【《基于物联网技术的智能电子秤设计（附图）》6400字（论文）】

-4-基于物联网技术的智能电子秤设计摘要随着当今世界的科技的飞速发展，世界上对于称重技术的标准也在不断地提高。在本论文中，我将着重介绍一款在日常生活中也非常实用的基于物联网技术的智能电子秤，其中包括该电子秤的硬件设计、软件设计和实物调试等。本系统采用的主控芯片是型号为STM32F103C8T6的单片机，显示模块采用的是OLED液晶显示屏幕。不仅如此，该基于物联网技术的智能电子秤还具备对过往数据的查询技术。采集模块由称重式传感器组成，显示模块由OLED单元组成。第一步是对物体的质量进行参数采集，需要使用称重式传感器，然后通过A/D转换器将数据发送给单片机。该装置与日常生活中常见的电子秤有很大的不同，与它们相比更加精准，体型也更加的小巧，便于携带。关键词:智能电子秤称重式传感器A/D转换器记录目录1引言 51.1电子秤的发展现状及趋势 51.1.1发展现状 51.1.2发展趋势 51.2项目研究意义 62电子秤的硬件设计 62.1压力传感器 72.1.1选择压力传感器时的问题 72.1.2压力传感器的基本结构 82.2传感器原理 82.2.1传感器的弹性元件 92.3单片机系统 92.4电路设计 112.4.1电子秤的数据采集和处理部分 112.4.2OLED显示器 123系统软件设计 133.1系统主程序 133.2LED程序 153.3A/D转换程序 163.4OLED显示模块 173.5按键流程图 184系统调试 195结论 226参考文献 23附录系统电路原理图 251引言称重技术的发展由来已久，从古至今，我们的祖先不断地运用自己的智慧，利用自然界中多种多样的材料制作成各种各样类型的称重工具。从取之于脚下的黄土，到今天运用各种电子材料制成的电子称重工具，称重技术已经发展到了一个崭新的高度，并且还会不断向前发展。在这种背景下，一家企业如果跟不上时代更新的脚步，就只能自动退出市场，因此电子秤无疑将拥有极其光明的未来。在第一章中，我将详细地为大家阐述电子秤的发展现状与发展趋势，以及发展电子秤技术将会为人们的生活带来哪些便利。1.1电子秤的发展现状及趋势1.1.1发展现状在这个一切都在飞速发展的时代，电子秤这种东西已经随处可见，它可以作为商品、科研物品等东西存在于我们生活的方方面面中，可以肯定地说，称重作为一项技术已经遍布各个领域。称重工具是各国都必须关注的一个方面，因为它和每一个人都息息相关。称重是一个非常重要的过程，经常用于自动化控制和贸易计量，对于提高企业的管理，贸易，商业生产，无论是货物的交付还是科学研究都发挥了不可或缺的作用。随着动态称重和测试技术的快速发展，动态电子称重逐渐由静态电子称重技术演变而来;从传统模拟式的静态称重逐渐变为数字式的动态称重;多个不同参数的动态称重也由单一参数的静态称重慢慢转变。与世界上其他发达国家进行比较时，我们国家在称重工具这一方面往往会与国际公认的称重工具有一定的距离，虽然我们国家在这一方面一直在稳步前进，每年也会有新的突破，但是仍然存在着不能够轻易忽视的工艺以及人才紧缺的问题。1.1.2发展趋势电子秤属于一种电子衡器，即由放秤的台座和托盘物组成。在进行称重的时候，放置在托盘上的物体由于自身的重量向压力传感器施加压力，使压力传感器产生轻微的形变，然后将这个形变转换成数据显示在屏幕上。所以，当今电子秤的发展趋势即为将测量、电子技术、机电技术、高稳定性、高可靠性等综合在一起，向着全面化和智能化的方向发展。在这个基础上,智能型电子秤未来的发展方向将会变得更加的具体、明确、可感。而在称重技术中，我们最需要关注的方面就是称重的准确性。在提高准确性的基础上，不断地提升称重的稳定性等其他性能，然后使电子秤日渐地综合化、智能化，并且能在更多的领域中为人们做贡献。1.2项目研究意义众所周知，当社会以一个曾经难以想象的速度发展起来时，人民日益增长的美好生活的需要就变得日渐强烈，这一点体现在生活的方方面面中，自然也包括称重技术领域。在这一领域中，人们对于传感器方面的技术要求越来越高。在本课题设计中，我将设计一种较为实用的基于物联网技术的智能电子秤。