论文总字数：15567字

目 录

1引言 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 单片机在体重秤上的应用 1

1.3本论文主要工作安排 2

2 系统整体设计 3

2.1 系统工作原理 3

2.2体重秤基本结构 3

3 系统硬件设计 3

3.1 核心芯片选择 3

3.2 称重模块 6

3.2.1 传感器的选择 6

3.2.2传感器技术指标 7

3.2.3 放大电路模块 8

3.2.4 A/D转换器的选择 9

3.2.5 HX711转换模块 9

3.3 按键模块 10

3.3.1按键的分类 10

3.3.2按键输入原理 10

3.4 液晶显示模块 11

3.4.1液晶显示原理 11

3.4.2液晶显示器的分类 12

3.4.3 OLED 模块简介 12

3.5 语音模块 12

4 系统软件设计 13

4.1 开发环境介绍 13

4.2初始化及主程序模块 13

4.3 按键模块 14

4.4 显示模块 14

4.5 AD转换模块 15

5 系统软硬件联调 16

6 总结 17

参考文献 19

致谢 20

基于STM32的感应体重计设计

张旭东

电子与信息工程学院， 20131321031

摘要：本课题设计的感应体重计的中心控制单元是STM32单片机，用称重传感器采集所称物品的质量信息，进过HX711模数转换单元，再配以OLED液晶显示，及JQ8400FL进行语音播报组成。该体重计不但操作简单，计量快速准确，更重要的是可以实现自动称重，还可以通过数字显示，语音提示等。实验结果表明：由单片机控制的感应体重计，结构上比较简单，成本较低，具有市场应用价值，值得推广。

关键词：STM32；语音模块；HX711压力传感器；oled显示器

Induction electronic scale based on the STM32

Zhang xudong

Electronic information engineering institute，NUIST，Nanjing 20131321031，China

Abstract: this topic use STM32 microcontroller as the center control unit, by weighing sensor to collect quality information, with HX711 analog-to-digital conversion unit, in the match with OLED LCD display, and JQ8400FL speech. The weighing machine not only accurate measurement, fast, conveniently, more important automaticly, but also realize the function of the digital display, voice prompt, and other functions. The experimental demonstration.Because the scales of single-chip microcomputer control structure is simple, low cost, has certain market value.

Key words: STM32; Voice module; HX711 pressure sensor; OLED display

1引言

1.1研究背景及意义

在测量领域中，质量是重要参数之一。有史以来，人们一直很重视称重技术。很久以前，先辈们为了估算货物的交换量，采用了木材或容器对交换物进行估算计量。而后，又采用简单的秤来测定质量。事实上，简单的秤却是使用最普遍，最普及的称重的工具。跟着社会、科学以及信息技术的步伐，在电子技术基础上面发展起来的称重器一定会逐步地取代传统的机械称重器，这是科学技术提升的必然趋势。针对人们对于价格低、准确度高以及人性化的称重器要求的提高，这使得智能化的称重器获得了广泛的使用。称重器在我们的生产以及生活的方方面面都有使用，它是一种衡量尺度，和我们日常的生活更是紧密联系。就目前来看，对于称重器的发展一定是越来越动态的，且测量方式也从模拟改变到了数字，从一个参数的称重改变到了多个参数的称重。

目前在电子秤里，STM32单片机由于其低功耗的特点，成为电子秤里面最常用的。这是由于很多地方没有电源插口，电子秤不便于接入电源，所以这个时候低功耗才能保证工作时间越长。还有一种用的比较多单片机就是STC89C51芯片，由于STC89单片机具有超强抗的干扰能力，为使电子秤能够在特殊环境下准确计量提供了保障， 像这样的两种微控制器，他们在社会的每一个行业里都得到了普遍的使用。就现在的发展来看，我们的生活里面用的最多的就是商业的电子称，但是这样的称重器含有很多的缺陷，主要在于：体积大致使携带很不方便、成本较高、需要工频交流电源供应、应用场所有限。在我们的日常生活里面，使用的比较多的就是那些能够很好携带的一类称重器，比方说，杆秤、弹簧秤以及弹簧。弹簧盘秤有较高的制造工艺要求，其中无法彻底解决的是弹簧的疲惫问题，只要突破弹簧弹性的最大限度，弹簧秤所测得的结果会有很大的误差，甚至导致弹簧秤损坏，称重的结果自然没有了准确性和可靠性，所以只能作为一时的代用品，日后将被逐渐取消。在许多年的发展当中，为了能够很好的避开这些问题，大量的研究人员一直在努力找寻一种具有高准确度、价格低廉以及便于携带的称重器，并且将他们普遍地投入到市场当中去。这些研究人员对于称重器做了大量的报告，总结出称重器为了顺应时代以及人们的需求正向着模块化、智能化以及高度集成的方向在发展，并且它要求称重器能够达到测量时间短、测量准确度高以及整个称重器性能稳定的高要求。因此，为了满足上述功能的要求，本课题设计的电子称重的控制系统加入了自适应、人性化以及操作稳定的功能。

1.2 单片机在体重秤上的应用

微控制器其实就是一种芯片，并且这种芯片是一种集成电路，换言之这是一块和计算机功能相当的小型电路系统。虽然说它的大部分功能都集成在这一小小的芯片上，但是它同样具备一个完整的计算机所需要的组成部件：中央处理器、内部存储器、内外总线系统，目前也有大多部分还会有外部存储器。此外还有例如通讯接口、定时器等外围设备。就在目前的发展阶段来看，我们利用这种体积小的电路能够实现相当多的功能，这其中主要包括，声音识别、图像处理以及网络的连接等等。可以说，微控制器在我们日常的生活当中，是无处不在的，比方说，军事勘测领域、导航系统以及自动控制领域等等，以及远程控制玩具、电子宠物等等，都得到了广泛的应用。

