摘要

称重技术自古以来便被人们所重视，与我们生活的各个方面息息相关。电子称重技术能够在科学研究、工业生产制造及其他生产和日常生活中得到广泛应用。随着科学技术时代的来临,智能化的仪器已经取代了传统的仪表和控制设备,让我们的传统仪器也有了翻天覆地的发展。给人们的日常生活造成了较大影响,广泛受到老百姓的青睐和热爱。

本系统从硬件电路设计、软件编程调试、实物焊接调试三个部分进行设计。硬件电路主要是以STM32单片机为核心的控制单元实现数据的处理，通过电子称专用24位AD转换芯片HX711对压力式传感器所采集得到的各种模拟量信号进行了模数转换，转换后的数据被发送到单片机上进行信号处理和显示,并使用LCD1602液晶显示屏来对其进行信号处理和显示，达到稳定显示且没有闪烁，采用C语言进行编写，使用keil5 软件作为编译环境，按照原理图进行实物焊接，并下载程序至实物中进行调试,直至完成所设计的目标。

关键词

STM32单片机；电子称重；压力传感器；HX711

第1章绪论

称重技术自古以来便被人们所重视，和人们的生活密切相关。而电子称重作为新时代的一种新型的称重技术，在人们所需要的地方都影响着人们。电子称是电子衡器其中的一种，衡器产品技术水平的进步，不仅意味着现代化水平也在进步，还能提高国家的经济效益。称重装置的普及不仅经济各个方面，还提高了经济效益。

各种公共场合都能广泛的运用到电子称重系统，电子称重有便于携带、通俗易懂、价格便宜、安全、便于维修等特点，实现重量显示数字化，是杆称不能具有的特点。

电子称重功能的实现，首先压力传感器采集到物体的重量，然后转换成电压信号。但是因为输出电压信号一般比较小，需要通过前端信号处理电路把小信号进行线性放大，放大后的模拟电压信号经过模数转换电路把模拟量转换为数字量，并被送入单片机中，经过单片机控制的译码显示器，然后在液晶显示屏中显示出被测物体的重量。

整个电子称重系统可以分为三个部分：数据采集部分、控制器部分、手动输入部分。数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和模数转换部分组成；将转换后的数字信号送入控制器进行处理，并由控对该数字量的处理；手动输入完成单价输入、去皮、删除等功能。

第2章系统总体方案设计

2.1系统总体方案

本次电子称重系统由主控核心模块、电源模块、数据采集模块、矩阵键盘模块、液晶显示模块、报警模块组成。物体的重量通过承物板传输到称重传感器，通过使用传感器进行数据采集，进行信号放大，通过模数转化，送进单片机进行处理，再加上按键处理，最后通过LCD显示屏进行显示。系统方案如图2-1所示。

图2-1 系统方案

2.2系统元器件选型

2.2.1单片机

系统选用STM32F103C8T6单片机为主控核心。该单片机的引脚分布图如图2-2所示。

图2-2 芯片引脚图

2.2.2显示器

选用LCD1602液晶屏进行显示，LCD1602引脚说明如表2-1所示。

表2-1 LCD1602字符液晶引脚定义

编号	符号	引脚说明	编号	符号	引脚说明
1	VSS	电源地	9	D2	Data I/O
2	VDD	电源正极	10	D3	Data I/O
3	VL	液晶显示偏压信号	11	D4	Data I/O
4	RS	数据/命令选择器（H/L）	12	D5	Data I/O
4	R/W	读/写选择器（H/L）	13	D6	Data I/O
6	E	使能信号	14	D7	Data I/O
7	D0	Data I/O	15	BLA	背光源正极
8	D1	Data I/O	16	BLK	背光源负极

LCD1602 液晶模块内部存储了 160 个不同的点阵字符图形，包括：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，它们的代码和标准的ASCII的字符代码相同。实现读写、屏幕和光标的操作需要使用指令编程来完成。

2.2.3 AD转换芯片

此次选用的传感器为HX711，它内部具有24位的具有A/D转换功能的芯片，除此之外，HX71 1还具有许多的优点，例如，测量精度比较高，响应速度非常快，是做电子称重系统的首选之一，其工作电压的范围在2V~5V之间，非常适合和此次的STM32F103芯片相结合。HX711芯片引脚图如图2-3所示

