智能地磅系统设计与实现

河北理工大学信息学院 摘要 1绪论1.1研究背景和目的随着社会运输业的快速发展，对车辆实时监控和精确称重的需求日益增加。传统地磅作为车辆重量检测的主要设备，存在诸多不足，例如依赖人工操作效率低下、手动录入数据易出错、系统普遍探简陋无法远程控制等问题。为解决这些痛点，迫切需要通过智能化改造，设计一种高度自动化、信息化的新型地磅系统，以提高工作效率，降低人工成本。本文设计的基于单片机的智能地磅控制系统，能够自动识别车辆、无人值守称重、数据无线传输、手机远程控制等，精度高、使用方便、成本较低，可有效解决传统地磅的种种弊端，具有重要的现实意义和应用价值。该系统在物流运输、工厂仓储、超限超载检测、货车收费站等领域都有广阔的推广前景[1]。智能地磅系统的设计和实现旨在解决传统地磅系统存在的主要问题,提高称重的准确性、效率和自动化水平。具体来说,该系统的主要目的包括:1.自动识别和跟踪物体通过计算机视觉和图像处理技术,能够自动识别和跟踪需要称重的物体,避免人工操作的低效和失误[2]。2.精准称重和数据采集利用高精度的传感器和称重芯片,实现对物体的精准称重,并自动采集和存储相关数据,减少人为误差[3]。3.智能化数据管理和分析将采集到的数据进行智能化管理和分析,为企业的决策提供数据支持,实现物流运输和生产的精细化管理[4]。4.系统集成和自动控制将称重系统与生产线、物流系统等相关设备无缝集成,实现自动控制,提高整个系统的运行效率[5]。通过智能地磅系统的设计和实现,可以显著提升称重的准确性和效率,优化企业的生产运营流程,降低人力和物力成本,促进企业的可持续发展。因此,该项目不仅具有重要的理论价值,也有广阔的应用前景[6]。1.2国内外发展现状在国内,智能地磅系统的研究主要集中在以下几个方面:1.传感器和称重技术许多学者专注于研究新型高精度称重传感器和称重芯片,以提高称重的准确性。如清华大学的研究团队开发了基于电磁力的高精度称重传感器,能够有效克服传统传感器的非线性、温漂等问题。2.计算机视觉和图像处理自动识别和跟踪物体是智能地磅系统的关键技术之一。国内多所高校和研究机构在计算机视觉和图像处理算法方面进行了大量研究,如华中科技大学提出了一种基于深度学习的车辆检测和跟踪算法,能够准确识别和跟踪车辆[7]。3.数据管理和分析许多企业和研究机构专注于智能化的数据管理和分析,以挖掘称重数据的潜在价值。例如,浙江大学提出了一种基于大数据分析的物流优化算法,可以有效优化物流路线和降低运输成本[8]。4.系统集成和自动控制一些企业和研究机构着力于将智能地磅系统与生产线、物流系统等其他设备进行无缝集成,实现自动控制和优化整体运行效率。如上海交通大学与某重型机械企业合作,开发了一套基于智能地磅系统的自动化生产线控制系统。总的来说,国内在智能地磅系统的各个环节都有许多创新性的研究成果,但大多数研究仍处于理论探索或小规模应用阶段,与实际生产需求还存在一定差距,需要进一步深入研究和产业化推广[9]。在国外,智能地磅系统的研究相对领先,主要集中在以下几个方面:1.高精度传感器和芯片国外一些科技公司在高精度传感器和芯片方面已经取得突破性进展。如美国MettlerToledo公司开发的高精度称重传感器,能够实现0.1克的分辨率,在航空航天、制药等领域得到广泛应用[10]。2.计算机视觉和人工智能算法国外学术界和科技公司在计算机视觉和人工智能算法方面处于领先地位。例如,谷歌公司的视觉AI系统能够以极高的准确率识别和跟踪各种物体,可以为智能地磅系统提供强大的技术支持[11]。3.大数据分析和云计算诸如亚马逊、微软等科技巨头在大数据分析和云计算方面拥有丰富的经验和技术储备,可以为智能地磅系统的数据管理和分析提供强大的支持[12]。4.工业4.0和智能制造欧美等发达国家正大力推进工业4.0和智能制造,智能地磅系统作为其中的重要组成部分,受到高度重视。如德国西门子公司推出了一系列智能工厂解决方案,其中包括智能称重系统[13]。总的来说,国外在智能地磅系统的各个环节都处于领先地位,不仅在理论研究方面取得重要进展,而且在实际应用和产业化方面也走在前列。但与此同时,国外对于智能地磅系统的需求也更加迫切,因此这一领域的研究和竞争也将日趋白热化。综上所述,智能地磅系统作为新兴的交叉学科,其研究和应用前景广阔,吸引了国内外众多学者和企业的关注。但与此同时,这一领域也面临着诸多挑战,需要进一步深入研究和创新,才能真正实现智能化、自动化的称重,为企业的高效运营提供有力支持。1.3研究内容本文设计了一种基于STM32F103C8T6单片机的智能地磅控制系统。该系统集成了OLED显示模块、RFID读卡模块、称重传感器模块、红外检测模块、语音播报模块、4G通信模块、存储模块、舵机执行模块等多个功能单元，实现了车辆信息录入、自动精准称重、数据存储、系统提示语音播报、OLED显示数据、4G远程无线控制等智能化功能，大幅提高了称重作业的自动化和信息化水平。