便携式电子秤的设计毕业设计.docx

毕 业 设 计 正 文 第43页目 录1绪 论12 系统总体设计22.1 系统方案设计22.2 设计方案框图23 硬件部分33.1 方案论证33.1.1 数据传输方案33.1.2 主控芯片选型43.1.3 电机驱动选型63.1.4总体设计方案73.2 系统硬件设计选型73.2.1 wifi模块选型和制作73.2.2 主控芯片选型113.2.3 电机驱动板133.2.4 摄像头及舵机组183.2.5 液晶显示屏193.2.6 照明系统193.2.7 传感器选型194 软件部分204.1 程序设计思路204.2 程序设计框图21结 论22参考文献23致 谢24附件1：原理图25附件2：程控电机驱动板原理图26附件3：程控电机驱动板pcb图27附件4：源程序清单28附件5：作品实物图33哈尔滨职业技术学院印制1 绪 论质量是测量领域中的一个重要参数,称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换物进行计量，以后，又采用简单的秤来测定质量，据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型便携式电子秤的意义，介绍项目研究背景、关键技术等。2 系统总体设计2.1 系统方案设计火场探测小车采用iap15f2k61s2单片机为控制核心，通过wifi与pc机客户端通信。小车上安装摄像头、温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器等，主控芯片采集各个传感器的数据显示在液晶屏上并通过wifi回传给pc机客户端；pc机客户端通过wifi对小车发送指令，当小车接收到相应的指令后，控制电机驱动模块驱动电机及其其他设备。电机驱动模块采用自行设计的程控电机驱动板，这样可以更加方便的对小车进行控制，减轻主控芯片的压力，让主控芯片专注于与pc机客户端的数据传输和处理。2.2 设计方案框图3 硬件部分3.1 方案论证3.1.1 数据传输方案方案一：采用wifi传输方式wifi全称wireless fidelity，又称802.11b/n标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到150mbps。 其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。wifi无线保真技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而wifi的半径则可达300英尺左右约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。最近，由vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前wifi无线网络300英尺，接近100米的通信距离扩大到4英里约6.5公里。目前由于电子元件集成度的提高，wifi模块的成本以大幅降低。方案二：采用蓝牙传输方式蓝牙（ bluetooth ）：是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.42.485ghz的ism波段的uhf无线电波）。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。蓝牙特点参数如下：表3-1 发射功率类别最大功率容量射程范围（m）（mw）（dbm）11002010022.54103101表3-2 数据传输速率版本数据率最大应用吞吐量1.21mbit/s80 kbit/s2.0 + edr3 mbit/s80 kbit/s3.0 + hs24 mbit/s请参考3.0 + hs4.024 mbit/s请参考4.0 le从上表可以看出，蓝牙的通信距离和速率都比较低，但是对于工业应用，蓝牙的成本比较低，适合大批量生产。经过以上方案论证与市场调查，wifi相对于其他无线传输方式具有传输速度快、稳定，且距离上占有很大优势，特别适合大量的数据传输，比如本次设计中要传输视频，另外，在成本上，由于芯片的集成度越来越高，价钱越来越低，wifi的价格已经到了一个大众可以认可的程度。所以本次设计采用wifi作为本次设计的通信方式。3.1.2 主控芯片选型方案一：stc89c52单片机主控stc89c52单片机具有以下标准功能： 8k字节flash，256字节ram， 32 位i/o 口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外52单片机可降至0hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，最高运作频率35mhz，6t/12t可选。