图2-3 HX711芯片引脚图

第3章系统硬件电路设计

3.1电源电路设计

由于系统中的元件都需要一个稳定的电压，设计一个能够提供稳定电压的电路是必不可少的，虽然STM32F103C8T6自带有USB供电端，但设计的电路能够提供稳定的电压，提高系统的稳定性。电路设计如图3-1所示。

图3-1电源接口电路

供电的部分是由插座和开关构成，外部的电源可以通过电线插入插座，打开开关就能给系统供电。

3.2称重传感器的设计

DT端口与单片机PB8端口进行连接，SCK端口与单片机PB9端口进行连接。通过传感器的DT端口把数据传输到单片机中，单片机采集到数据后，向SCK端口传输高电平信号，传感器停止采集数据。

图3-2 称重模块图

3.3矩阵按键电路的设计

本次按键电路的设计是用来输入单价的，当按键按下时，单片机先将第一行设置为低电平，其他行设置为高电平，当有按键按下时，电平就会发生变化，产生高低电平差，单片机就能根据电平差判断是哪一个按键被按下。选用矩阵键盘的好处是省下引脚，节省空间，避免浪费。由于人按按键的时间会大于扫描按键的时间，所以设计程序时需要进行按键消抖。具体的电路如图3-3所示。

图3-3 矩阵按键电路

按键的功能分别为：

S1-S3、S5-S7、S9-S11、S14按键：数字1-3、4-6、7-9、0

S4按键：删除功能，能够删除一位单价

S8按键：去皮功能，将称盘上的物品清零

S12按键：清零功能，将单价置零

3.4显示电路的设计

使用LCD1602液晶显示屏进行显示，连接图如3-4所示。

图3-4 LCD1602连接图

3.5报警电路的设计

蜂鸣器选用有源蜂鸣器，这类蜂鸣器工作的时候需要的电流太大，所以需要使用三极管来进行电流的放大。在蜂鸣器两侧串联一个发光二极管，再添加一个电阻来分压保护发光二极管。基极连接单片机的PB7端口，发射基连接高电平，集电极连接蜂鸣器的高电平端口。当基极端为低电平，三级管导通，集电极为高电平，蜂鸣器发出声响，二极管变亮。当基极端为高电平，三级管截止，集电极为低电平，蜂鸣器无响应，二极管熄灭。报警电路如图3-5所示。

图3-5 报警指示电路

3.6原理图绘制

使用DXP软件绘制原理图。首先需要创建一个文件夹，来保存所制作的原理图，然后在DXP中创建新的PCB项目，再创建原理图，并且保存到先前创建的文件夹中；根据原件清单（附录二），使用软件中自带的元件库，找出对应的软件并使用，如果元件库里没有自己需要用的元件，需要在网上搜索它的引脚图，自己进行创建元件。完成元件放置后，进行导线连接，尽量做到导线不进行交叉。如图3-6所示。方便以后焊接使用。

图3-6系统整体电路图

创建元件库的操作：在“文件→创建→库→原理图库”创建一个原理图命名为“jingxinge.SchLib”，然后找到并点击，进入原理图库的设计，然后点击追加，并元件命名为STM32F103C8T6。

首先放置一个矩形，根据对STM32F103C8T6的搜索，知道引脚数量，来放置矩形的大小，再添加引脚，并对每个引脚命名和定义引脚属性。元件图如图3-7所示。

图3-7 STM32F103C8T6元件

第4章系统软件设计

4.1系统软件编程环境

软件开发环境有Visual C++开发调试系统和Keil uVision开发调试系统，通过对比选择了Keil开发环境。Keil可以兼容C语言和汇编语言，使用此开发环境可以对软件的编写事半功倍。语言选择考虑汇编语言和C语言，C语言与汇编语言相比有简单紧凑、高执行率、较强的移植性等优点，所以选择C语言进行编程。

4.2系统主函数的设计

主函数int main(void)是程序的入口函数，一个完整的程序必需包含这个函数。进入main()主函数时，我们需要对按键引脚、蜂鸣器引脚、HX711引脚、1602液晶显示屏引脚初始化。然后打开蜂鸣器，延时后，关闭蜂鸣器，通过传感器得到的信号，传输到单片机的PB8端口，进入while循环，执行按键程序，如果有按键按下时蜂鸣器发出声响，延时后，蜂鸣器关闭，经过延时后，单片机获得被测物体的重量，如果重量的数值超过设定的数值，则会报警；若没有超出，则会显示物品的重量，计算总价，显示总价。