在硬件设计方面，通过对各功能模块的电路原理分析，确定关键器件选型并完成电路连接，构建出能够稳定运行的控制系统硬件平台；在软件设计方面，基于Keil4集成开发环境，编写STM32单片机的控制程序，实现对硬件各模块的初始化和功能调用，确保整个系统能够协同高效运行。通过硬件和软件的双重设计，成功研发出具有创新性和实用价值的智能地磅控制系统。2功能与设计方案毕业设计2功能与设计方案2.1系统的功能要求车辆识别功能：能够自动识别进入的车辆信息，包括车牌号、车型、所属单位等，方便后续数据处理和存储查询。自动称重功能：能够自动启动称重程序，获取精确的车辆重量数据，无需人工操作。数据存储功能：能够将每次称重的数据、时间、车辆信息等记录存储，形成完整的计重记录，便于查询统计分析。远程控制功能：支持无线数据通讯，用户可通过手机APP、平板或PC等终端设备远程监控系统运行状态，发送控制指令。人机交互功能：具备语音播报、显示屏提示等功能，方便用户了解系统运行状态和处理结果。执行控制功能：能够根据状态变化自动控制执行机构如舵机、大门等，实现对物理系统的控制。2.2系统设计方案本系统的设计方案如图2.1所示，为实现上述功能需求，本文提出了基于STM32F103C8T6单片机的系统设计方案。该方案采用模块化的集成设计思路，利用主控单片机与多个功能模块电路互连，组建高度集成的智能控制系统。具体包括：单片机主控模块：选用性价比高、资源丰富的STM32F103C8T6作为系统主控芯片，负责对外部多个模块进行初始化并协调它们的工作。显示模块：配备OLED显示屏，用于显示系统状态、车辆信息、称重数据等。RFID识别模块：使用RC522无线射频识别芯片，自动读取车辆RFID标签中存储的车辆ID信息。称重检测模块：利用HX711传感器放大芯片与应变式传感器配合，组成高精度电子地磅，检测车辆实时重量数据。红外检测模块：利用红外对管原理，精准检测车辆的进出状态，控制舵机大门的开闭时机。语音播报模块：集成SU-03T语音合成芯片，可播报各种系统状态、操作提示音等语音信息。数据存储模块：使用AT24C02串行EEPROM存储器，记录每次称重的详细数据。通讯模块：选用工业级性能卓越的Air724UG4G通信模块，与云端服务器实现数据传输和远程控制。执行模块：利用舵机控制大门开闭，方便车辆进出称重区。通过这种高度模块化和系统集成的方案设计，最终构建出一套功能完备、性能可靠的智能地磅控制硬件平台。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择方案一：STC89C52是传统的51单片机系列产品，由于采用8位Harvard架构的设计，资源匮乏，只有少量的8KB代码存储空间和256字节数据存储空间，指令系统也相对简单。受限于硬件条件，89C52的运算能力、处理速度均较为有限，存在明显的性能瓶颈。同时，该系列产品的发展几乎已停滞，配套的软硬件生态系统日益陈旧，缺乏有力的技术支持和持续更新。因此，对于复杂的智能系统而言，89C52芯片的资源和性能已经无法满足设计要求，这使其在未来的产品开发和升级中将面临诸多限制，缺乏良好的可扩展性和兼容性。编程开发方面，89C52的汇编指令较为繁琐、编程难度较大，对工程师的专业能力要求较高，给产品的二次开发带来诸多不便。所以从技术层面来看，继续沿用89C52这种落后的芯片方案并不可取[14]。方案二：STM32F103C8T6属于ARMCortex-M3内核的32位RISC处理器系列，具有较先进的指令集架构和运算速度，体现了嵌入式芯片设计的新潮流。相较于89C52，STM32拥有多项突出的性能优势：采用32位数据路径，数据处理能力提升4倍，主频更高达72MHz。具备512KB的较大存储空间，单片机资源更加充足。软硬件生态系统十分成熟，软件调试、外设驱动等工具支持完备。拥有丰富的外设资源，如USB、CAN、IIC、SPI等通信接口。指令架构优化，运行时的功耗较低，代码密度也大幅提升。ARM的开放指令集架构、规范的体系结构和编程模型有利于软硬件移植。芯片厂商ST不断推出产品升级换代，有利于系统的长期稳定发展。这些先进的设计使得STM32F103C8T6能够完全匹配智能地磅系统的各项硬件要求，处理能力和扩展空间都远超传统51系列。在软件开发方面，其编程环境与主流的PC端操作系统更加贴近，工具链较为完善、调试较为便捷，有利于提高工程效率。此外ARM生态系统的广泛应用，为人才储备和二次开发提供了有利条件。因此，从性能、功能、可靠性、可扩展性等多方面考虑，本设计最终选择STM32F103C8T6作为智能地磅系统的核心控制单元。