CN208421041U - 一种智能语音万用表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能语音万用表，包括单片机，以及信号调理电路；还包括用于控制万用表各档位接通的切换驱动电路，切换驱动电路包括多个与万用表的各档位一一对应连接的继电器，继电器的控制侧的一端接地，另一端连接至三极管的发射极，三极管的集电极连接至电源正极，三极管的基极连接至串行输入/平行输出芯片的输出端，串行输入/平行输出芯片的输入端连接至单片机的输出端；单片机上还连接有语音识别模块和语音播放模块，语音识别模块用于识别语音指令并输入单片机，语音播放模块用于播报单片机输出的测量结果。本实用新型具有能够自动切换量程，语音操控，语音播报测量结果，具有数据保存与传输等功能的优点。

Description

一种智能语音万用表

技术领域

本实用新型涉及测量仪表技术领域，特别的涉及一种智能语音万用表。

背景技术

万用表是一种带有整流器的、可以测量交、直流电流、电压及电阻等多种电学参量的磁电式仪表。常见的万用表有指针式万用表和数字式万用表。指针式多用表是一表头为核心部件的多功能测量仪表，测量值由表头指针指示读取。数字式万用表的测量值由液晶显示屏直接以数字的形式显示，读取方便，有些还带有语音提示功能。

传统的数字万用表在使用过程需要手动换表笔和量程，数据不能保存，查看不方便，功能单一。其测量结果都是以字符显示方式，通过人们的视觉器官才能得知，使用者必须手眼并用，因而在某些场合，例如，登高作业，仰面或俯身测量、危险或有害场合，使用者往往感到很不方便，特别是在带电检修设备中，注意力必须集中在测试点上，而不便去观测测量结果。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种能够自动切换量程，语音操控，语音播报测量结果的多功能智能语音万用表。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种智能语音万用表，包括具有A/D转换器的单片机，以及根据万用表接通的档位切换测量信号类型和量程的信号调理电路，所述信号调理电路的输出端连接至所述单片机的A/D转换器的输入端；其特征在于，还包括用于控制万用表各档位接通的切换驱动电路，所述切换驱动电路包括多个与万用表的各档位一一对应连接的继电器，所述继电器的控制侧的一端接地，另一端连接至三极管的发射极，所述三极管的集电极连接至电源正极，所述三极管的基极连接至串行输入/平行输出芯片的输出端，所述串行输入/平行输出芯片的输入端连接至所述单片机的输出端；所述单片机上还连接有语音识别模块和语音播放模块，所述语音识别模块用于识别语音指令并输入所述单片机，所述语音播放模块用于播报所述单片机输出的测量结果。

采用上述结构，利用语音识别模块识别出操作者的语音指令，并输入单片机中，单片机能够根据语音指令控制串行输入/平行输出芯片上对应的输出端输出高电平，使三极管的集电极和发射极导通，接通对应的继电器控制侧，从而能够将该继电器接通，控制万用表上的档位接通，并进行测量。比如，操作者语音指令为“测量电阻”，单片机就能够控制电阻测量所对应的档位上的继电器接通。而且，在测量不同信号类型时，还可以利用单片机先接通该信号类型中的最大量程档位，然后再根据初次测量结果与该量程之间的占比关系，自动切换到适合的量程档位上，实现更加精确的测量。这样，利用上述结构，无需操作者对万用表进行调节，就可以实现自动档位和量程的切换，并播报出测量结果。

进一步的，所述信号调理电路包括电压信号调理单元，所述电压信号调理单元包括串联设置在电压信号输入端和地之间的多个分压电阻，任意相邻两个分压电阻之间具有一个电压信号输出端；所述电压信号输入端通过对应的所述继电器连接至表笔；所述电压信号输出端分别通过对应的所述继电器连接至所述单片机的A/D转换器的输入端。

这样，可以通过单片机接通电压信号输入端的继电器和其中一个电压输出端的继电器，就可以实现在不同量程下进行直流电压测量。

进一步的，还包括交流转直流芯片，所述电压信号输出端分别通过对应的所述继电器连接至所述交流转直流芯片的输入端，所述交流转直流芯片的输出端连接至所述单片机的A/D转换器的输入端。

