【《基于嵌入式STM32模块的多功能电子秤设计》16000字论文】

基于嵌入式STM32模块的多功能电子秤设计摘要：在如农贸今市场行业中，多功能电子秤高速发展，现在能见到的一些杠杆称已经算是古董了，在科技高速发展的社会模式下，嵌入式模块的飞速发展首当其冲。本设计是将当下比较流行的多功能电子秤与嵌入式模块融合。此设计囊括了主控制核心板、压力传感器、用于动态液晶显示的TFT-LCD屏幕及其它很多不同功能的模块。读取解析压力传感器传输数据，实现通过嵌入式微处器在LCD显示屏上显示两个数据，第一是重量单位千克，第二是价格单位元，每次在称重物时先通过按钮复位多功能电子秤显示重量为0,在输入单位价格以后在放重物到多功能电子秤托盘上。关键词：多功能电子秤；嵌入式STM32模块；压力传感器 11.1课题研究背景 11.2课题研究目的 11.3国内外研究现状 21.3.1国内研究 21.3.2国外研究 21.4多功能电子秤设计方案及功能 2第2章系统方案设计 32.1设计思路 32.2系统整体方案 32.3相关技术介绍 32.3.1多功能电子秤分类介绍 32.3.2多功能电子秤称量原理 42.4课题研究发展方向 42.5章节小结 5第3章系统总体硬件设计 63.1多功能电子秤设计要求 63.2主控模块选择 63.2压力传感器介绍及选择(hx711) 73.2.1压力传感器介绍 73.3.2压力传感器使用 83.4定时器模块 83.5显示模块 93.6复位按键模块 93.6章节小结 第4章硬件设计 4.1主控模块介绍 4.1.1STM32最小系统 4.1.2STM32F103RCT6引脚及功能介绍 4.2LCD1602显示模块 4.3HX711传感器模块 4.3.1HX711串口通讯 4.3.2HX711引脚功能 4.4章节小结 第5章系统电路设计 5.2时钟电路设计 5.3.2输出LCD显示 5.3输入/输出模块 5.3输入/输出模块 5.4.1压力传感器部分 20 22 第6章软件设计 6.1操作软件设计介绍 26 第七章测试结果与分析 28 287.2示值检测 297.3重复性检测 297.4章节小结 第8章总结致谢 附页1 附页2 附页3 1第1章绪论如今的社会，我们都普遍接触到了电子秤，电子秤一般是由应变片构成惠更A/D转换器、微控制器、显示模块等，根据维基百科中查到的资料，应变片最早出现于1938年，由EdwardE.Simmons和ArthurC.Ruge各自独立地发明出来。A/D,单片机，液晶显示等构成的测控系统大规模应用应该是在20实际70年代之后。所以，现在常见的电子秤应该是上世纪七八十年代的时候出现的吧。多功能电子秤的飞速发展离不开其中最重要的组成部分——嵌入式系统。嵌入式系统在当前IT行业中的重要性首当其冲，因为随着时代的发展，各种电子产品，高科技都在趋于便携、小巧，而嵌入式系统刚好能弥补缩小仪器体积导致的一些问题。数码电子产品主板、芯片的缩小导致的体积缩小，嵌入式系统就变得越发重要。小到移动手机、家庭座机、台式电视、挂式电视、台式电脑、笔记本、各种家电的智能系统、汽车的智能系统、宽带发射器、信号接收机、摄像机、数码相机等等，大到强国航天产业、生物医学工程、军工都离不开嵌入式系统。电子类产品的发展迅速，导致了各类电子产品的异军突起，其中较为引人注目的就属数生活中必备的多功能电子秤了。因为从九十年代开始，杠杆陈已经慢慢被电子圆盘陈，手提便携式称所替代。这样的情况就引发了多功能电子秤的飞速发展，方便现代人生活的习惯、处事方式，多功能电子秤通过嵌入式系统、压力传感器、液晶显示屏等等实现了物品的称重，计价。自2006年起，多功能电子秤在国内外生活重激增，到了2019年，多功能电子秤正在用腾飞的姿态进入大街小巷家家户户。本产品属于电子生活用品设备，必须具备物体称重精确，综合对成本、功能强度、接口型号匹配能力、功耗大小、外接能力的考虑，故STM32应当为最佳选择。所以，实施基于STM32平台的开发与设计拥有很大的学识理论考验和动手操作能力的锻炼价值。2科技在进步，但同样希望我们的人心在，素质在提升。