相比于以往的电子秤，它将更加的小巧，携带更为便利，拥有更加精准的量程，并且还可以储存最多10个数据，通过查询功能查询过往的记录。2电子秤的硬件设计在第二章，我将详细地介绍该基于物联网技术的智能电子秤。他的硬件部分包括：STM32系列单片机、5kg压力传感器、HX711A/D转换器、OLED显示模块以及两个矩阵键盘。它的工作原理十分简单，即为将任意一个物体放置于压力传感器的上方，由于自身的重量，物体对压力传感器施加压力，使压力传感器的托盘产生轻微的形变，因为这个形变，压力传感器生成电信号，再将这个电信号由A/D转换器处理，转换成一个数据传送到STM32系列单片机中，由OLED液晶显示屏以阿拉伯数字的形式进行显示。该仪器的结构框图设计如下图2-1。图2-1智能电子秤结构框图2.1压力传感器在经过了实物制作这一流程后，我认为最具有挑战性的部分是传感器部分，因为压力传感器对于一个电子秤来说十分重要，是整个装置的核心，电子秤的可靠程度大部分都由它来决定。改革开放以后，国民生活进入了新的时代，传感器也获得了迅速的发展，它们发展得更加的稳定，更加的可靠，更加的智能与精确，于是在现阶段，有越来越多种类的传感器可以在我们进行科研创造时供我们选择。2.1.1选择压力传感器时的问题在选择压力传感器的时候，由于工作要求的不同以及工作环境的不同，我们需要依据现有的条件选择最适合的压力传感器。一、精确度的选择在进行本课题的设计时，对于压力传感器的精确度的选择是至关重要、不可或缺的。压力传感器的量程必须适合该装置的称重要求。不仅如此，还需要考虑弹性结构的问题。在一些较为特殊的环境下，具有弹性结构的物体对压力传感器的精确度的需求并不高，他们可以适应较为恶劣的工作环境，所以具有某种特殊的优势。二、量程的选择在进行本课题的设计时，压力传感器的量程必须适合该装置的称重要求。1、称重范围为0.0000—4.9999kg；2、压力传感器+HX711A/D转换器的重量为100g（包含上下外壳）；3、设置的传感器数量；4、误差范围在1g以内；5、在称重过程中不可抗的外界因素。三、技术参数的选择在进行本课题的设计时，需要进行严谨的技术参数的选择。1、误差范围需要符合该装置的要求；2、该装置的灵敏度需要符合国际法定标准。四、密封状态的选择在对任意一个物体进行称重的时候，外界空气的湿度可能会对压力传感器的材料和机械部件造成损害。自然界中的水蒸气、有害气体等物质都会逐渐损耗压力传感器的机械部件。因此，密封对于压力传感器的性能来说至关重要，我们需要在它工作的时候加以一些有用的保护装置。2.1.2压力传感器的基本结构根据结构的特点，压力传感器大致可以分为以下几种。不同的种类具备不同的量程和特点，我们可以根据工作的需要来选择最适合的种类。一、柱式传感器从压力传感器的发展历史来看，柱式传感器位于时间线的起点，往后的各种传感器都能从他的身上找到影子。柱式传感器的一大特点就是它极大的量程，但是由于它太过古老，所以不作为本次课题设计的选择。二、桥式传感器桥式传感器别名双梁式传感器，由结构体的形状而得名。由于它具有量程较大、加工方便的特点，本次课题设计我就选择了桥式传感器。三、S形双连孔式传感器当进行称量时，如果对于量程没有特别精确的要求，S形双连孔式传感器是一个不错的选择。当没有线性补偿时，传感器精度在0.02~0.05范围内。其抗偏性和抗侧方能力相对优秀。在查阅了以上三种压力传感器的特点以后，结合本次课题设计的需要，我最终选择量程较大、加工方便的桥式传感器,其结构如图2-2所示。图2-2桥式式传感器的结构。2.2传感器原理根据不同的工作原理，压力传感器可以分为电容式、电阻应变式和差动变压器式等几种类型。在有称量需要的时候，如果需要进行动态测量，可以选择电阻应变式压力传感器，这种传感器功能全面，且便于使用。2.2.1传感器的弹性元件一、弹性元件的结构形式弹性元件的结构形式发展到今天已经逐渐呈现出多样化的趋势，目前较为常见的弹性元件有环式、膜式以及梁式等形式。在选择弹性元件时，我们需要根据自己对已有条件等因素进行选择。二、弹性元件尺寸的选择当物体被置于弹性元件上的时候，对弹性元件产生的形变具有极其严格的要求。所有的形变都是单一且均匀的；在移除放置于弹性元件上的物体后，弹性元件可以恢复成原来的形状；抗侧向能力较高。