这样，利用交流转直流芯片，就可以通过单片机接通电压信号输入端的继电器和其中一个交流转直流芯片输入端的继电器，就可以实现在不同量程下对交流电压进行测量。

进一步的，所述信号调理电路还包括电流信号调理单元，所述电流信号调理单元包括直接连接至所述单片机的A/D转换器的输入端的第一电流信号输入端，所述第一电流信号输入端通过对应的所述继电器连接至表笔。

这样，就可以通过单片机接通第一电流信号输入端的继电器，完成电流信号的测量。

进一步的，所述电流信号调理单元还包括运放芯片，所述运放芯片的输入端连接有第二电流信号输入端，所述运放芯片的输出端连接至所述单片机的A/D转换器的输入端；所述第二电流信号输入端通过对应的所述继电器连接至表笔。

这样，可以利用运放芯片对电流信号进行放大，提高较小电流信号的测量精度。

进一步的，所述第一电流信号输入端和第二电流信号输入端上均连接有自恢复保险丝。

这样，防止因为接入信号电流过大，而采取的保护措施。

进一步的，所述信号调理电路还包括电阻信号调理单元，所述电阻信号调理单元包括多个并联连接在所述单片机的A/D转换器的输入端的限流电阻，每个所述限流电阻的另一端分别通过对应的所述继电器连接至表笔。

进一步的，所述继电器的控制侧并联设置有续流二极管，所述续流二极管的阴极与对应的所述三极管的发射端相连。

这样，可以避免继电器断电时产生反向电动势对系统产生影响。

进一步的，所述三极管的基极与所述串行输入/平行输出芯片的输出端之间还串联有发光二极管。

这样，可以根据发光二极管显示当前接通的档位。

进一步的，所述单片机上还连接设置有用于显示信息的显示模块和用于进行无线连接的WIFI通讯模块。

综上所述，本实用新型具有能够自动切换量程，语音操控，语音播报测量结果，具有数据保存与传输等功能的优点。

附图说明

图1为本实施例的原理结构示意图。

图2为本实施例的系统电源的结构示意图。

图3为切换驱动电路的结构示意图。

图4为信号调理电路的结构示意图。

图5为本实施例中主程序流程图。

图6为本实施例中万用表模式流程图。

图7为本实施例中工具模式流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施时：系统原理如图1所示，包括单片机1，以及连接在单片机1上的信号调理电路2、切换驱动电路3、语音识别模块4、语音播放模块5、显示模块6和WIFI通讯模块7；本实施例中，电源电路将9V积层电池分别转变成3V、3.3V以及正负5V直流电源分别各模块供电。测量信号首先进入信号调理电路，转化成一定量程的直流有效信号；最后进入HT66F7A单片机的A/D转换器中，完成最终的模数转换。单片机自动判断测量数据的大小，从而控制切换驱动电路，来切换信号的进入电路路径，提供测量的精确度。数据采集进入HT66F7A单片机转换完成后，一方面通过OLED屏幕显示出来，另方面根据语音识别模块传来的命令信息进行相关数据的播放和上传至网络保存。

系统电源供电

本设计中，电源采用9V积层电池供电。电源电压值不同的模块分开供电，减小各个模块工作时相互干扰，增强整个电路的抗干扰能力和系统的稳定性。

如图2所示，电源电路由U0积层电池提供9V的直流电，一路经过LM78L05稳压芯片给切换驱动电路提供5V直流电；一路经过ASM1117稳压芯片给单片机电路、显示模块、WIFI通信模块、语音识别模块、语音播放模块提供3.3V直流电；一路经过LM78L05稳压芯片、ICL7660负电荷泵芯片、TL431可控精密稳压源芯片给信号调理电路提供3V恒压源、正负5V直流电。测量模式下，单片机IO口给G1端高电平使Q2处于饱和状态，Q1的基极电压与地电压相近，Q1处于导通状态；在待机模式下，给G1端低电平使Q2处于截止状态，Q1的基准电压为9V也处于截止状态，信号调理电路部分的电源电压为零，让整个系统处于低功耗状态。根据公式Vout＝(R5+RP1)*2.5/RP1，调整RP1的电阻值校准TL431芯片的输出电压为3V。