在我国农贸市场上，我们会看到几乎每个摊位都有自己的多功能电子秤，功能大小几乎没有区别，甚至有一些农贸市场会对摊贩统一要求用一个规格的多功能电子秤。据考证，体重秤的存在的最古老的证据的日期为公元前2400年至1800年印度河流域(今巴基斯坦境内)。在此之前，没有任何可以测量体重的标准和精度。在埃及，体重秤可以追溯到大约公元前1878,但它们的使用可能延伸要早得多。真正现代意义上的体重秤是由达芬奇改进和发明的，随着电子秤行业的发展，慢慢很多的品牌进入中国市场，电子秤被更多的人民使用，越来越多的电子秤品牌被人类熟悉。在之前使用秤基本上是机械秤，它们的原理都是杠杆平衡，有杆秤、台秤等。电子秤的原理多样，不过万变不离其宗，主要是想办法做到在不同重量的情况下，使电路里面的电压表或者电流表有对应的读数，电子秤的表盘就是一个电压表。本课题就基于STM32嵌入式开发及其压力传感器设计一款常规的多功能电子秤，其功能实现，物体放上去之后，LCD1602显示物体重量，以kg为单位，再通过BMI算法得出人体健康，瘦，胖。3第2章系统方案设计压力传感器获取数据，然后STM32芯片处理A/D转换，输出LCD1602显应的设计的方式进行考量，需要按照实际的设计原理对功能做一个研究，如图LCD1602显示数据处理图2-1系统整体设计模块2.3.1多功能电子秤分类介绍4叫高精度天平，这种天平我们可能在化学实验室里见到过，他对精度的要求在到，他的精度在1/1000—1/1万，这种设们需要比较精准的配料。最后一种就是普通称，精度在1/100—1/1000,这种是BMI算法LCD1602显示5(1)在芯片上又重新加入了信息的补偿处置的机制，希望在实际运行的过程中可以最终进行自行的检测，包括很多其他的计算和处理等。(2)在净重显示方面具有许多不用功能，某些电子秤在动态化称量功能方面已经具备，也就是在一定情况下，其可以通过自动调零，消除在某方面引起的一(3)一些电子秤，在对数据处理上，具备一定的功能，就目前情况来看，电子秤包含很多不同的数据分析处理的功能，可以在很大的程度里对消费者的需求进行满足。在这之后，随着技术不断进步的情况中，技术在实际发展的过程中必然还有很多需要改进的地方，也相应的会有很大的进步的空间。同时，功能也会相应的更加整齐化，会逐步产生更加高标准的电子秤，同时在现实生活中的应用度上也会得到增加，范围也会随之增加。这样多功能电子秤在日后发展中就会朝着科技化发展方向前进着。本章对多功能电子秤设计提出总体设计，明确课题设计的是一般家用普通精度的多功能电子秤，并且也介绍了在现阶段不同类型的多功能电子秤是使用场合。在后面部分，文章具体会写到硬件，软件部分。6第3章系统总体硬件设计(1)多功能电子秤的量程为80kg,且更具国家对多功能电子秤的误差要求，最大量程误差不的超过100g。(2)LCD1602显示：全部物体质量，单位为kg(3)通过按键复位对显示器进行调零。处理能力比DSP更强大；开发工具和设计语言标准化，没有MCU所特有的复方案三：51单片机。51单片机属于单片机的入门级，最为简单，对初学者来说最好学。51支持的功能很少，人对系统的控制可据的传输速度极低，因为51运用的是冯诺依曼结构。51的处理器从硬件到软件拥有一整套完整的按位系统和处理系统，能对一些功能寄存器的某一位执行解析、清零、测试等逻辑运算。同时51单片机的系统运转也非常灵活，得益于内部RAM区间的一个双重功能地址区间。但同时许多功能需要外部拓展，比如AD转换、EEPROM,并且51单片机的自我保护性极差，是最容易损坏芯片的7超前的体系结构、高性能、低电压、低功耗创新的内核及外设。本设计系统需要专门进行图像解析、转换，从成本、性能上考虑我们选取STM32作为本系统的主控制器。3.2.1压力传感器介绍简单的来说，压力传感器就是一个把力转换为数字形式的一个东西，这样我们更加直观的可以看到力的“大小”。压力传感器内部是由压力敏感元件和信号处理单元组成。根据使用的场合和压力的不同类型我们可以把压力传感器分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。表压传感器：表压强，简称表压，是指以当时当地大气压为起点计算的压强。