基于STM32的电子秤的设计
摘要:
称重是日常生活中随处可见的，那么随着社会的发展，科技不断地创新，智能电子秤的诞生以及普遍是不可避免的。那么什么是智能电子秤呢？智能电子秤就是将诸多技术合为一体的新型称重仪，其所综合的技术主要有计算机技术，检测与转换技术，信息处理技术，数字技术等。本论文设计以STM32F103C8T6最小系统作为主要控制中心，数据采集模块采用压力称重传感器对被称物体的质量进行采集，采集到的数据送入A/D转换模块进行转换，而转换模块采用的芯片为高精度，但速度缓慢的HX711，显示模块则采用16×02即32字符的LCD1602来进行对数据及总价的显示。本设计作品将由内部自动进行对总价的计算。本论文设计作品电路结构简单，成本低，适合广泛推广。本文将重点介绍本作品的基本工作流程以及软件控制。
关键词：
电子秤；STM32；压力称重传感器；HX711A/D转换；LCD1602液晶显示
Based on the design of the electronic says stm32
Abstract:
Weighing is ubiquitous in daily life,so with the development of the society,science and technology innovation,the birth of intelligent scale and universal is inevitable.Intelligent electronic scale is the detection and conversion technology,computer technology,information processing and digital technology,technology integration of the modern new weighing apparatus.This work USES STM32microcontroller as the center control unit,pressure weighing sensors for data acquisition,sensors for data acquisition,through HX711 after A/D conversion,single-chip again by LCD1602 LCD display,the work,automatically calculate the total price.Single chip microcomputer control electronic scale structure is simple,low cost and popular.this article focuses on the basic working process of this work and software control.
Keywords :
electronic scale;STM32;pressure weighing sensor;HX711 A/D conversion;LCD1602 LCD display
目录
基于STM32的电子秤的设计 I
Based on the design of the electronic says stm32 II
第一章 绪论 1
1.1 基于STM32电子秤课题的背景 1
1.2 基于STM32电子秤课题研究的目的及意义 2
1.3称重仪的国内外发展现状 3
1.3.1 国内外称重仪现状 3
1.3.2 称重仪的发展趋势 4
1.4本论文的技术要求和主要工作 5
第二章 基于STM32电子秤的总体设计 7
2.1 STM32电子秤称重系统的整体设计方案 7
2.1.1主控芯片的选择： 7
2.1.2称重传感器的选择 8
2.1.3 A/D模块的选择 10
2.2 本设计作品的系统的基本性能及其性能指标 10
2.3 质量的计算 10
第三章 STM32电子秤硬件部分电路设计 11
3.1 A/D采集的电路设计 11
3.2 单片机外扩电路设计 12
3.2.1 STM32F103C8T6的最小系统硬件设计 12
3.2.2 LCD液晶屏的硬件电路设计 14
第四章 STM32电子秤系统的软件设计 16
4.1 STM32电子秤系统的软件设计总思路 16
4.2 各个模块的设计思路及程序代码 17
4.2.1 显示初始化程序 17
4.2.2 HX711转换程序 18
4.2.3 LCD1602显示程序 21
第五章 总结与展望 27
5.1 基于本论文设计的小结 27
5.2就电子秤软件组成部分展望一下它的发展 27
小结并致谢 29
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 基于STM32电子秤课题的背景
称重，从文明社会起源后一直到现下，就一直紧紧围绕着人们，并有着不可动摇的地位。称重，作为一种对物体质量的测量的手段，在各个领域有着广泛的应用，例如：工商贸易、能源交通、医药卫生、航空航天、轻工食品、工农业、科研、交通、内外贸易等。[[[] A Brief Introduction to YDC 20-85 Multi function Postal Electronic Scale[J]. 中国邮政,1987(1):14. ]]天平、桌秤、台秤、吊秤、平地磅等都是人类日常生活中常出现的称重仪器。电子秤（electronic balabce），顾名思义就是利用胡克定律或杠杆平衡原理测量被测物体质量的仪器，是衡器中的一类。电子秤主要结构为三个部分：承受重量模块（如称重盘）；数据采集模块（如压力称重传感器）；显示模块（如液晶显示屏，分度盘等）。按照结构原理可分为三大类：机械秤、电子秤、机电结合秤。衡器（weighing machine），是计量器具的一个重要组成部分。衡器，在我国最早出现在夏朝；春秋战国时期就已经掌握了杠杆原理，战国中期在楚中一带已经广泛使用天平和砝码称重黄金，但是在相当长的一段时期内计量标准是不统一的，一直到后秦统一，实行商鞅变法才统一了衡量的标准；宋朝时出现了精确度达了一厘（40mg）的戥秤，这标志着当时的衡器已经具备了相当可观的技术水准。十八世纪，苏格兰化学家J.布莱克首次将刀子、刀承应用在刀片上，从而制造出了精确的称重器具。1831年，美国人T.费尔班克斯发明出了台秤，其综合了不等臂杆秤和天平的优点，是的机械师衡器趋于完美。二十世纪中叶时期出现了简单的电子衡器，使得衡器进入了电子时代。二十世纪八十年代，电子衡器已经遍及从微量称重到大型专业称重的各个领域，静态准确度一般在0.1%以上。