这一方案不仅满足了当前的设计需求，而且为后续产品的迭代升级预留了足够的空间，具有非常高的价值[15]。2.3.2显示模块的选择方案一：OLED（有机发光二极管）显示模块凭借自发光、高对比度、无视角问题、响应速度快、省电等诸多优点，非常适合嵌入式应用场景。OLED显示原理是利用有机材料在通电后会发光的电致发光现象，每个发光二极管像素都由阳极和阴极组成，两者之间填充有有机发光材料。当给有机材料通电后，由阴极注入的电子和阳极注入的空穴在有机材料内复合，使材料发光[16]。OLED模块具有自发光特性，因此无需昂贵的背光源，结构紧凑且无浪费能量，从而功耗较低。同时视角范围可达180度，无论从任何角度观看显示效果都不会变差。快速的响应速度也使OLED尤其适合显示动态内容，而且对比度高，图像显示效果细腻性更好。此外，OLED模块采用简单的IIC/SPI接口与MCU相连，编程接口标准统一，开发过程中只需遵循通信协议即可轻松驱动。与液晶显示器相比，OLED模块在尺寸、重量、响应速度、对比度、视角、功耗等多个关键指标上具有明显的优势。考虑到智能地磅系统对显示模块的各项要求，OLED显示模块无疑是最合适的选择[17]。方案二：LCD1602液晶显示器虽然在早期的单片机系统中运用广泛，但已显示出一些不足。首先，LCD1602的显示区域受限，只有2行16列的小尺寸，画面信息有限；其次存在一定视角限制问题，观看效果会随角度变化而变差；再者LCD反应较慢，无法完美显示动态内容；最后由于需要背光源，功耗较高。这些缺陷使得LCD1602已无法完全满足现代嵌入式系统对显示性能的要求，相比之下OLED模块则具有诸多优势。因此，本设计方案选择OLED作为显示模块。2.3.3通信模块的选择方案一：ESP8266是目前应用最广泛的WIFI模块之一，其最大优势在于成本低廉、编程简单。ESP8266内置完整的TCP/IP协议栈，用户只需调用简单的指令集即可与互联网服务器进行数据交互，无需在MCU中编写复杂的网络通信程序。但需要注意的是，ESP8266作为WIFI通讯模块，必然对网络环境有一定要求，在信号较差或无法连接网络的环境下就无法正常工作，应用场景会受到局限。此外，WIFI本身的功耗就较高，长期运行会加重系统能耗。最后，WIFI虽然可以覆盖范围较广，但毕竟还是局域网通信，跨网段或远距离通讯的能力依然有限[18]。方案二：Air724UG是工业级4G通讯模块，采用LTECAT1芯片方案，相比WIFI模块具有多方面的优越性：支持全网通，可在中国大陆、香港、澳门以及世界各地使用，不受地理位置限制。工作于4G/3G/2G公网，无需连接路由器，wherever提供数据通信服务即可使用。内置TCPIP协议栈，支持多种应用层协议，且具备网络服务器功能。数据传输速率高达10Mbps（下行）和5Mbps（上行），足以满足物联网数据传输需求。模块功耗极低，供电方式简单，抗干扰强劲，适用于各种环境。无需编写复杂的网络通讯程序，只需通过标准AT指令即可配置和控制。支持多路数据通道，可与云端服务器、手机终端等进行连接。这些卓越的性能使得Air724UG模块非常适合远程无线监控、物联网数据采集等应用场景。相较于WIFI模块，4G模块在信号覆盖范围、网络适应性、数据传输速率等方面都具备很大优势。因此，为确保智能地磅系统具备远距离无线通讯和控制的能力，提高系统的适用范围和灵活性，本设计方案选择Air724UG4G模块作为通讯单元。虽然成本上略高于WIFI模块，但通信性能的提升是非常值得的[19]。毕业设计4系统的软件设计PAGE23 3系统的硬件设计3.1STM32F103单片机如图3.1所示，STM32F103C8T6单片机基于ARMCortex-M3内核，具备强大的处理能力和丰富的外设资源。其高速主频、大容量存储空间和多样化的通信接口，使其成为本系统的理想选择。STM32F103C8T6资源丰富，能够快速响应多任务处理，支持复杂的算法实现。其低功耗特性确保了系统长时间稳定运行，而其广泛的生态系统提供了丰富的库函数和驱动支持，便于快速开发。STM32F103C8T6作为核心控制单元，通过GPIO引脚与其他硬件模块进行连接，实现对各模块的初始化和功能调用。该芯片最高主频可达72MHz，搭载512KB闪存和64KBSRAM，拥有丰富的通信接口（包括3个USART、2个I2C、3个SPI、2个CAN、USBOTG等）和模拟数字转换电路、定时器等资源，因此资源储备非常雄厚，处理能力出众。芯片背后的设计思想是，通过内核的指令简化和流水线技术来实现高性能和低功耗，同时兼容ARM7内核指令集，使开发变得更加高效。芯片工作时，需要对各个内部外设模块进行初始化设置。首先进入系统复位状态，然后利用状态机切换到不同模式来执行配置，对存储器、总线、时钟、中断向量等资源进行分配和规划。