具体流程图如图4-1所示。

图4-1 系统主程序流程图

4.3按键处理函数设计

先设置一个符号key_can=20，然后将行全部设置为低电平，如果有按键按下时，先将第一行设置为低电平，其余行设置为高电平，若有按键按下，进行按键的消抖，确定有按键按下时，如果时第一个按键按下，则设定得到按键值为1；第二个按键按下时，设定得到的按键值为2；第三个按键按下时，设定按键值为3；第四个按键按下时，设定按键值为15。若没有检测到按键按下时，则将第二行设置为低电平，其余行设置为高电平，若有按键按下时，按键进行消抖，确定有按键按下时，如果第一个按键按下，设定得到的按键值为4；第二个按键按下时，设定得到的按键值为5；第三个按键按下时，设定得到的按键值为6；第四个按键按下时，设定得到的按键值为14。若还是没有检查测到是哪个按键按下，则就要将第三行设置为低电平，其它行设置为高电平，若有按键按下时，按键消抖，若第一个按键按下，则得到的按键值为7；第二个按键按下时，设定得到的值为8；第三个按键按下时，设定得到的值为9；第四个按键按下时，得到设定的按键值为13。如果仍然没有检测到按键按下时，将第四行设置为低电平，前三行设置为高电平，若有按键按下，按键消抖，第一个按键按下，得到预先设定的按键值10；第二个按键按下时，得到按键值0；第三个按键按下时，设定按键值11；第四个按键按下，得到按键值12。若检测到的按键值为0~9，则会在显示屏上显示对应的数字；若检测到按键值为15，进行判断，如果单价的值不为零，则单价的数值就会向右移一位，意义是删除一位单价；若检测按键值为14，则会将称盘得到的数据置零；如果检测到了13这个按键值，则价格会清零。到此，键盘扫描完成，输出所按下的按键得到相应的功能。

设计流程图如图4-2所示。

图4-2 按键检测部分流程图

4.4称重部分的设计

将HX711_SCK端口进行配置，设置为推挽输出模式，设置和单片机PB9口配置；将HX711_DOUT端口进行配置，设置为上拉输入模式，和单片机的PB8口配置。

数据采集时，先定义一个数组count，次数i，将DOUT口设置为高电平，延时后，将SCK口置为低电平（该口高电平断电），当脉冲次数小于24时，数据便会一直采集，若脉冲次数大于24时，则SCK高电平，输出保存在数组count中的数据。

获取重量时，得到的重量数值便是count中保存的数值，想要得到去皮后的重量，需要按下“去皮”按键，系统会判断这次的重量是否大于先前储存的重量，如果大于，则会用现在测得的重量减去保存的重量，获得净重量，最后将净重量进行放大，并有LCD进行显示；如果小于，则显示0。

设计流程图如图4-3所示。

图4-3称重部分流程图

第5章系统整体调试

5.1实物焊接

先对每一个元件进行检查，查看检验型号、数值、耐压和极性是不是合格，如果不合格，需要及时进行更换；把元件的引线刮干净，漏出金属光泽，最后在合适的位置放置元件。在洞洞板的正面放置元件，并从背面进行焊接。焊接时先焊接大元件，然后再把电容电阻等小元件穿插在焊点孔中，尽量排列的整齐好看。采用安装一个元件焊接一个元件的方法进行焊接。用适当的力将烙铁头压在加热的部位。烙铁与洞洞板的夹角在50度左右。焊锡融化适量时，马上从左上45°的方向移开焊锡。距离短的可以用焊锡直接焊接，距离远的可以使用导线进行飞线连接。

将LCD屏的4引脚、5引脚、6引脚分别与STM32F103C8T6单片机的PB10、PB1、PB0焊接；LCD屏的7引脚~14引脚与单片机的PA7-PA0一一对应焊接；在LCD的1引脚和3引脚之间串联一个2K的电阻；LCD屏1引脚、3引脚、16引脚接地，2引脚、15引脚接电源。矩阵键盘排列好后第1列与PB12连接、第2列与PB13连接、第3列与PB14连接、第4列与PB15连接、第1行与PA8连接、第2行与PA11连接、第3行与PA12连接、第4行与PA15连接。

PNP型三极管的发射极e与电源焊接、基极b与单片机的PB7端口焊接、集电极c与蜂鸣器一端焊接；蜂鸣器的两端，分别与集电极c焊接和地焊接；发光二极管和2K电阻串联焊接后，再与蜂鸣器并联焊接。HX711的5引脚与地焊接，3引脚与电源焊接，12引脚与单片机PB8焊接，11引脚与单片机PB9焊接。所有电源焊接，所有地焊接。根据绘制的原理图焊接，如图5-1所示。