硬件部分

本实施例中使用HT66F70A系列单片机，是一款A/D型具有8位高性能精简指令集的Flash单片机。该系列单片机具有一系列功能和特性，其Flash存储器可多次编程的特性给用户提供了极大的方便。存储器方面，还包含了一个RAM数据存储器和一个可用于存储序号、校准数据等非易失性数据的EEPROM存储器。

在模拟特性方面，这款单片机包含一个多通道12位A/D转换器和双比较器功能。还带有多个使用灵活的定时器模块，可提供定时功能、脉冲产生功能及PWM产生功能。内建完整的SPI和I2C功能，为设计者提供了一个易与外部硬件通信的接口。内部看门狗定时器、低电压复位和低电压检测等内部保护特性，外加优秀的抗干扰和ESD保护性能，确保单片机在恶劣的电磁干扰环境下可靠地运行。

这款单片机提供了丰富的HXT、LXT、ERC、HIRC和LIRC振荡器功能选项，且内建完整的系统振荡器，无需外围元器件。其在不同工作模式之间动态切换的能力，为用户提供了一个优化单片机操作和减少功耗的手段。外加时基功能、I/O使用灵活等其它特性，使这款单片机可以广泛应用于各种产品中，例如电子测量仪器、环境监控、手持式测量工具、家庭应用、电子控制工具、马达控制等方面。

切换驱动电路

如图3所示，智能切换驱动电路由两片74HC595串行输入转平行输出芯片和继电器组构成，IC6第9引脚级联输出端连接IC7第14引脚串行数据输入端，单片机通过控制端口SE、SR、RC使Q3至Q12选择性导通，从而控制继电器的闭合断开，完成信号调理电路中采集信号的进入路径切换；LED1至LED10的亮灭提示相应继电器是否闭合断开；D1至D10分别为相应继电器的续流二极管，避免继电器断电时产生反向电动势对系统产生影响。

信号调理电路

如图4所示，信号调理电路由分压电阻列、AD637交流转直流芯片、OP07精密运放芯片组成。电压、电阻、电流信号选择性分别连接到INV1、INZ1、INZ2、INZ3、INI1、INI2，经过相应的分压电阻列，把信号都转化为一定量程的电压信号；OUTV1、OUTV2选择性连接OUTALLV1再接到单片机A/D转换引脚，或连接OUTALLV2经过AD637芯片进行交流转直流的变换再接到单片机A/D转换引脚，以上操作通过单片机控制切换驱动电路达到切换选择的目的；I2连接到OP07芯片进行信号放大，再接到单片机A/D转换引脚；同时不需要转换的信号INZ1、INZ2、INZ3、I1直接接到单片机A/D转换引脚。PTC是自恢复保险丝，防止因为接入信号电流过大，而采取的保护措施。

语音识别模块

LD3220是一款基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片，由ICRoute公司设计生产。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA转换器，麦克风接口、声音输出接口等。该芯片不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品即可实现语音识别/声控/人机对话功能。并且，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。

该芯片具有如下特点：

●通过ICRoute公司特有的快速而稳定的优化算法，完成非特定人语音识别。不需要用户事先训练和录音，识别准确率95％。

●芯片内部已经准备了16位A/D转换器、16位D/A转换器和功放电路，麦克风、立体声耳机和单声道喇叭可以很方便地和芯片管脚连接。立体

●支持并行和串行接口，串行方式可以简化与其他模块的连接。

可设置为休眠状态，而且可以方便地激活。

语音播放模块

WTV020-SD模块是一款可重复擦写语音内容的大容量存储类型的语音模块，可外挂最大容量为1GB的SD卡存储器。能加载WAV格式语音和AD4格式语音。

WTV020-SD模块以WTV020SD-20S语音芯片为主控核心，具有MP3控制模式，按键一对一控制模式，上电循环播放控制模式以及二线串口控制模式。本设计采用的是线串口控制模式：由单片机通过CLK时钟和DI数据线发送数据对WTV020-SD模块进行控制。可随意播放任何一个地址的语音。此状态下，能进行语音组合播放。