配置完成后，MCU根据编写的程序代码在主循环中调用不同的功能函数实现具体任务，如控制OLED显示、与RFID模块数据交互、获取重力传感器数据等。由于该芯片资源丰富且架构先进，因此具备很强的数据处理和控制能力，能够高效驱动其他多个外围模块协同工作[20]。图3.1STM32F103单片机接线情况3.2OLED模块OLED显示模块具有自发光、高对比度、无视角限制等优点，适合嵌入式应用场景。它能够为用户提供清晰、直观的界面显示。OLED模块功耗低，响应速度快，尤其适合显示动态内容。与LCD相比，OLED无需背光源，节省了系统能耗。OLED模块通过SPI接口与STM32单片机相连，实现数据的高速传输和显示内容的实时更新。OLED显示模块可以看作由有机材料制成的无源发光二极管阵列组成的平板显示器件，与LCD液晶显示屏不同，OLED显示原理是利用有机材料在通电后会自身发光的电致发光现象。这使得OLED模块具有自发光、响应速度快、对比度高、无视角问题等诸多优势，非常适合用于智能设备显示界面。本系统中的OLED显示模块采用4线SPI接口与STM32单片机相连。它的工作原理是：首先单片机通过SPI总线向OLED驱动芯片（如SSD1306）写入显示数据，驱动芯片再解码这些数据，控制OLED面板上大量发光二极管有序点亮，形成所需的文字、图标等画面。OLED模块尺寸一般只有几平方厘米，非常贴合嵌入式设备的紧凑布局要求。与液晶显示器相比，它无需贵重的背光源，功耗更低；并且响应速度快，动态显示效果出色；视角范围可达180度，几乎无角度遮挡。同时编程接口简单，只需遵循SPI标准协议即可轻松驱动。这些特性决定了OLED是智能地磅系统中理想的显示硬件解决方案。图3.2OLED模块实际接线图3.3Air724UG模块Air724UG模块支持全网通，不受地理位置限制，能够确保数据的可靠传输和远程控制。模块内置TCP/IP协议栈，支持多种应用层协议，且具备网络服务器功能。其高速数据传输速率和优异的网络适应性，满足了物联网数据传输的需求。Air724UG通过UART接口与STM32单片机进行连接，实现数据的无线传输和远程监控。Air724UG是工业级4G通信模块，集成了GPRS/EDGE/WCDMA/TD-SCDMA/TD-LTE等多种无线通信技术，支持全网通，可在中国大陆、香港、澳门以及海外国家和地区使用。模块硬件采用LTECAT1芯片方案，最高下载速率可达10Mbps，上传速率5Mbps，足以满足物联网数据传输需求。该模块内置TCPIP协议栈和网络服务器功能，只需通过标准AT指令即可进行配置和数据收发，对MCU侧的编程要求很低。同时模块支持多路数据通道，既能与云端服务器进行数据交互，也可以直接与手机或其他终端设备通讯。在智能地磅系统中，4G模块将会与服务器实现云端数据上传、远程控制等通信功能。模块的工作过程通过串口将模块设置为工作模式，然后注册网络，建立与目标服务器的连接。之后单片机将需要上传的数据通过串口发送给模块，模块将数据打包后通过4G网络发送出去。同理，如果服务器有控制指令下发，模块也会将数据转发给单片机。除了传输数据，模块还能获取网络信号强度、消费流量等状态信息。图3.3Air724UG模块实际接线图3.4SU-03T模块本系统选择SU-03T模块作为智能地磅系统的语音交互组件，主要基于其多功能的集成性和使用的便捷性。SU-03T不仅支持多种语言的语音播放，还具备语音合成、语音识别及MP3解码等强大功能，这极大地丰富了地磅系统的用户交互方式。该模块通过简单的串口连接即可与单片机实现通信，便于系统的集成和维护。在设计中，我们利用SU-03T的语音合成功能，通过单片机发送特定的语音编号指令，来驱动模块播放相应的语音内容。这种设计方式使得系统能够根据不同的操作状态和用户需求，实时播报相关的提示信息，如“车辆已识别”、“正在称重”等，从而为用户提供了一个直观且友好的语音交互体验。SU-03T模块的录音功能也为系统提供了更多的灵活性。在需要时，系统可以录制并存储用户的语音指令，为后续的语音识别和处理提供数据支持。总的来说，SU-03T模块在智能地磅系统中的应用，不仅提升了系统的交互性和用户体验，还通过其多功能的集成，简化了系统设计，提高了系统的整体性能和可靠性。同时，该模块的易用性和灵活性也使得系统能够更好地满足不同用户的需求，进一步提升了产品的人性化水平。特别是对于视力障碍人士，语音交互功能提供了极大的便利，使得他们也能轻松使用智能地磅系统。图3.4SU-03T模块实际接线图3.5红外对管模块在智能地磅系统中，为了实现非接触式的车辆检测，我们选择了红外对管模块。该模块利用红外线的遮挡与否来判断车辆的存在，具有反应速度快、安装简便、成本低廉等优点。当车辆经过时，会遮挡红外线，从而触发接收管的信号变化。这种设计不仅解决了传统机械式传感器易磨损、维护成本高的问题，还提高了检测的准确性和可靠性。 