图2-3称重传感器实物图2.3单片机系统目前，单片机系统发展成熟，具有不可替代的优势。一、集成度高、体积小单片机在各个领域都得到了广泛的运用，那得益于它高集成度的芯片。通常一块小小的单片机芯片可以包含CPU、RAM、ROM、I/O接口等组成部分，虽然他的系统看似复杂，其实相当简单。它的体型虽然小巧，甚至没有一片小拇指甲盖大，但是他足以满足各项工作的需求。二、面向控制、功能强单片机的面向控制功能非常强，当我们需要进行某种操作时，可以命令CPU直接对I/O接口进行控制以快速地完成我们的要求，并且操作十分的准确、有针对性。三、抗干扰能力强外部环境中的不稳定因素难以干扰单片机的工作，因为单片机的内部构造简单，通常只包含CPU和传输线。除了普通种类的单片机，目前市面上还有一种特殊的单片机，它外形小巧，但是可以在恶劣的环境中工作，有较好的适应能力，同样展示出了强大的抗干扰能力。四、使用方便在进行课题设计时，我选择使用单片机的原因之一就是它软件设计完整，非常便于使用。在查阅相关资料后，我发现在国际上有多种多样的工具去对单片机进行设计,软件调试功能和一些辅助性软件设计的工具和方法都增加了,大大缩短了开发时间和周期,使成本得到了大幅度的降低。因为这些特性，使得科研成果很快转化成了主要生产力,使研发过渡阶段大大缩短。图2-4STM32F103C8T6单片机实物图图2-5STM32F103C8T6单片机原理图2.4电路设计在进行本次的课题设计时，我非常关注硬件电路的设计，因为硬件的质量决定了该装置的性能。在摘要中已经指出，基于物联网技术的智能电子秤需要比平常生活中的称重工具更加精确、更加便于携带。以这为出发点，我选择使用体积小巧的STM32F103C8T6芯片，并围绕这一块芯片展开叙述。2.4.1电子秤的数据采集和处理部分一、HX711A/D转换器在进行课题设计时，A/D转换器的误差对项目的实现起着举足轻重的作用，在查阅相关资料后，我得出结论：百分之零点零三是误差范围的上限。在选择A/D转换器的时候，我分别对比了12位、14位以及24位的A/D转换器，最后由于不可抗力的关系，我决定使用24位的A/D转换器，型号为HX711。HX711A/D转换器的优势在于它具有很高的精确度，但是以此为代价，在对采集到的数据进行A/D转换时，速度比其他种类的A/D转换器缓慢，但是同时，它有具有很强的抗干扰能力。选择HX711不仅因为以上的优点，还因为它可以降低实物制作的成本。HX711的编程较为简易，由引脚直接驱动控制信号，不需要再次对寄存器进行编程。在使用时，无需其他的模拟电源，HX711芯片中的稳压电源可以直接为数据转换提供电源。表1HX711管脚功能图2-7HX711实物图2.4.2OLED显示器称重后将物体的重量显示在显示屏上，是称重工具最为基本的功能之一。显示器种类繁多，每一种都有独特的优势。经过反复比对，并根据课题设计的要求，我最终选择了OLED显示器。OLED显示模块体积适宜，使用方便，通常由显示器和数据存储器组成，采用的方法是+5v电源。图2-8OLED显示模块实物图3系统软件设计这一章节的主要内容是一些关于程序的主要操作流程框图。3.1系统主程序本系统是一个同时具备智能称重、扣重以及记录查询功能的基于物联网技术的智能电子秤的结构设计。当主程序开始进行，首先对OLED显示模块进行初始化设置，接下来对放置在称重传感器上方的物体进行数据采集并由HX711A/D转换器进行转换，由OLED显示模块对采集到的数据进行显示。重新放置一个物体在称重传感器之上，重复上述操作，重新进行数据的采集。主程序流程图如图3-1所示。intmain(void){intmain(void){ inf_tinf={0}; inf_tinf1={0}; u8key_num=0; Init_HX711pin(); delay_init(); NVIC_Configuration(); uart_init(9600); Key_init(); OLED_Init(); OLED_Clear(); Get_Maopi(); delay_ms(1000); delay_ms(1000); Get_Maopi(); } 图3-1主程序流程图 3.2LED程序在本系统中，使用矩阵键盘来控制LED灯的亮与灭，需要检测按键按下与否，进而做出相应的消息响应。