目前52单片机已经生产十年之久，很多技术上已经落后于新兴单片机，在程序存储器和数据存储器上，由于当时技术限制和成本原因，这两者的容量都比较小。方案二：iap15f2k61s2单片机主控系列单片机是stc公司生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，采用stc第八代加密技术，解密难度很高，指令代码完全兼容传统8051，但是速度快8-12倍。片内集成高精度r/c时钟，isp编程时可以设置时钟频率，可省掉传统单片机外部时钟电路和复位电路。该系列的单片机还具有很丰富的片上外设，包括：3路cpp/pwm/pca、8路高速10位ad、多个定时器、两个串口、一组高速同步串行通信端口spi等，片上集成61kb程序存储器和2kb数据存储器，可以存储更多的程序和运算单片机运行中的数据，让单片机可以实现更多的功能。该系列单片机采用的是stc-y5超高速cpu内核，在同样的时钟频率下，速度又比早期的1t 系列单片机（stc12系列/stc11系列/stc10系列）快20%。在片上外设方面，iap15f2k61s2单片机集成的多个串口、定时器，和spi接口，并且拥有大容量数据存储器和程序存储器，可以存储更多的程序和运行过程中的数据，并且集成的复位电路和时钟电路，不需要外部昂贵的电路。在价格上，iap15f2k61s2单片机完全可以和stc89c52单片机抗衡。经过以上方案论证与市场调查，15单片机相对于传统的52单片机具有速度快（同样晶振频率下快10倍左右），片上外设更加丰富，内部集成52单片机所需的外围电路，并且拥有容量更大的存储器，可以运行更多功能的程序，在价格上，3元至10元的价格更是可以与传统的52单片机媲美，本芯片抗干扰能力超强，综上所述，本次设计选用功能强大，且价格低廉的iap15f2k61s2单片机。3.1.3 电机驱动选型方案一：l298n电机驱动板设计如图3-1所示是市场上常见的l298n驱动模块，采用st公司原装全新的l298n芯片，采用smt工艺稳定性高，采用高质量铝电解电容，使电路稳定工作。可以直接驱动两路3-35v直流电机，并提供了5v输出接口（输入最低只要6v），可以给5v单片机电路系统供电（低纹波系数）,支持3.3v mcu arm控制，可以方便的控制直流电机速度和方向，也可以控制2相步进电机，5线4相步进电机。图 3-1 l298n电机驱动板方案二：程控电机驱动板设计传统的电机驱动模块需要主控芯片发送脉冲数据进行控制，需要占用单片机的定时器资源或者是用延时，在不加操作系统，单线程运行的话会影响到主控芯片对其他数据的处理，在现在的市场上有一种串行通信的程控电机驱动板，驱动板本身集成微控制器，主控芯片只需要对其发送指令，电机控制部分完全有驱动板本身的微控制器处理和控制。程控电机驱动板主要有以下优点：采用独立的微控制器，减轻主控芯片的压力，使其可以更专注于设计整体的控制；采用串行通信方式，方便控制；电机控制精确；在同样的驱动芯片情况下，实际有用输出功率更大。经过以上几种方案论证、开发难度比较，参考实际应用效果，使用程控电机驱动板具有比传统驱动板开发难度低、控制方便等优点，程控电机驱动板更和适合本次设计。3.1.4总体设计方案综合以上三点方案论证，本次设计采用wifi作为数据传输媒介，以价格低廉、性能优异的iap15f2k61s2单片机为主控芯片，程控电机驱动板为电机驱动模块，配合摄像头及舵机组、电源、液晶显示屏、照明系统等部分设计完成火场探测小车，实现火场探测的功能。3.2 系统硬件设计选型3.2.1 wifi模块选型和制作现在市面上有很多类型的wifi通信模块，比如esp8266、rtl8188、rt5350等等，但是这些wifi模块有很多不尽人意的地方，比如通信速率低、操作繁琐、价格昂贵等等，本次设计并没有选择常见的wifi模块，而是采用路由器改装方式制作wifi模块。路由器本质上是一个嵌入式系统，内部有cpu、ram、rom等等嵌入式系统所必须的硬件条件，搭配wifi通信的射频电路，组成我们常见的路由器，在这个硬件系统中也有软件的支持，就是路由器的操作系统，在这个前提下，我决定采用改装路由器的方式制作wifi模块，让wifi模块更符合本次设计的需求。改装路由器的两个主要步骤：改装系统，改装硬件。（1）改装系统openwrt可以被描述为一个嵌入式的 linux 发行版，（主流路由器固件主要有dd-wrt,tomato,openwrt三类）而不是试图建立一个单一的、静态的系统。openwrt的包管理提供了一个完全可写的文件系统，从应用程序供应商提供的选择和配置，并允许您自定义的设备，以适应任何应用程序。对于开发人员，openwrt 是使用框架来构建应用程序，而无需建立一个完整的固件来支持；对于用户来说，这意味着其拥有完全定制的能力，可以用前所未有的方式使用该设备。openwrt是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性，常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器以及voip设备中。 