具体设计中，红外对管模块被安装在车辆入口和出口处，通过简单的电路连接至控制系统。发射管和接收管分别接线至电源和信号采集电路，实现了对车辆驶入和驶离状态的实时监控。红外对管又称光电对管或检波器，是一种常见的光电开关元件，主要由一个发射管和一个接收管组成。发射管发射出的红外线，在没有遮挡时会直接进入接收管；但如果有障碍物遮挡，则接收管接收不到反射的红外线。基于这种"有无遮挡"的工作原理，红外对管可以被用于检测目标物体的位置或运动状态。在智能地磅系统中，安装了两个红外对管模块，分别位于车辆入口和出口处，用于检测车辆驶入和驶离的时机。当第一个对管的红外通路被遮挡时，判定车辆已经驶入称重区，此时触发系统控制舵机打开大门，同时启动称重程序；当第二个对管的红外通路被遮挡时，即可判定车辆已全部驶出称重区，随即关闭舵机大门，并上传最终的称重结果数据。对于此类光电式检测任务，红外对管具有结构简单、无需外部供电、检测距离远、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用于工业自动化控制领域，是智能地磅系统识别车辆位置状态的理想硬件选择。图3.5红外对管模块实际接线图3.6HX711模块为了实现高精度的重量测量，我们选择了HX711模块。这款24位模数转换芯片专为高精度电子秤设计，其内置的Σ-Δ模数转换器和数字处理功能，能够确保称重数据的准确性和稳定性。与传统的称重传感器相比，HX711无需外部A/D转换器，简化了电路设计，同时提高了系统的抗干扰能力。在连接方面，HX711通过简单的接口与STM32单片机相连，实现了数据的快速传输和处理。此外，其内置的增益放大电路可根据传感器的输出电平进行自动调整，进一步提高了称重的灵敏度和精度。HX711是一款专为电子秤设计的24位模数转换芯片。它内置编程逻辑电路，可直接与电阻应变式传感器并联工作，自动管理芯片收发和数据处理的全过程，HX711无需通过外部A/D转换器或其他芯片辅助，即可获得高精度的称重数据输出。芯片内部集成了24位Σ-Δ模数转换器、放大器、内部振荡器等关键电路。工作时，应变传感器检测到载重物的重量变化会导致其电阻值微小改变，HX711将这一微小的模拟量放大后送入Σ-Δ调制器，进行数字滤波、放大、去毛刺等数字处理，最终输出高精度的24位数字重量数据。HX711通过并行双向数据接口与STM32单片机连接，支持免掉滤波和计算等步骤，直接获取经过数字处理的净重数据，简化了称重系统的设计。此外，HX711内置两路编程增益放大电路，可根据应变传感器输出电平的不同选择合适的增益放大倍数，提高称重灵敏度。采用HX711芯片不仅极大地提高了称重精确度和抗干扰能力，同时也减小了硬件电路设计复杂度，只需将其与应变式传感器合理布线，即可组建高性能的电子地磅。因此，HX711是智能地磅称重系统中理想的硬件解决方案。图3.6HX711模块实际接线图3.7RFID模块为了实现车辆的自动识别和信息管理，我们采用了RC522RFID模块。该模块基于无线射频识别技术，能够在短距离内快速读取RFID标签中的信息，从而实现了对车辆的自动识别和跟踪。这不仅提高了车辆通行的效率，还避免了人工输入信息的错误和繁琐。RC522模块与单片机通过串行接口相连，实现了数据的快速交换。当车辆经过时，RFID读写器会激活车辆上的RFID标签，并读取其中的信息。这些信息随后被传输到单片机中进行处理，实现了对车辆的自动识别和管理。RC522是一款低功耗、短距离的无线射频识别芯片，采用了非接触式的MIFARE@PICC卡高频无线射频识别技术，工作频率为13.56MHz。通过无线电磁感应原理，RC522芯片可以对距离几厘米的RFID标签卡进行读写操作，从而实现对目标物品的自动识别。RFID系统的基本组成包括读写器、天线电路和电子标签（射频卡）三部分。天线电路负责发射无线信号和传递芯片数据，读写器负责控制整个读写过程并与外部通信，而标签卡则是存储信息的载体。在智能地磅系统中，RC522模块将作为RFID读写器，与单片机连接后可实现自动识别车辆编号、类型等信息。通过RC522发出无线信号激活车辆上的RFID标签，RFID标签接收到信号后将自身固有的ID号或其他存储信息无线回传给RC522。单片机再与RC522进行数据交互，获取到车辆的身份识别号码，并存入数据库备用。当该车辆需要称重时，直接核查之前的RFID识别结果，即可获知车辆信息，省去了人工输入的麻烦，提高了工作效率。图3.6RFID模块实际接线图3.8舵机模块为了实现地磅系统的自动化操作，我们选择了舵机模块作为执行机构。舵机能够根据控制信号精确地旋转到指定角度，从而实现了对通道大门的自动控制。与传统的机械式开关相比，舵机具有响应速度快、定位精确、使用寿命长等优点。舵机通过PWM信号与单片机相连。