LED程序流程图如图3-2所示。voidInit_LEDpin(void){voidInit_LEDpin(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13); }图3-2LED流程图3.3A/D转换程序首先启动转换，把采样开关接通，进行采样。在采样电路采样后，开关断开，采样电路进入保持模式，A/D真正开始转换。最后将离散幅值经过量化以后变为数字。A/D转换模块的流程图如图3-3所示。voidInit_HX711pin(void){voidInit_HX711pin(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0); }图3-3A/D转换流程图3.4OLED显示模块voidOLED_Init(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);voidOLED_Init(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);delay_ms(800);图3-4OLED显示流程图3.5按键流程图每列线通过上拉电阻连接到电源，每列线在没有按键的情况下被按下时为高。当一行线的输出为低电平，并且在该行线上按下一个键时，相应的列线变为低电平。在本系统中，STM32F103C8T6单片机就是利用这种方法对整个键盘进行扫描。CPU不断对行线逐行设置低电平，然后检查各列线输入状态确定按键情况。矩阵键盘流程图如图3-5所示。voidKey_init(){voidKey_init(){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);}图3-5矩阵键盘流程图4系统调试图4-1智能电子秤实物图本课题设计的实物图如图4-1所示。调试的过程：1.将一根USB数据线的一端接入STM32F103C8T6单片机模块，另一端接入电源，在这里我选择电脑作为电源，同样也可使用充电宝作为电源；2.开启电源，按下按键SW2，OLED显示模块亮起并称重；图4-2没有放置物体时称重4.接下来开始进行物体称重，准备一个质量不超过5kg的物体，将它放在称重传感器上，数据采集模块进行数据的采集，并由OLED显示模块进行显示。如图4-3所示。图4-3称重传感器正在对物体进行称重5.再选择2个重量不同的物体，依次放在称重传感器上进行称重，数据采集模块依次进行数据采集，并由OLED显示模块进行显示，如图4-4和4-5所示；图4-4称重传感器对第二个物体进行称重图4-5称重传感器对第三个物体进行称重6.移走放置在称重传感器上方的物体，按下按键SW3四次，可以查询到之前四个物体的称重结果，此装置最多可以查询十个记录，如图4-5（1）（2）（3）（4）所示。图4-5（1）查询第一次称重记录图4-5（2）查询第二次称重记录图4-5（3）查询第三次称重记录图4-5（4）查询第四次称重记录5结论基于物联网技术的智能电子秤对于我来说是一个熟悉又陌生的项目。熟悉是因为完成本项目所需要的知识我曾在课堂上获得过，而陌生则是因为相比于知识的获取，亲自查阅资料、编写程序、绘制原理图、选购硬件并且完整地搭建一个实物对于我来说是第一次。但是在这次的课题设计中，我仔细研究了计算机、单片机等领域，努力地对系统的软件部分和硬件部分进行了设计，并且中途经历了多次的修改、推翻和重建，最终完成了这款体型更加小巧、称重精准，并且具备记录查询功能的智能电子秤，这款电子秤的功能大致能够满足人们在日常生活中的使用，并且符合国际法定的称重标准。虽然这是我第一次独立完成一个完整的项目，但我深知，这类能够提升自己能力的机会往后就不多了，因此我格外地珍惜这次机会，用严苛的要求对待自己，对待每一个部分。在完成这个项目的时候，我所拥有的专业知识变得更加深刻了，动手能力也大大增强，我非常感谢学校给予我这么一个锻炼自己、提升自己的机会。6参考文献[1]施汉谦.电子