当所测量的系统的压强等于当时当地的大气压时，压强表的指针指零。即表压为零。表压测量参考点是当地大气压差压传感器：差压传感器DPS是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。用于测量汽车发动机尾气颗粒捕集器(DPF)前后通道的尾气压力差。这个我们一般是用不上的。绝压传感器：绝对压，或称为真实压，是以绝对零压为起点计算的压强。或真空为起点计算的压强。绝对压强，简称绝压。绝压是绝对真空零点。压力传感器在市面上的类型很多，压阻式压力传感器就是最为常见的一种，许多常见项目和常见物品中就存在压力传感器的身影。如：电子秤，马路上的重量检测装置等。压力传感器的工作原理就是通过外部压力的施加使得传感器内部的电阻的阻值发生变化。通过查询部分价格以及三种传感器芯片的使用手册，得到如下表3-1中所示。类型适用场景工作电流(mA)工作电压(V)价格(元)贴片式电阻式贴片嵌入式贴片式压力传感器种类繁多，但运用的场合大多数为需要精确测量的场合，且成本高昂，并不适合面向大众化的多功能计步器的制作；由表3-1可以看出，失眠是8各种传感器种类多，分别应用的场合就不用，有些廉价的芯片，但是测量精度较低，误判漏判太多达不到我们需要测量的标准；加速度传感器的测量精度高，同时功耗达到了较低的水平，同时价格低廉，满足课题设计要求的同时，能够降低成本，使计步器更加能够大众化。故我们选择HX711传感器作为多功能电子秤的压力传感部分。HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B,与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64,对应的满额度差分输入信号幅值分别为士20mV或士40mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。时钟电路的工作原理是单片机外部接上振荡器或者是内部振荡器提供高频脉冲经过分频处理后，成为单片机内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制信号。作用是来配合外部晶体实现振荡的电路，为单片机提供运行时钟。在单片机中定时器接口由5V电源供电，NMOS工艺制成的24条引脚的双列直插式芯片。具有3个独立的计数器，每一个都可以单独作为定时器或者计数器使用，且都可以按照二进制或者十进制计数，每个计数器计数速率高达2MHz,最高的技术速率可达2.6MHz。所有的输入输出引脚都与TTL电平兼容。定时器模块不用单独的独立模块，因为在单片机中，具有两个16位可编程定时器且具有片内看门狗定时器。ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚 (PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频9率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。在LCD显示模块中分为5中，TN、HTN、STN、FSTN、VA。五种LCD对比如表3-2所示。型号优点缺点使用场合功耗低、价格便宜显示的视角比较窄，对比对较低手表、计数器，工低、驱动电压低动态驱动性能不够好，比TN更宽车载仪表、游戏机对比度较高，适用于240以下路数的驱动价格相对于TN来说较高，只能显示单色点整、简单图形显示克服STN-LCD只能显示单色价格比较贵了-正面(正视)对比度最高，黑白对比度屏幕的均匀度不色飘逸多彩显示屏幕。手机、电视。将STN屏与TN屏相比，TN耗电小于STN,且我们研究的最终显示数字和英文字母，考虑到实际和经济问题所以选择TN-LCD1602显示器。复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计算器有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或使用哈佛结构是STM32的优势重要方面，其中芯片Cortex-M3自带其它很多方面的额外优势：内部核心体积小、处理数据速度快、价格亲民。