当红外对管检测到车辆驶入或驶离时，单片机会发出相应的PWM信号来控制舵机的旋转角度。这种设计不仅实现了大门的自动开闭功能，还提高了系统的智能化水平和工作效率。同时，舵机的安装和维护也相对简便，进一步降低了系统的运营成本。舵机是一种位置控制伺服系统，能够根据控制信号精准地旋转到指定角度。它可以看作由直流电机、减速器、控制电路和传感反馈装置组成的一体化执行机构。通常采用脉冲宽度调制（PWM）信号进行角度控制，脉冲时间的长短代表了需要旋转到的角度大小，舵机内部电路对脉冲宽度解码后精确调整输出轴的角度。在智能地磅系统中，安装了舵机模块用于控制通道大门的开闭，以实现无人值守自动称重。具体连接方式为：单片机的PWM输出引脚与舵机信号线相连，根据编写的程序代码动态改变脉冲宽度，即可控制舵机转向。同时，单片机的另一个IO口连接舵机的地线，接地和供电完成。舵机的工作过程是：当红外对管检测到有车辆驶入称重区时，单片机控制PWM脉冲宽度变化，使舵机转到约90度的位置，从而打开挡在通道入口的大门；等车辆称重完毕驶出后，再次改变PWM脉冲使舵机转回0度原位，关闭大门。舵机作为执行模块的一部分，与其他硬件组件协同工作，最终实现了自动化操作的目标。图3.6噪音检测模块实际接线图4系统的软件设计4.1软件介绍Keil4是一款针对多款8位和32位微控制器的集成开发环境，提供了全面的软件开发工具，涵盖了项目管理、代码编辑、调试、编译和链接等所有功能。在智能地磅系统的软件开发过程中，使用了Keil4作为主要的集成开发平台。Keil4最大的亮点在于其强大且全面的开发功能。首先是功能齐全的项目管理器，用户可方便地导入、配置和管理项目、调试目标程序以及查阅芯片手册。其次是配套的代码编辑器，内置编程语言关键字高亮、代码折叠等实用功能，支持C/C++、汇编等多种编程语言。第三是成熟的编译链接系统，能自动生成可执行镜像文件。最后是集成式的软件调试器，支持跟踪窗口、反汇编窗口、监视窗口等强大调试功能。此外，Keil4还提供了丰富的基于芯片的软件组件和代码模板，大大加快了程序员的开发进度。譬如对STM32F103C8T6而言，内置了多个现成的驱动程序库，可以快速调用GPIO/IIC/SPI/USART等底层硬件资源，而不必从底层代码编写。在智能地磅系统的软件设计中，基于Keil4开发环境，首先配置了芯片型号和工程参数，然后编写单片机的初始化代码，最后在主循环里分别调用实现RFID读卡、显示控制、语音播报、称重计算、4G通讯等各功能模块的子函数，共同构建出整个控制系统的软件框架。在Keil4开发环境中，编写和调试STM32程序代码的具体流程是：新建工程，选择目标芯片型号STM32F103C8T6，配置芯片频率、存储器大小等参数。添加所需的源文件，可以新建.c/.h文件，也可以从现成的库文件中添加。编写芯片初始化代码，对时钟树、中断向量、GPIO引脚、外设模块等进行初始化设置。编写主循环程序框架，创建一个主循环，在其中调用各功能模块的子函数。编写子函数代码，完成RFID读卡、重力传感器采样、数据发送等具体功能实现。编译并链接生成最终的可执行文件镜像，将其下载至开发板中运行测试。如果发现错误，使用Keil的软件模拟器和调试界面查看变量值、单步调试等。不断编辑、编译、调试、运行，直至所有功能模块均工作正常为止。整个过程中，Keil4提供了自动化的构建机制、实时错误提示、程序管理等多项辅助功能，极大提高了开发效率。同时其开放的框架设计，允许用户方便地导入第三方库文件、总线驱动等扩展资源，实现代码重用，缩短了工期。图4.1Keil_4软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图4.2系统逻辑流程图如图4.2所示，在主程序中：首先对各个模块进行初始化，随后进入while主循环，在主循环中，首先进入第一个函数按键函数，该函数主要分为两部分，第一部分为调用按键扫描函数获取相关按键键值，第二部分通过相关按键进行相应的处理操作，比如切换界面、校时；紧接着进入第二个函数监测函数，通过HX711称重模块获取一次重量，若称重异常时，进行语音警告，同时通过4G模块上传数据至手机；紧接着进入第三个函数显示函数，用于显示系统名称，时间，提示刷卡上磅，显示车辆称重是否正常以及车辆信息；紧接着进入第四个函数处理函数，寻卡后车辆进行刷卡称重，若2个红外对管均触发，说明车辆停好，关闭闸门，正常称重，否则就是未停好，闸门打开，语音警告；当两个红外对管均未触发，车离开则关闭闸门。4.2.2按键函数子流程图按键函数子流程图如图4.3所示，按键设置函数首先通过按键扫描函数，获取按键按下的相关信息，通过不同的键值，进行相应变量的改变。如果获取的键值为1，切换界面。如果获取的键值为2，校准时间。