OLED显示模块

即有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode)，又称为有机电激光显示(Organic Electroluminesence Display，OELD)。因为具备轻薄、省电等特性，因此从2003年开始，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC与手机，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品。自2007年后，寿命得到很大提高，具备了许多LCD不可比拟的优势。

WiFi通信模块

ESP8266是一款低成本WIFI-MCU通讯/控制模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，可广泛应用于智能家居和物联网网领域，用于将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网控制功能。

该模块支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。

单片机通过uart串口发送AT指令控制该模块工作。

软件部分

系统软件采用模块化设计思想，以主程序为核心设置了多个功能模块子程序，简化了程序设计结构。各模块采用C语言进行编程，运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序来实现整个系统功能。

主程序流程图

系统初始化之后，接入待机模式，在此模式下，液晶只显示时间和环境温度等系统参数，通过相应语音命令接它模式。休眠模式下，各模块断电，单片机进入休眠模式，等待相应的开机命令。在工具模式中，可以查看保存的测量数据，和使用计算器简单的处理相关数据。在万用表模式下，打开信号调理电路的电源，相应的继电器闭合，进入相应的测试模式；在退出这个模式时，笑话调理电路的电源会断开。在调整模式下，可以对系统相应的参数进行调整，如时间，闹钟等。在智能对话模式下，用户可以通过语音，跟其进行简单的“对话”，并且命令其播放mp3、故事等语音片段。

除了休眠模式和调整模式，在其他模式下。均可通过相应的语音命令，控制其播报或传输相应的数据和参数，程序流程如图5所示。

模拟uart程序

由于HT66F70A没有uart外设，本设计采用定时器模拟方式实现，串口使用程序如下：

void get_uart(void){

uint m，count＝0；

if(newRXD＝＝0){//使能上拉电阻后，起始位为0，将其拉低，说明起始位到了

tmpbuf[count++]＝RByte()；//从模拟串口读取数据，存放到tmpbuf数组中

for(m＝0；m<＝count-1；m++)

TWByte(tmpbuf[m])；count＝0；

}//将读取的数据通过串口发送城区

万用表模式流程图

如图6所示，进入万用表模式后，根据语音传来的命令，打开对应模式下的继电器组，程序自动判断此时测量数据的大小，进行档位的切换。当有读数时，使用者，可以通过语音口令，让其做出播报、保存、上传测量数据的操作。当使用者想换测量方式时，也通过语音命令，让其改变测量模式。

工具模式流程图

如图7所示，当系统收到，语音模块发来的打开计算器命令时。程序就会跳进，计算器的一个while循环函数中，直到检测到退出指令后，才能跳出这个函数。当进入计算器函数中后，经过一小段动画，进入计算器界面，数更改位也会闪动。通过语音模块给出的命令，进行计算器的相应操作。

时间设置，闹钟设置流程图跟计算器流程图基本类似。

系统的测试

测试方法与步骤：

1.语音识别模块的功能检测：给系统供电，在供电的时候，看语音指示灯，是否有两下闪动，如果没有，说明语音模块没有运行。在成功初始化后，只要输入的是系统里的相应口令，语音指示灯就会在模块成功识别后闪动一下，如果没有，说明识别错误。