同时，它还提供了100多个已编译好的软件，而且数量还在不断增加，而 openwrt sdk 更简化了开发软件的工序。openwrt不同于其他许多用于路由器的发行版，它是一个从零开始编写的、功能齐全的、容易修改的路由器操作系统。实际上，这意味着您能够使用您想要的功能而不加进其他的累赘，而支持这些功能工作的linux kernel又远比绝大多数发行版来得新。综上所述，openwrt是完全适合改装路由器。（2）改装硬件出于成本和wifi模块的体积考虑，我选择了价格比较便宜的水星mw151rm150m迷你路由器，但是这款路由器的ram和rom不满足 openwrt系统运行的最低条件，所以需要更换路由器的ram和rom，以适应运行openwrt系统的需要。改装后路由器多了一个usb接口（供摄像头使用）、串口（和单片机通信）。 图3-1路由器主板正面图3-2 路由器主板背面图3-3 改装后的路由器 正面图 3-4 改装后的路由器侧面3.2.2 主控芯片选型3-5 iap15系列单片机官方系统结构图iap15f2k61s2单片机特点1. 主要特性（1） stc-y5cpu：单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；（2）工作频率范围：0-35mhz，相当于普通8051的0420mhz；（3）用户应用程序空间61k字节（4）片上集成2k字节ram；（5）通用i/o口(38/40/44个)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统i/o口)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个i/o口驱动能力均可达到20ma；（6）isp(在系统可编程)/iap(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口(p3.0/p3.1)直接下载用户程序；（7）eeprom功能；（8）内部集成max810专用复位电路（9）外部掉电检测电路:在p4.6口有一个低压门槛比较器，5v单片机为1.32v，（10）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部r/c振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)，用户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c振荡器还是外部晶体/时钟（11）共三个16位定时器：两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器t0和t1，和一个16位定时器t2（12）2个时钟输出口：可由t0的溢出在p3.4/t0输出时钟，可由t1的溢出在p3.5/t1输出时钟;（13）外部中断i/o口7路：传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的pca模块（14）pwm(3路)/pca(可编程计数器阵列,2路) （15）a/d转换： 10位精度adc，共8路，转换速度可达300k/s(每秒钟30万次)（16）iap15f2k61s2系列有双串口2. iap15系列单片机相对于传统51单片机的特点（1） 同样晶振的情况下，速度是普通51的812倍（2） 有8路10位ad（3） 多了一个定时器，带pwm功能（4） 有spi接口（5） 有eeprom（6） 多一个串口（7） io口可以定义，有四种状态3.2.3 电机驱动板1. 驱动板整体设计方案步进电机控制系统共分为三个模块：微控制器核心、l298n驱动模块和电源模块。（1） 单片机采用stc89c52rc单片机。（2） 步进电机驱动芯片选用双h桥电机驱动芯片l298n为电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。（3） 电源部分选择3串12v大容量锂电池和lm2576系列稳压芯片，该模块为整个驱动板提供电源。2. 电机驱动板主控芯片驱动板主要是为了要驱动电机工作和与其他模块通信，所以要选择一款方便设计驱动板的芯片，该芯片应当具备成本低、可靠性强、具有pwm或者定时器功能、具有一定的通信接口，在这个前提下我选择了stc89c52rc这款经典的单片机，该单片机具有定时器及串口等我们需要的片上外设。3. l298n电机驱动芯片特点l298n是st公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46v；输出电流大，瞬间峰值电流可达3a，持续工作电流为2a；额定功率25w。