Cortex-M3有两个重要性能，其一是自带睡眠模式，其二是带有可以提供给设计者自主选择的八个完整区域的储存保护系统单元。Cortex-M3目前接受、支持的指令只有Thumb-2这一目前最新的指令集。汇编器的使用率低是一个芯片性能优良的重要指标，而本设计采用的芯片，刚好极大的减少了它的使用率。Cortex-M3的优势有以下几点：1)不需要Thunb与ARM中程序代码的交互过程。因为如果有这样的交互过程，会让芯片的处理能力降低。2)Thumb-2所设计的指令集，是专门为C语言服务的。3)使用方被Thumb-2允许可以在C语言代码的层面对应用程序进行更改。4)Thumb-2囊括了调用汇编代码的功能。本次设计运用的STM32F103RCT6芯片的功能、可用资源十分符合多功能电子秤系统的要求，对电路的要求就是能够能够支持LCD1602液晶显示屏的运行和显示。本次设计就是用TFT-LCD显示屏搭配一个HX711压力传感器。STM32芯片原理图由4-2所示。如图4-6为HX711的PCB封装图，其引脚功能表见附页1所示。23456789K本章主要是对多功能电子秤硬件芯片的选择，型号，使用注意事项进行总结，并查阅主控芯片，HX711,LCD显示芯片的使用手册，详情见附页。第5章系统电路设计5.1电源设计电路系统采用5V电源进行供电，考虑供电方便性和可靠性，外部设备用电脑电源5V直接进行供电既方便又可靠。下面是电源供电图5-1所示。4_5.2时钟电路设计在内部方式时钟电路中，必须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2一般取30pF,晶振的频率取值在1.2MHz～12MHz之间。对于外接时钟电路，要求XTAL1接地，XTAL2脚接外部时钟，对于外部时钟信号并无特殊要求，只要保证一定的脉冲宽度，B时钟频率低于12MHz即可。其电路原理图如图5-2所示。5.3.1复位电路设计所谓复位电路，其实就相当于电脑的重启。当然电脑的重启对于我们来说比较熟悉，那就单片机来说，单片机其实就是一个小型的“电脑”,它可以进行一些简单的操作处理。单片机在处理程序的过程中，可能会在某些程序中进入一个死循环而无法跳出循环，那么为了使单片机的控制系统重新起到先前的作用，我们会对单片机进行一次复位操作。除此之外，我们在使用单片机的过程中，需要对其进行调试，而目前用的比较多的调试方式往往是通过在线调试来对单片机的每一个操作进行定点的判断。但是每进行一次调试，单片机的程序可能仍然是执行当前的代码，为了让单片机重新开始执行程序，那么我们就需要使用复位电路对单片机进行一次复位操作。另外，在我们烧录程序的过程中，可能会遇到烧录软件无法识别到单片机情况，此时的问题并不一定是我们的主控制芯片被烧坏了，更多的问题往往是缺少按一下复位按钮。在检测不到单片机时候，很有可能是晶振未能起振，那么单片机就相当于没有办法产生时钟信号来控制单片机来执行一系列的操作，这种问题往往只需要复位一下，使晶振所在的振荡电路重新起振即可。键盘输入部分，是一个及其关键的构成部门，这一部分是系统在接受某种指令的外在渠道。键盘是通过很多的按键开关构成的，按键的数量依据单片机应用系统的功能来确定。很多不同的按键构成了键盘，一个案件就类似一个开关的触点，如果按下了案件，触点就会闭合，如果放开按键，触电就会断开，单盘机收到闭合或者断开的信号之后会作出相对应的处理。所以，从单在单片机系统的方面来看，这一接口信号等同于外界输入信号。下面的这个图形就是我们所要设计的按键基本的示意图5-3所示：在本设计中，STM32单片机就是我们整个系统的核心控制系统，需要设计一个复位电路来方便对其进行重启操作。通常情况下，复位电路的设计一般是由一个电阻和一个极性电容外加一个开关组成的。考虑采用普通的数码显示管，这种显示管能对前后都实现显示，同时也能获标准值(g)显示值(g)误差(g)中心下方由表7-1、7-2可知最大误差在10.69g,满足设定的值，误差不得超过50g。