图4.3按键程序流程图4.2.3OLED程序流程如图4.4所示，在显示函数中，若未刷卡，则显示系统名称，时间和提示语“请刷卡上磅”；若刷卡，则显示车辆信息，是否正常称重，重量；在历史记录界面，显示车辆的信息（称重时间和重量）。具体软件程序如下：{ if(flag_card==0) //未刷卡 { Oled_ShowCHinese(16,0,(uint8_t*)"智能地磅系统"); OLED_ShowNum(32,3,hour,2,16); Oled_ShowString(48,3,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(56,3,min,2,16); Oled_ShowString(72,3,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(80,3,sec,2,16); Oled_ShowCHinese(24,6,(uint8_t*)"请刷卡上磅"); } else { Oled_ShowCHinese(0,0,(uint8_t*)"车辆信息"); Oled_ShowString(64,0,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(72,0,flag_card,1,16); if(IR_1&&IR_2) Oled_ShowCHinese(0,3,(uint8_t*)"车辆正常正在称重"); else Oled_ShowCHinese(0,3,(uint8_t*)"车辆异常拒绝称重"); Oled_ShowCHinese(0,6,(uint8_t*)"重量"); Oled_ShowString(32,6,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(40,6,weight,4,16); }图4.4OLED子程序流程图毕业设计5系统的测试5系统的测试5.1软件硬件调试智能地磅控制系统的开发过程中，软硬件调试是一项重要且艰巨的工作。硬件测试方面需要先检查电路连接、电源供电是否正确，对存在问题的模块单独进行逻辑分析、电平测量等方式调试，确保其能够与单片机正常通信。例如检查OLED显示是否存在接线错误、RFID模块是否能够正常读卡、HX711是否能稳定获取重量数据等。软件调试则更加复杂，需要编写专门的测试程序对每个功能点单独验证，再将所有功能集成后组合测试。先编写RFID读写程序，通过发送读卡指令进行测试；再编写称重程序，单步跟踪调试采样数据计算流程等。由于智能地磅系统涉及硬件模块较多、功能相互调用且需要实时响应，给程序调试带来了极大挑战。在这种情况下，可以利用Keil的软件仿真和调试功能大幅提高工作效率。通过Keil的软件模拟器，可以在未焊接硬件的情况下就进行软件模块的初步调试，加快开发进度。另外，Keil提供的变量监视窗口、执行点跟踪功能等，便于程序员随时查看内存数据和代码执行过程，快速定位并修正错误。经过大量的单模块和整体测试、修改和再测试的循环反复，直至系统软硬件运行协同一致，各功能点无误后，即可进行最后的实物测试阶段。5.2实物展示在软硬件调试通过并能够稳定运行后，本系统可以进行实物测试。经过一系列现场安装和检查，当车辆驶入称重区时，RFID模块会自动读取车辆标签ID并显示在屏幕上，语音模块播报"车辆已识别"。随后红外对管检测到车辆，舵机打开大门放行，同时启动称重程序。车辆驶出后，OLED显示实时重量，语音播报称重结果，舵机关闭通道大门。最后系统将本次计重信息存储，并通过4G模块与云端服务器进行数据交互。整个过程智能化且无需人工操作，大幅提高了工作效率。实物如图5.1所示：图5.1系统实物图结论结论结论智能地磅控制系统是本次设计的主要研究对象，通过模块化集成的设计思路，成功开发出一款面向车辆计重应用场景的智能硬件产品。该系统以STM32F103C8T6为主控芯片，融合了OLED显示、RFID读卡、语音播报、4G通信、精准称重、舵机控制等多种核心功能，实现了高度的自动化智能化，大幅提升了用户的工作效率，降低了人力运营成本。在硬件设计方面，本系统各功能模块按照模块化、标准化的思路进行选型和集成，充分发挥了不同硬件单元的专业优势，使整个系统硬件结构合理、功能分工明确。例如选择OLED显示模块可带来优异视觉体验、选择HX711传感器让称重精度更高、选择4G模块可支持远程无线控制等等。同时注重模块间的兼容性和集成度，使系统操作简便、接口统一、布线紧凑，整体占用空间小、部署灵活。在软件设计方面，全程采用Keil4集成开发平台，利用其丰富的编程辅助工具和模块化编程思想，实现了硬件驱动、数据处理、任务协调等核心代码的快速开发，缩短了工期。软件框架层次分明、模块分工明确，具有很强的可扩展性和可维护性，为后续的功能完善和产品升级奠定了良好基础。