从古至今可以发现称重的发展史，从静态原理的比较称重，到后来的杠杆称重发展到磅秤机械称，又到后来的利用力变形的原理的弹簧秤。而“电子称重”的诞生，使得电子秤产品得到广泛的使用，特别是单片机机技术以及电子应变原理的称重传感器在称重领域里的应用，使得电子衡量更加的准确、稳定，显示直观快速，突破了传统衡器的单一称重概念，发展成动态称重、过程称重、数据存储/输出，大大提高了工作效率。
电子称重技术是测控工程的重要技术之一。自60年代初期出现的机电结合式电子秤以来，经过几十年不断的改进与完善，电子秤从全机械式到机电结合式发展到全电子式和数字化智能式。由于数字智能化式的电子秤的称量准确、快速、读数方便、环境适应性强、便于与计算机结合而实现过程控制自动化，在电子称重技术是集电子、材料、传感器、管理为一体的综合技术。发达国家一直以来都很重视电子称重技术的研究，它们研究开发的重点不再是单纯的称重，而是自动控制领域和生产过程的称重系统，这使得称重计量的内涵被不断扩展，由狭义到广义、单项到系统、新型的现代称重一跃成为当代世界瞩目的技术与行业。电子秤的发展过程经历了从粗糙到精密、从单纯机械结构到机电结合再到全电子化、从功能单一到多功能化的过程。尤其是最近20年以来，各个生产工艺流程中配料的称重、药物定量、饲料配比、以及产品质量的监督把关等，都离不开能输出电信号的电子秤。电子称重信号的输出方便了自动化控制，能作为系统中的一个重要参数承担着自动控制和检验的功能，从而有力地推进贸易交往合理化、生产工艺标准化、材料配比科学化和工业生产自动化。
从80年代至今，我国测控行业已经走上了按专业和产品归类的行业管理化轨道中且已经开创了由机械向数字电子过渡的全新局面，但与发达工业国家相比，我国的电子称重技术的研究与应用仍然出于较低水平，有很大的进步空间，电子称重行业的总体水平还跟不上国内需求的发展步伐。
1.2 基于STM32电子秤课题研究的目的及意义
伴随着自动化测试技术的不断兴盛，古代的称重系统在功能、精度、性价比等方面已经不能够满足现代人类所需要的标准，力有未逮的情形在智能化、便捷式、对微小质量的测量方面表现的非常明显。
五十年代中期，电子技术的出现推动了衡器制造业的进步。自打六十年代初期机电结合式电子衡器的出现以来，经由四十多年不断的改进与完善，内陆的电子衡器的技术装备和检测试验方式基本达到国际九十年代中期的水准,位数不多的产品技术早已领先国家水平，内地的电子秤市场中,量程为一千零九左右的电子秤精度一般为0.019即10mg。在研究方法上,电子称重系统的基本工作思路为：一般将作用于承载器上的重量或力的大小,通过压力传感器转换为电信号,并通过控制电路来处理该电信号。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量；测量特点从单参数测量；特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。
本论文设计采用STM32单片机为控制核心，配合高灵敏度的电阻式应变式称重传感器和电子秤专用高精度慢速度的HX711芯片的A/D转换器。 电子称重衡器是电子衡器的一种，电子衡器顾名思义就是使物体通过电子传感器、A/D转换器、数据处理器将物体的质量计量显示出来的衡器。电子汽车衡、电子轨道衡、定量包装秤、钢材秤等都属于电子衡器。而电子衡器的基本工作基本思路就是将被称物体在电子衡器上稳定后，将物体的重量经过秤体机械连接件作用在传感器上，后传感器变形后将与重量成正比的信息量输出。之后经过显示屏将数据值显示出来。因为反映灵敏、量程广、应用范围广阔、结构简单、操作简单、便于控制等特点，电子衡器大范围应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口建筑机械制造和国防等各个领域。又因为在不同的环境中有大量的不同种类的干扰，如杂音的干扰、工频干扰等，因此抗工频干扰能力就成为衡量电子衡器必要的性能之一，且性能要高。因着康干扰性能这一项性能，大大提高了市场上电子衡量器电路的复杂程度，伴随着的其成本上也有提高。而本产品选用最小STM32开发板价格不高且电路简单，高精度传感器，抗干扰强，值得广泛推广及应用。
1.3称重仪的国内外发展现状
1.3.1 国内外称重仪现状
国际平台上,一些发达国家在电子称重力一面已经达到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。在称重传感器方面,国外电子秤产品的品种和结构又有创新,技术功能和应用范围不断扩大,成果举例如下:
(l)美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器,用于高准确度检验平台,称重平台,准确度可达5000d。
(2)德国HBM公司研制成功C2A、 C16A两种不同结构的1-100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器,其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。