2.语音识别模块的功能检测：给系统供电，在供电的时候，语音模块会首先发出“请输入密码”的语音提示。

3.wifi模块的功能检测：给系统供电，在成功初始化后，给系统输入个上传数据的语音命令，观察wifi指示灯是否闪烁。

4.万用表模式切换功能检测：给系统供电，在成功初始化后，给系统输入个打开万用表的语音命令，当输入不同模式时，对应模式的指示灯便会常亮，直到退出此模式。

测量数据误差计算：

交流电压

直流电压

电流

电阻

基于传统万用表在操作方面的繁琐和容易误操作，本文设计了一种全自动换挡换量程并且具有语音识别，语音播放和wifi传输功能的万用表。使用者只需要通过声音就能，完成该系统的全部操作，免去传统万用表换表笔、量程、及记录数据等繁琐操作，同时给使用者一种全新的语音交互体验。

在电子产品越来越人性化的今天，这样的一种万用表，是大多数用户不二的选择。因此，十分有市场潜力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不以本实用新型为限制，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能语音万用表，包括具有A/D转换器的单片机(1)，以及根据万用表接通的档位切换测量信号类型和量程的信号调理电路(2)，所述信号调理电路(2)的输出端连接至所述单片机(1)的A/D转换器的输入端；其特征在于，还包括用于控制万用表各档位接通的切换驱动电路(3)，所述切换驱动电路(3)包括多个与万用表的各档位一一对应连接的继电器，所述继电器的控制侧的一端接地，另一端连接至三极管的发射极，所述三极管的集电极连接至电源正极，所述三极管的基极连接至串行输入/平行输出芯片的输出端，所述串行输入/平行输出芯片的输入端连接至所述单片机(1)的输出端；所述单片机(1)上还连接有语音识别模块(4)和语音播放模块(5)，所述语音识别模块(4)用于识别语音指令并输入所述单片机(1)，所述语音播放模块(5)用于播报所述单片机(1)输出的测量结果。

2.如权利要求1所述的智能语音万用表，其特征在于，所述信号调理电路(2)包括电压信号调理单元，所述电压信号调理单元包括串联设置在电压信号输入端和地之间的多个分压电阻，任意相邻两个分压电阻之间具有一个电压信号输出端；所述电压信号输入端通过对应的所述继电器连接至表笔；所述电压信号输出端分别通过对应的所述继电器连接至所述单片机(1)的A/D转换器的输入端。

3.如权利要求2所述的智能语音万用表，其特征在于，还包括交流转直流芯片，所述电压信号输出端分别通过对应的所述继电器连接至所述交流转直流芯片的输入端，所述交流转直流芯片的输出端连接至所述单片机(1)的A/D转换器的输入端。

4.如权利要求1所述的智能语音万用表，其特征在于，所述信号调理电路(2)还包括电流信号调理单元，所述电流信号调理单元包括直接连接至所述单片机(1)的A/D转换器的输入端的第一电流信号输入端，所述第一电流信号输入端通过对应的所述继电器连接至表笔。

5.如权利要求4所述的智能语音万用表，其特征在于，所述电流信号调理单元还包括运放芯片，所述运放芯片的输入端连接有第二电流信号输入端，所述运放芯片的输出端连接至所述单片机(1)的A/D转换器的输入端；所述第二电流信号输入端通过对应的所述继电器连接至表笔。

6.如权利要求5所述的智能语音万用表，其特征在于，所述第一电流信号输入端和第二电流信号输入端上均连接有自恢复保险丝。

7.如权利要求1所述的智能语音万用表，其特征在于，所述信号调理电路(2)还包括电阻信号调理单元，所述电阻信号调理单元包括多个并联连接在所述单片机(1)的A/D转换器的输入端的限流电阻，每个所述限流电阻的另一端分别通过对应的所述继电器连接至表笔。

8.如权利要求1所述的智能语音万用表，其特征在于，所述继电器的控制侧并联设置有续流二极管，所述续流二极管的阴极与对应的所述三极管的发射端相连。

9.如权利要求1所述的智能语音万用表，其特征在于，所述三极管的基极与所述串行输入/平行输出芯片的输出端之间还串联有发光二极管。

10.如权利要求1所述的智能语音万用表，其特征在于，所述单片机(1)上还连接设置有用于显示信息的显示模块(6)和用于进行无线连接的WIFI通讯模块(7)。