系统还具有生产成本低、功能可配置、安装部署灵活等优点。通过现场测试和真实应用评估，系统运行稳定、可靠性高，智能化程度也获得了用户的高度认可。因此，该智能地磅控制系统设计方案具有良好的实用价值，完全可以推广应用于物流运输、工厂仓储、超限超载检测、车辆计重收费等多个领域，促进相关行业的自动化、数字化转型升级。本文在论述了智能地磅系统的设计思路、硬件架构和软件实现之后，最终成功研发出一款性能卓越、功能齐全、可靠稳定的智能硬件产品，对推动物联网技术在重量检测领域的应用具有积极的现实意义。毕业设计参考文献参考文献[1]邓国颂,苏闯,王博宇,等.危废处置行业用智能地磅系统:CN202222184466.4[P].CN218271013U[2024-03-22].[2]罗浩鑫,何浩铨,邱哲,等.基于单片机的快速称重分拣控制系统设计[J].集成电路应用,2023(9):46-47.[3]郭晓,姚政,贺秋瑞.基于单片机的数字电子秤设计[J].电子制作,2022,30(18):3.[4]吴莹妃.基于单片机与蓝牙传输的电子秤设计[J].现代信息科技,2022,6(12):5.[5]年贺.基于STM32的设施农业果蔬运输车称重系统设计[J].河北农业大学学报,2022,45(1):6.[6]刘子杰,段元梅.基于单片机的智能电子秤设计[J].电脑编程技巧与维护,2023(4):127-129.[7]仝敏.基于单片机的便携式电子秤设计[J].机械工程与自动化,2023(4):140-141.[8]左兰,肖洁.基于单片机的智能电子秤的设计与实现[J].农业装备技术,2023,49(3):42-46.[9]王春泉.基于单片机的电子秤质量检测系统设计[J].轻工标准与质量,2022(001):000.[10]马雷,何丹丹.基于阿里云的智能云家居语音交互系统[J].物联网技术,2023,13(3):125-127.[11]张艳萍.基于阿里云生活物联网平台的智能台灯设计[J].电子制作,2023,31(8):52-55.[12]舒玉坤.基于单片机压力计的设计与实现[J].湖北师范大学学报:自然科学版,2023,43(3):90-95.[13]韩兴海.单片机自动累加系统探讨[J].衡器,2023(8):16-18,29.[14]王静,赵鹏飞,林倩,等.基于蓝牙技术的无线智能称重系统.2023[2024-03-22].[15]王旭.RFID称重天平称.CN202221208221.4[2024-03-22].[16]朱东南,陈育中.基于STC单片机的智能分类垃圾桶的设计[J].电脑知识与技术:学术版,2023.[17]夏资厚,刘吉晓,刘均益,等.基于RFID的人体姿态识别方法研究[J].传感器与微系统,2024(1):36-39,43.[18]王涛春,邱庆,王成田,等.LD-identify:基于无源RFID的网络学习状态识别[J].控制与决策,2024(1):219-226.[19]佚名.RFID电子标签及其制备方法:CN202311489171.0[P].CN117391120A[2024-03-22].[20]佚名.基于RFID技术的信贷档案储存柜,方法,系统及装置:CN202311449939.1[P].CN117459926A[2024-03-22].附录A谢辞谢辞本智能地磅控制系统的研发过程中，得到了多人的指导和宝贵支持，在此我谨向他们表达衷心的感谢。首先，我要感谢富雅玲老师对我的悉心指导。从选题开始，老师就为我指明了正确的研究方向，合理安排了工作进度；在设计过程中，老师细心审阅了每个环节，提出中肯的修改意见；在实验调试阶段，老师亲自动手解决了一些棘手的技术难题。正是有了老师的锐意指点和精心培育，我才能够渡过重重障碍，最终顺利完成整个系统的开发任务。老师严谨的治学作风、渊博的专业知识给我留下了难以磨灭的印象。其次，我要感谢家人和朋友们一如既往的关心与支持。正是有了你们的理解、鼓励和支持，我才能安心投入到这个系统的攻关中，一步一个脚印艰难前行。你们是我最坚强的后盾，也是我在艰难时候最有力的支撑。智能地磅控制系统的诞生凝结了大家的心血和汗水，是我们携手共同的努力结晶。让我们一起为之感到自豪！在此，我再次向所有给予过支持和帮助的人员致以最诚挚的谢意！附录B附录A原理图：毕业设计附录B部分源程序：#include"main.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/key/key.h"#include"./HAL/OLED/OLED_NEW.H"#include"./HAL/RC522/mfrc522.h"#include"./HAL/HX711/hx711.h"#include"./HAL/Air724/Air724.