(3)美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5-5000kg称重传感器,准确度6000d。用于湿度大,腐蚀性强的环境中,而且防水。
(4)德国塞特内尔公司研制出以被青铜为弹性体材料,快速称重用200型称重传感器。其特点是线性好,固有频率高,动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护装置一体化,保证称量时速度快,工作寿命长。组装3一30kg电子平台秤,准确度可达4000d。
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展；特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高。其功能趋向是称重，计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能，其应用性能趋向于综合性和组合性。
但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。
1.3.2 称重仪的发展趋势
在市场上商业贸易中台式的称重计价电子秤已经遍地都是,但其千篇一律，能够用到的场合狭隘。因此，电子秤的发展趋势定然是更多样化，应用功能更加多，更具综合性。
(1)小型化
新研制的电子平台秤结构充分体现了体积小、高度低、重量轻(即小、薄、轻)的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤,可采用薄型或超薄型的圆形称重传感器,这样不但降低了成本,而且提高了稳定性和可靠性[[[] 陈明荧,8051单片机基础教程[Z]. 北京,科学出版社,2003.]]。对中等或较大容量的电子平台秤、电子地上衡,已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢焊接成秤体,这是一种很有发展一前途的秤体结构。对于大型电子平台秤,可利用有限单元法进行等强度和刚度计算,采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板等。
(2)模块化
对于大型或超大型的承载器结构,如大型静动态电子汽车衡等,己开始采用几种长度的标准结构的模块,经过分体组合,而产生新的品种和规格。这种结构,不仅提高了产品的通用性、互换性和可靠性,而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本,增强了企业的市场竞争力。
(3)集成化
小型电子平台秤、专用秤、便携式静动态电子轮轴秤、静动态电子轨道衡等,都可以实现秤体与称重传感器,钢轨与称重传感器,轨道衡秤体与铁路线路一体化。
(4)智能化
电子秤的称重显示控制器与电子计算机组合,利用电子计算机的智能来增加称重显示控制器的功能。使电子秤在原有功能的基础上,增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能,这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子秤与采用智能化称重显示控制器的电子秤的根本区别[[[] 胡学军,单片机与控制技术[Z].北京,北京航空航天大学出版社,2004.]]。
(5)综合性
电子称重技术的发展规律是不断的加强基础研究并扩大应用,扩展新技术领域,向相邻学科和行业渗透,综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如在流量计量专业,如果采用称重法即质量流量法,只要将重量和时间测量准确,大流量的测量问题就迎刃而解了。现代商业系统还要求商用电子计价秤能提供各种销售信息,把称重与管理自动化紧密结合,实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计一算机联网,把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。
(6)组合性
在工业称重计量过程或工艺流程中,不少称重计量系统还要求具有可组合性,即测量范围等可以任意设定;硬件功能向软件方向发展;软件能按一定的程序进行修改和扩展;输入输出数据与指令可以使用不同的语一言和条形码,并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。
我国衡器行业使用面最广、产销量最大的计量产品是非自动衡器。国际法制计量组织76号国际建议OIMLR76一非自动衡器 (它是目前国际上唯一的非自动衡器通用国际标准)中,明确规定非自动衡器按大类分为非自动天平与非自动秤。目前我国产品标准中列入的十大类衡器已实现了电子化。
1.4本论文的技术要求和主要工作
本论文设计的电子秤作品是以STM32F103C8T6最小系统单片机作为主要部件，使用C语言进行软件部分的设计，硬件部分则以压力称重传感器、LCD1602液晶显示屏作为主要部件模块，量程为0-10kg,最小分度值为1g，误差达到±2g，当量程超出上限时，具有报警功能。
根据设计，所做出的电子秤具有以下几方面的特点：
1.人性化的人机交互界面；
2.测量精确度高；
3.有超量程报警功能；
4.能够测重并计算出总价的功能。
主要工作有以下几点：
1.大量收集和查阅国内外关于电子秤设计的资料并且最好开发前的准备；
2.电子秤主板硬件系统设计；
3.电子秤软件系统设计；
4.通过标准质量砝码反复测试校准电子秤；
5.进行整机测试及调试。
参考文献
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