误差=显示值-标准值。示值误差是指电子秤的示值与质量约定真值之差。检定时，测试的载荷点必须包含空载、最小秤量、最大允许误差转换点所对应的载荷、最大秤量等载荷点。载荷应从空载开始，逐渐向上加载，直到加载至电子秤的最大秤量，然后再向下卸载载荷，直到零载荷为止。无论加载过程还是卸载过程，都应保证有足够的测100000293456789根据检定要求，按照国家检定规程JJG539-1997数字指示秤的检定规程对该电子秤进行检定。在实验室条件下，对电子秤的示值误差、偏载误差、重复性鉴别力等指标进行了检定。通过查阅国家多功能电子秤称量的最大误差表得到表允许最大误差电子秤的属于三级平衡器，其设计的最小量程为20ee表示的是分度值，分度值就不多介绍了，例如一个直尺的量程是10cm,1cm里面有10mm,那个这个直尺的分度尺就是1mm。一般来说分度尺就是误差就是这个直尺的误差是1mm。所以这次设计的最大量程为80kg的电子秤，分度尺为50g,所以这个电子秤的误差是50g,把么最小量程为20e就是1000g,最小量程为1kg。并且电子秤还有一个规定是区域性误差在最大量程的1/3以内误差是le,也就是50g,在1/3以上是2e也就是100g。在实际相同的测试条件下，用同一方式，将同一载荷多次加放到托盘上进行测量，一般选荷点下最大允许误差的绝对值，测量次数不少于6次。测置零。本文选择10kg的标准砝码，每次加载前置零，测量10次。电子秤的重复性等于加载砝码稳定后，电子秤示值误差的最大值EMax减去电子秤示值误差的最小值Emin,即EMax-Emin<|MPE|。重复检测分析如表7-4所示。编号标准值(g)值示(g)误差(g)允许最大误差123456778895重复性误差由表7-4可的，EMax=12g,Emin=5g,重复性误差为11g。|MPE|=50g,满足条件EMax-Emin<|MPE|,实验结果表明，在温室条件下通过对示值，重复值，偏差值测验，符合标准。本章内容主要是对多功能电子秤进行测验，分别是从示值，重复值，偏差值进行测验，通过三个数值的测验，都符合标准，皆设计达标。[1]周立功等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版，2004.[2]周立功等.ARM嵌入式系统实验教程(一)[M].北京：北京航空航天大学出版，2004.[3]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京：清华大学出版社，2003.[4]梁明亮，齐公博.基于ARM9的简易多功能电子秤[J].电子制作，2010.10[5]丁鑫蕾.一种简易数码多功能电子秤的设计[J].微型机与应用，2010.31[6]任松岩.基于ARM的多功能电子秤的设计[J].电子制作，2010.3[7]薛园园.21天学通ARM嵌入式开发[M].北京：电子工业出版社，2011.9[10]朱永金等.单片机应用技术(C语言)[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2[13]马忠梅等.ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.[14]陈赜主编.ARM9嵌入式技术及Linux高级实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社社，2005.[15]何加铭主编.嵌入式32位微处理器系统设计与应用[M].电子工业出版社，2006.[16]张义磊.三星S3C2410在嵌入式工业控制系统中的应用[J].长春：长春理工大学学报，2004.[14]吴同茂微控制器技术实验及课程设计指导书中南大学教材科2007[15]Leoj.scanlon:“AssemblyLanguageprogrammingwittionCompany.Inc.,1986:39-57.[16]DonnaN.Tabler"IBMPCAssemblylanguage"JohnWiley&Sons.Inc.,1985:86-98.[17]Theodore