内含两个h桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。图3-6 l298n实物图图3-7 l298n应用电路图4. 驱动板电源设计(小车电源也由本部分提供）电池：锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：li+mno2=limno2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。本次设计选用自制的锂电池，采用三洋3.7v5000ma电芯配合锂电池专用保护板组成三串12v锂电池组，为整个系统提供电能。稳压电路设计：由于本次设计中用到的模块比较多，并且本次设计中用到了路由器，路由器是需要一个非常稳定的电压才能正常工作，所以在供电和稳压电路选型和设计上需要采用大电流、稳压性能好的稳压电路，本次设计中，我采用了美国国家半导体公司生产的lm2576系列稳压集成电路。lm2576系列是具有3a电流输出能力的降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52khz)和基准稳压器(1.23v)，并具 有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。这正适合本次设计，所以本次设计采用lm2576系列稳压集成电路。本次设计用到了12v电源和5v电源，由于锂电池就是12v的，所以只需要一路5v稳压电路就足够了，具体电路图如图3-12所示：图3-10 lm2576-5.0应用电路5. pcb制作本次设计采用altium designer 15设计驱动板，由于电机驱动工作需要大电流，需要对布线进行适当的加宽；电机驱动板在工作的过程中会有高电压产生，所以应该注意保护电路；由于驱动板需要与主控芯片进行通信，所以在通信部分线路布线的时候应该注意数据线之间的干扰。pcb设计过程：3.2.4 摄像头及舵机组1. usb摄像头本次设计视频采集部分采用usb摄像头，usb摄像头采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另外两根线为电源线，通信速率可以达到12mbps，可以更加快速的传输视频，并且驱动程序比较成熟，对本次设计中的视频采集十分有利。2. 舵机组舵机内部采用直流减速电机，依据物理学原理，具有减速齿轮的电机更有力量，且可以精确的控制转角，对于组成可以带动摄像头在空间内定向的活动十分方便。所以本次设计采用舵机构成多机组舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的无极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。在火灾现场，摄像头应该能观察到各个方向，所以设计小车的时候应该让摄像头可以向空间任意方向转动，所以本次设计采用两个舵机组成可以在水平方向和垂直方向活动的舵机组。3.2.5 液晶显示屏现在市场上有很多液晶模块，lcd12864为常用的液晶，主要有以下特点：具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体、中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ascii 字符集.该模块接口方式灵活、指令简单，可构成全中文人机交互图形界面。应用于本次设计比较适合。3.2.6 照明系统由于小车工作在恶劣条件下，可能没有光照，所以在小车上安装了led灯，在没有光照的情况下或者是光照强度较弱的情况下可以帮助摄像头采集火灾现场的图像。照明的器件选用led冷光灯，led亮度高，功耗低，适合完成在恶劣环境下工作：控制led采用继电器，这样做的目的是为了给led提供一个较大的电流。3.2.7 传感器选型由于火场环境复杂多变，所以需要实时了解火场的环境的各种参数，比如温度、火焰强度、烟雾浓度等等，这样可以给人们提供一个参考，更快的扑灭火灾，最大程度上保护人们的生命财产安全。温度传感器采用数字温度传感器ds18b20，火焰传感器采用多火焰波长敏感的光电三极管，烟雾传感器采用mq2气体传感器。4 软件部分4.1 程序设计思路如果说硬件是人的躯体，那么软件就是这个人的灵魂，没有软件驱动的硬件，是不能工作的。本次设计采用c语言来进行程序设计，c语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。本次设计用到的模块比较多，对单片机的资源整合和利用有一个不小的难度。在编程方面采用模块化编程，这样可以使程序各个模块分开进行调试，让程序更加直观明了；在单片机的资源利用上，充分整合单片机资源，利用中断、定时器等等降低cpu的负担，提高系统的效率，降低代码的复杂度，提高了系统的可靠性。