图5-1焊接图

5.2实物检测

把万用表调到二极管蜂鸣档的档位，黑红表笔短接会发出“哔”的声音，并且红灯亮起。检查电源和地焊接后有没有短路，再检查所有的电源，所有的地都检查一遍，确保万无一失。测量矩阵键盘每一行每一列分别与对应的I/O口是不是焊接在一起，检测没有连接短路。检测1602显示屏和STM32F103C8T6是否成功焊接。电源和地的电压差进过测量的数值为5.035V。如图5-2所示。

图5-2 电压检测图

5.3实物调试

1.按下电源开关，系统开始工作，液晶屏第一行显示“W：0.000kg”

液晶屏第二行显示“P；00.00￥ Z：00.00”如图5-3所示。

图5-3 LCD屏显示

2.在矩阵键盘上进行按键测试，当按下“0~9”十个按键时，显示屏单价一栏会显示所按下的数字，当按下第五个数字时，便会覆盖前面的四个数字。按删除键时，能够删除一位单价；按下去皮键，可以让重量一栏的数值清零；清零键可以清除单价；矩阵键盘如图5-4所示。

图5-4 矩阵键盘

3.在托盘上放置一个物品（测试时使用的充电宝），物品的重量通过传感器采集到的数据，经过转换，被送入到系统中进行数据处理，并利用矩阵键盘输入88.00（单价），最后在LCD显示屏上显示物品重量：0.278KG；单价：88.00￥；总价：24.46￥。测试图如图5-5所示。

图5-5 测试图

5.4在调试过程中出现的问题

没有扩展更多电路，如温度显示、时间显示等功能；在进行校准时，播放音乐或者较大的声响，都会干扰称重数据的准确性，这样会产生误差；测试1g砝码时，检测不到1g砝码的重量；有时会出现称出来的重量与物品本身的重量差距很大。

出现的这些问题都给我留下了深刻的印象，让我在以后的学习和工作之中，让我能够更快的发现它们，并且能够及时的对这些问题进行防范和解决。

5.5实物校准

在承物盘上放置依次放置5g、10g、20g、50g砝码，在LCD显示屏会依次显示的5g、10g、20g、50g数值，如图5-6所示。

图5-6 校准图

第6章总结

通过这次毕业设计，让我对单片机有了新的认识，熟悉了单片机的系统设计，提高了自己在C语言编程方面的知识。

为了这次设计的完成，我从去年就开始准备，首先构思怎么能把这次设计做好，首先确定使用STM32F103C8T6单片机，然后要绘制原理图，进行程序的编写，最后购买元件进行焊接、调试，直至达到预期的效果。

在设计原理图时，我选用DXP 2004这个软件，在绘制原理图期间，发现元件库之中没有发现自己需要的元件，就需要我自己根据网上的介绍，自己制作所需要的元件，而且添加对应的封装。这让我更加了解了DXP 2004软件的操作。

然后在代码的编写过程中，使用Keil μVision5这个软件。根据自己所绘制的原理图，编写代码，如：定时器的初始化，端口的初始化，显示屏的初始化等多个方面。这让我对编程更加的了解。最后进行焊接实物，实物进行仿真，校准，直至完成。

经过五个月的学习和研究，完成了硬件电路设计、软件编程调试以及实物的焊接和整体调试，最后能够达到预期所设想的目标。完成这次设计后，我明白了，学习的过程是永无止境的，并不是一朝一夕就能够完成的，需要通过不断地学习新的知识和回忆之前学过的内容，才能的完成本次的毕业设计。

附录

附录1：系统整体电路图

附录2：实物图

附录3：元件清单

元件名称	元件型号	元件标号	数量
蜂鸣器	蜂鸣器	B1	1
发光二极管	发光二极管	D1	1
液晶显示器	LCD1602	LCD1	1
DC3.5	电源输入	P1	1
HX711AD模块	Header 4	P2	1
三极管	9012	Q1	1
电阻	2K	R1, R2	2
按键	SW-PB	S1-S16	16
电源开关	电源开关	SW1	1
单片机	STM32	U1	1

附录4：系统部分源程序

#include "stm32f10x.h" //STM32头文件

#include "sys.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

#include "lcd1602.h"





