基于STC90C52RC单片机及物联网技术的多功能辅食碗设计

李 然，李佳炫，孙 超，李雄雄，杨易涛

(天津职业技术师范大学 信息技术工程学院，天津 300222)

0 引言

随着世界信息产业的第三次浪潮推进，通过对原有科学技术的融合，人们发现了一种新的技术模式——物联网。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络，成为了经济增长的新引擎，也将带给人类社会前所未有的深刻变革，智能产品全面发展。幼儿产品的智能化日趋完善，新奇的智能化产品对小孩的吸引力剧增，在此情况下，许多新生儿家庭出现孩子吃饭困难等问题，家长轮番上阵追着哄着孩子吃饭已成为常见现象，令家长十分苦恼[1]。

本文基于STC90C52RC单片机与物联网技术相结合，并结合多种传感器，包含温度传感器、质量传感器、以及语音播报模块等。温度传感器实时测量碗中的温度值，可通过蓝牙模块与外部手机连接以数值的形式显示；语音播读模块随机播读故事、音乐，结合质量传感器的质量变化通过单片机的数据计算发出对应的语音鼓励；用户可通过手机APP查看碗中食物的温度，剩余食物的重量，并且可以实现音乐、语音的播放，具有高度的趣味性，实现宝宝的高度互动，符合宝宝的兴趣，满足用户实际使用要求[2]。

1 整体框架及硬件电路设计

本文研究的辅食碗的碗体是半球形，为了方便温度感应，碗内为易导热材料。能实现测温、测重、控制、语音播报等功能。其中碗的底部作为一个平台，用于放置电路板，所以核心电路板制成圆形。温度传感器使用的是DS18B20，该传感器采用单独测试端内置于碗壁；质量传感器为HL—8，放置于电路板的中央，用于测量碗内重量；蓝牙模块为HC05直接安装在电路板上，并与单片机相连，用于用户端与碗之间的数据交互；语音模块采用JQ8900芯片，可与手机APP相连，并根据测得的值，进而对孩子进行鼓励。最后，物理控制选用的是单片机STC90C52RC，结合各种集成电路，来进行核心控制[3]。结构如图1所示。

1.1 集成电路DS1302

DS1302是DALLAS一款充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。

1.2 单片机STC90C52RC

STC90C52RC单片机是一款高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期任意选择，并且内部集成了MAX810专用复位电路。STC90C52RC单片机支持ISP(在系统编程)及IAP(在应用编程)技术。实现停电后保存数据的功能，擦写次数为100 000次以上，可省去外接EEPROM[4]。

1.3 温度传感器DS18B20

DS18B20是一种常用的数字温度传感器。它的输出是一个数字信号。它具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点。DS18B20的读写顺序和测温原理与DS1820相同，只是分辨率不同，得到的温度值不同，温度转换的延迟时间由2 s缩短到750 ms，低温振荡频率系数晶体振荡器受温度的影响很小，用来产生一个固定频率的脉冲信号并发送给计数器1。高温系数晶体振荡器的振荡频率随温度变化显著，产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器预设为与-55 ℃的基值相对应。计数器1对低温系数晶体振荡器产生的脉冲信号进行倒计时。当计数器1的预置值减小到0时，温度寄存器的值将增加1，计数器1的预置将被重新加载，计数器1将重新启动。对低温系数晶体振荡器产生的脉冲信号进行计数，循环至计数器2计数为0，停止温度寄存器值的累积。此时，温度寄存器中的值为测量温度[5]。斜坡累加器用于补偿和校正温度测量过程中的非线性，其输出用于校正计数器1的预设值。

1.4 质量传感器(HL-8型)

HX711是一款专为高精度称重传感器设计的24位A/D转换器芯片。与同类芯片相比，该芯片集成了其他同类芯片所需的外围电路，包括稳压电源、片上时钟振荡器等，具有集成度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，降低了整个宝宝碗的成本，提高了整机的性能和可靠性。芯片与后端微控制器芯片之间的接口和编程非常简单，所有控制信号都由引脚驱动，不需要对芯片内部寄存器进行编程。输入选择开关可任意选择A、B通道，并与内部低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，相应的全额定差分输入信号幅值分别为±20 mV或±40 mV。通道B的固定增益为64，用于系统参数检测。芯片中的时钟振荡器不需要任何外部设备。开机自动复位功能简化了启动初始化过程[6]。

1.5 语音播报模块JQ8900芯片

语音播报模块JQ8900是一款具有单片机内核的语音芯片，功能多音质好应用范围广性能稳定是JQ8900系列语音单片机的特长，弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷。对音质的追求当然也是精益求精的，完全支持6K～22K Hz采样率的音频加载，芯片将加载的音频音质几乎完整无损地展现出来。JQ8900系列语音单片机支持SPI-FLASH内容在线下载，SPIFLASH直接枚举成U盘，使得操作更加简便[7]。

2 数据显示端设计

2.1 软件系统工作流程

软件系统工作流程如图2所示。

图2 软件系统工作流程

2.2 功能

功能如图3所示。

图3 功能框图

2.3 数据测试

质量模块检测测试数据如表1所示，温度模块检测测试数据如表2所示。

表1 质量模块检测数据

表2 温度模块检测数据

4 结语

本文以STC90C52RC单片机为核心，结合温度传感器DS18B20、质量传感器HL-8型、蓝牙模块HC05型、语音播报模块(采用JQ8900芯片)和蓄电池HR无人机锂电池型等器件，及相关集成电路HX711、集成电路DS1302、集成电路AT24C02，构成碗体的内部机构[8]。数据采集部分主要由称重传感器和温度传感器组成，质量传感器由信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现，温度传感器使用DS18B20，采用单独的测试端，该测试端附着在碗内壁方便测试碗内温度[9]。最后蓝牙模块采用HC05型，安装在电路板上，与单片机连接用于将单片机收集的数据通过蓝牙模块发送到手机APP上。