在程序的编写中，首先编写了电机驱动板的固件程序，编写固件的时候，利用的定时器使单片机能输出指定占空比的方波信号，用以调整电机的速度，通过串口进行数据的首发；然后编写了主控芯片的程序，主控芯片是负责协调各个模块工作的重中之重，所以对其编写的程序要考虑时效性和可靠性，第一步先编写和驱动板通信的驱动程序和驱动板固件库程序，这样可以优先对控制电机，提高系统的可靠性，在此基础上编写与wifi的通信程序，在编写这部分程序的时候，需要编写一个完整的打包和拆包的协议，因为wifi发送和接收数据都是以包的形式发送和接收的，最后编写传感器和其他模块的驱动程序，通过使用定时器、外部中断等，将各部分程序以较高的时效性和可靠性整合在一起，完成整个小车程序的编写。程序先对各个模块初始化，比如wifi、lcd12864、ds18b20、ad、定时器和串口等，对其初始化完毕之后，不断采集传感器数据通过wifi发送到pc机，同时等待pc机发送来的指令，如果接收到指令，就对指令进行分许，最终得到指令要实现的功能并通过一定的代码实现其功能，就这样实现了整个设计的软件设计。4.2 程序设计框图开始液晶屏初始化等待wifi启动完成串口初始化定时器初始化显示初始化是否接收到pc机发来的数据？是处理数据传感器数据采集、发送结束结 论本次设计基于wifi的火场探测小车，经过反复调试，反复改动，最后能够按照设计任务中的要求实现各个功能。在整个设计过程中，从查资料、整理资料、到电路的设计以及电路的调试，都通过了方案优缺点的比较，从而确定最后的设计方案。本系统的设计主要以iap15f2k61s2为控制核心，实现了对各个模块信号的采集和控制，包括wifi模块，程控电机驱动模块，传感器等。本设计从总体上说，设计要求基本达到，能够通过pc机遥控、能采集视频数据、能采集环境参数并回传给pc机，但是在细节上仍然不够。本次设计还让我有了很多的体会，就是凡事动手，不懂就要查，再不懂就问人，这样就一定能弄懂，世上无难事只怕有心人。在制作作品后期，遇到了很多问题，这些问题，通过与导师同学的交流，大部分都解决完了，而且还使得我明白了我最初设计时的很多不足之处。相信在今后的设计中，一定会在设计时，想得更好更完善。参考文献1袁涛.单片机原理及其应用，清华大学出版社.2012-03-012牟琦.微机原理与借口技术.清华大学出版社 .2013-06-01 3温冬婵. 汇编语言程序设计.清华大学出版社.20144马忠梅.单片机的c语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社.2013-01-015杨帮文. 新型继电器实用手册.北京人民邮电出版社.20126 王长涛. 单片机原理及应用c语言程序设计与实现. 人民邮电出版社.2014-01-017李刚.传感器及其接口应用电路.北京:电子工业出版社.2015-01-018聂辉海.传感器技术及应用.电子工业出版社.2012-07-01致 谢毕业设计已经接近尾声，通过这么长一段时间的，看书、查资料、整理资料，使我对自己的毕设课题，有了更加清楚的认识和思路。通过查资料以及对所学知识的在整合、应用，我最终顺利完成了本次毕业设计。在设计过程中，遇到了很多困难，也了解到由于自己以前一些专业知识的不牢固，对本次设计造成的影响有多大。所以，在此我对李晓媛老师表示忠心感谢。同时还要感谢那些在我做毕业设计和毕业论文时帮助过我的老师和同学们，是他们在我论文写作时给了我很多的建议和意见。在他们的帮助下，才使得我的设计和论文能够顺利完成。最后，再次感谢李晓媛老师，以及大学期间教授我知识的所有老师，是你们的悉心教导使我掌握了良好的专业课知识，是你们一丝不苟的作风，严谨求实的态度，使我深受感染。让我在未来的工作岗位上充满信心。谢谢你们！附件1：原理图附件2：程控电机驱动板原理图附件3：程控电机驱动板pcb图附件4：源程序清单#include#include#include#include#include#include#include#include#include#includeextern uchar b;extern uchar wifi5;extern uchar dj_1zj,dj_2zj;sbit led=p45;uchar bt1=基于wifi的探测车;uchar bt2= 张慧杰 24号;uchar dl=电量：;uchar wd=温度：;uchar hy=火焰：;uchar yw=烟雾：;uchar ts1=wifi启动中;uchar ts2=请稍后！;uchar cgq_sj4; /电量 温度 火焰 烟雾#define adc_power 0x80#define adc_flag 0x10#define adc_start 0x08#define adc_speed 0x60#define yanwu 0x02#define huoyan 0x03void init_xs()uchar i;lcdpos(0,0);i=0;while(bt1i!=