#define beep  PBout(7) //蜂鸣器的定义

  

#define rs  PBout(10)   //寄存器选择信号 H:数据寄存器   L:指令寄存器

#define rw  PBout(1)   //寄存器选择信号 H:数据寄存器   L:指令寄存器

#define e   PBout(0)     //片选信号   下降沿触发



#define HX711_SCK PBout(9)// PB9

#define HX711_DOUT PBin(8)// PB8



extern u8 key_can; //按键用的变量



u16 flag_300ms=1;     //200ms标志位



u32 HX711_Buffer;

u32 Weight_Maopi;



u32 price,z_price;   //单价 总价

u8 flag_p;

u32 weight;

   

float GapValue=2221;





void beep_Init()  //蜂鸣器引脚初始化配置

{



GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//定义结构体变量

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);   //开时钟

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7;  //定义控制脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;   //50M速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}



void HX711_Init(void)  //HX711引脚初始化配置

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);  //使能PF端口时钟



//HX711_SCK

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  // 端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  //IO口速度为50MHz

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);  //根据设定参数初始化GPIOB



//HX711_DOUT

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//输入上拉

    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);  



GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9); //初始化设置为0

}







//****************************************************

//读取HX711

//****************************************************

u32 HX711_Read(void) //增益128

{

unsigned long count;

unsigned char i;

   HX711_DOUT=1;

delay_us(1);

   HX711_SCK=0;

    while(HX711_DOUT);

    for(i=0;i<24;i++)

{

   HX711_SCK=1;

   count=count<<1;

delay_us(1);

HX711_SCK=0;

   if(HX711_DOUT)

count++;

delay_us(1);

}

  HX711_SCK=1;

    count=count^0x80000;//第25个脉冲下降沿来时，转换数据

delay_us(1);

HX711_SCK=0;  

return(count);

}



//****************************************************

// 获取皮重，秤盘重量

//****************************************************

void get_pizhong(void)

{

Weight_Maopi = HX711_Read();

}



//****************************************************

//称重

//****************************************************

void Get_Weight()   //获取被测物体重量

{

HX711_Buffer = HX711_Read();

if(HX711_Buffer > Weight_Maopi)

{

weight = HX711_Buffer;

weight = weight - Weight_Maopi; //获取净重

if(weight > 0)

{

weight = (s32)((float)weight/GapValue+0.05); //计算实物的实际重量

}

else

{

weight = 0;

}

}

}



/************按键控制函数*************/

void key_with()

{

if(key_can <= 9)   //数字键

{

if(flag_p >= 4)

{

flag_p = 0;

}

if(flag_p == 0)

price = key_can;

else

{

price = price * 10 + key_can;    

}    

write_sfm4_price(2,2,price); //显示单价

flag_p ++;

  }

if(key_can == 15)   //删除键

{   

if(price != 0 )

{

flag_p --;

price /= 10;                 //删除

write_sfm4_price(2,2,price);//显示单价

}

}

if(key_can == 14)   //去皮

{

get_pizhong();   //获取皮重，秤盘重量

}

if(key_can == 13)   //价格清零

{

flag_p = 0;

price = 0;

write_sfm4_price(2,2,price);//显示单价

}

}







int main (void){//主程序

RCC_Configuration(); //时钟设置

  KEY_Init();//按键引脚初始化配置

  beep_Init();   //蜂鸣器引脚初始化配置

HX711_Init();  //HX711引脚初始化配置

  lcd1602_Init();  //1602液晶引脚初始化配置

 init_1602(); //   液晶显示初始化

  beep = 0;  

delay_ms(300);

beep = 1;  

get_pizhong();   //获取皮重，秤盘重量

while(1)

{

key();  //按键程序

  if(key_can < 20)

{

  key_with();  

  beep = 0;  //蜂鸣器叫一声

delay_ms(100);

beep = 1;

}

flag_300ms++;

if(flag_300ms >= 300)

{

flag_300ms = 0;  

Get_Weight();   //获取被测物体重量

  if(weight >= 10000)  //超重报警

beep = ~beep;

else

beep = 1;

  write_1602_yl(1,4,weight);       //显示重量

z_price = weight * price / 1000;   //总价等于重量*单价

write_sfm4_price(2,11,z_price); //显示总价

}

delay_ms(1);

}

}

基于STM32单片机电子称重系统设计_最终稿

摘要

目录

第1章绪论

第2章系统总体方案设计

2.1系统总体方案