，符合寶寶的興趣，滿足用戶實際使用要求[2]。

1 整體框架及硬件電路設(shè)計

本文研究的輔食碗的碗體是半球形，為了方便溫度感應(yīng)，碗內(nèi)為易導(dǎo)熱材料。能實現(xiàn)測溫、測重、控制、語音播報等功能。其中碗的底部作為一個平臺，用于放置電路板，所以核心電路板制成圓形。溫度傳感器使用的是DS18B20，該傳感器采用單獨測試端內(nèi)置于碗壁；質(zhì)量傳感器為HL—8，放置于電路板的中央，用于測量碗內(nèi)重量；藍(lán)牙模塊為HC05直接安裝在電路板上，并與單片機(jī)相連，用于用戶端與碗之間的數(shù)據(jù)交互；語音模塊采用JQ8900芯片，可與手機(jī)APP相連，并根據(jù)測得的值，進(jìn)而對孩子進(jìn)行鼓勵。最后，物理控制選用的是單片機(jī)STC90C52RC，結(jié)合各種集成電路，來進(jìn)行核心控制[3]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 集成電路DS1302

DS1302是DALLAS一款充電時鐘芯片，內(nèi)含一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，可以通過串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每個月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM標(biāo)志位決定采用24或12小時時間格式。

1.2 單片機(jī)STC90C52RC

STC90C52RC單片機(jī)是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期任意選擇，并且內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路。STC90C52RC單片機(jī)支持ISP(在系統(tǒng)編程)及IAP(在應(yīng)用編程)技術(shù)。實現(xiàn)停電后保存數(shù)據(jù)的功能，擦寫次數(shù)為100 000次以上，可省去外接EEPROM[4]。

1.3 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是一種常用的數(shù)字溫度傳感器。它的輸出是一個數(shù)字信號。它具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點。DS18B20的讀寫順序和測溫原理與DS1820相同，只是分辨率不同，得到的溫度值不同，溫度轉(zhuǎn)換的延遲時間由2 s縮短到750 ms，低溫振蕩頻率系數(shù)晶體振蕩器受溫度的影響很小，用來產(chǎn)生一個固定頻率的脈沖信號并發(fā)送給計數(shù)器1。高溫系數(shù)晶體振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化顯著，產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器預(yù)設(shè)為與-55 ℃的基值相對應(yīng)。計數(shù)器1對低溫系數(shù)晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行倒計時。當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減小到0時，溫度寄存器的值將增加1，計數(shù)器1的預(yù)置將被重新加載，計數(shù)器1將重新啟動。對低溫系數(shù)晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，循環(huán)至計數(shù)器2計數(shù)為0，停止溫度寄存器值的累積。此時，溫度寄存器中的值為測量溫度[5]。斜坡累加器用于補(bǔ)償和校正溫度測量過程中的非線性，其輸出用于校正計數(shù)器1的預(yù)設(shè)值。

1.4 質(zhì)量傳感器(HL-8型)

HX711是一款專為高精度稱重傳感器設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類芯片相比，該芯片集成了其他同類芯片所需的外圍電路，包括穩(wěn)壓電源、片上時鐘振蕩器等，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，降低了整個寶寶碗的成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。芯片與后端微控制器芯片之間的接口和編程非常簡單，所有控制信號都由引腳驅(qū)動，不需要對芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程。輸入選擇開關(guān)可任意選擇A、B通道，并與內(nèi)部低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，相應(yīng)的全額定差分輸入信號幅值分別為±20 mV或±40 mV。通道B的固定增益為64，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片中的時鐘振蕩器不需要任何外部設(shè)備。開機(jī)自動復(fù)位功能簡化了啟動初始化過程[6]。

1.5 語音播報模塊JQ8900芯片

語音播報模塊JQ8900是一款具有單片機(jī)內(nèi)核的語音芯片，功能多音質(zhì)好應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定是JQ8900系列語音單片機(jī)的特長，彌補(bǔ)了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷。對音質(zhì)的追求當(dāng)然也是精益求精的，完全支持6K～22K Hz采樣率的音頻加載，芯片將加載的音頻音質(zhì)幾乎完整無損地展現(xiàn)出來。JQ8900系列語音單片機(jī)支持SPI-FLASH內(nèi)容在線下載，SPIFLASH直接枚舉成U盤，使得操作更加簡便[7]。

2 數(shù)據(jù)顯示端設(shè)計

2.1 軟件系統(tǒng)工作流程

軟件系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)工作流程

2.2 功能

功能如圖3所示。

圖3 功能框圖

2.3 數(shù)據(jù)測試

質(zhì)量模塊檢測測試數(shù)據(jù)如表1所示，溫度模塊檢測測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 質(zhì)量模塊檢測數(shù)據(jù)

表2 溫度模塊檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文以STC90C52RC單片機(jī)為核心，結(jié)合溫度傳感器DS18B20、質(zhì)量傳感器HL-8型、藍(lán)牙模塊HC05型、語音播報模塊(采用JQ8900芯片)和蓄電池HR無人機(jī)鋰電池型等器件，及相關(guān)集成電路HX711、集成電路DS1302、集成電路AT24C02，構(gòu)成碗體的內(nèi)部機(jī)構(gòu)[8]。數(shù)據(jù)采集部分主要由稱重傳感器和溫度傳感器組成，質(zhì)量傳感器由信號放大和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，信號放大和A/D轉(zhuǎn)換部分主要由專用型高精度24位AD轉(zhuǎn)換芯片HX711實現(xiàn)，溫度傳感器使用DS18B20，采用單獨的測試端，該測試端附著在碗內(nèi)壁方便測試碗內(nèi)溫度[9]。最后藍(lán)牙模塊采用HC05型，安裝在電路板上，與單片機(jī)連接用于將單片機(jī)收集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)APP上。