如今社会的发展迅速、生活水平不断改善，人们对于自己的身体健康也倍加关注。但仍然有许多人在工作重压下和日常不良的饮食习惯，使得身体健康越来越差，疾病缠身，而在这些人群中，最多的病人便是患有肥胖和营养不良的人。为了便于人们随时了解自己的体重是否不健康，在人流多的场合都摆放着体重测量器材，商场、药店、超市等到处可见，这样一来给那些没有时间到医院做定期体验的上班族带来了方便。目前人体秤再也不是医院的专用医疗器械，已经称为大众生活中的一件必备品。计算体重健康标准的方法如下(此标准仅适合中国人群)男性：标准体重=(身高-100)*0.9。女性：标准体重=(身高-105)*0.9。一般人体秤测量身高和体重时，都是直接通过用眼睛观看指标读取结果的，由于每个人的读数的方法和角度各不相同，以及读数时光线明暗程度等多种原因，导致读取数据存在较大的误差。而今人体秤的使用越来越普遍，从而解决这一误差问题就显得尤为重要。近年来，随着我国科技的不断发展，计算机在各个领域都有应用，单片机也渐渐成为科技现代化的重要工具，单片机的应用已经渗入到人们生活、工业等各种领域。应用单片机控制的人体秤比起普通人体称更加的耐用、更适用环境，而且读数的准确度也有了很大的提高。智能人体秤经济又实用，而且适合普遍推广。因此，通过单片机控制的人体秤，不仅在读数的精确度有所提高，并且直接将身材健康是否直接通过显示屏显示，让人们一目了然，价格方面与普通的也相差无几，必将逐渐取代传统的人体秤。

1.3本论文主要工作安排

本课题研究和制作的感应体重计系统，其硬件架构重点含有压力参数的采集设备、调理设备。然后，我们将获取到的数据传送给后端的STM32单片机，STM32微控制器接收到传送过来的数据参数后根据按键模块输入的身高数据进行OLED显示并进行语音提示。论文的主要内容与结构安排如下：

第一章 针对本课题背景、意义以及单片机在智能体重计领域的应用的说明。

第二章 针对感应体重计的完整硬件架构给出了简单的说明，并对其每部分的框架也给出了相关的阐述。

第三章 具体说明了硬件架构的处理方式，其中含有每个单一模块的硬件设计。

第四章 该章主要说明了整个感应体重器系统的软件设计，且主要针对的是各个单一模块软件的具体设计以及上位机的读操作软件部分的设计。

第五章 针对感应体重计做软硬件调试试验。

第六章 对本课题所探讨和研制的数据参数采集系统做了总结性的说明，且就本课题研制的采集系统说明了其含有的一些缺陷，并且对未来的研制方向给出了展望。

2 系统整体设计

2.1 系统工作原理

待称重的东西放在设计好的称重器上面，然后我们就能够利用称重传感器来将物体体重的模拟信号数据参数传输给系统的微控制器，其实主要就利用了力－电效应，主要实现的转变就是将物体的体重参数数据转换成了与其相关的电信号，我们把采集到的电信号进过系统预先设计的放大电路，来将采集到的电信号进行放大，然后再将放大后的电信号通过滤波电路对其进行滤波操作，最后将滤波后的数据参数通过模拟/数字信号转换器，获得最终的数字信号，这个时候微控制就能够对这样的数字信号来完成相关的分析处理操作。微控制器将处理之后得到的相关数据参数存放到存储空间，然后接收到相关的屏幕显示指令的时候，再将这些数据参数显示出来。本课题研制的感应称重计的硬件架构主要含有：称重传感器、微控制器、显示屏、语音模块以及按键电路。

图2.1 设计原理图

2.2体重秤基本结构

A)称重传感器：其主要原理就是完成转换工作，转换的对象是待称物体的质量参数，转换之后的参数是电信号，也就是电流或者电压信号。一般来说，市场上面的这类传感器的类型是很多的，如果我们按照他们结构的不一样来划分的话，主要有直接位移以及应变类型两种，特别是直接位移的类型又有很多种，这又主要包括：电容式、振弦式以及电容式的类型。应变类型有：电阻应变以及声表面谐振等等。我们对于称重传感器性能的要求主要有：输入参数和输出参数之间能够有很良好的对应关系，鉴于上述关于称重传感器的描述，本课题的设计选用了电阻应变式传感器。

B)测量显示、数据显示装置:该部分电路主要是用来对传感器采集到的数据参数完成相关的分析和处理的，且对处理好的相关数据参数完成显示操作，这里包含的硬件电路主要有放大电路、模拟/数字信号转换电路以及相关的保护电路。主要的显示电路含有：液晶屏幕以及打印机等等。像这类的显示电路，通常意义上面我们能够了解为载荷测量电路。对于数字的称重器来说，其硬件方面主要包含的电路有：前置放大电路、滤波电路、模拟信号数字信号转换电路以及主要控制电路。

3 系统硬件设计

3.1 核心芯片选择

本次设计要求系统的主控制器必须采用单片机，因为采用单片机作为主控制器可以很好的把测量控制技术和计算机技术紧密的运用到一起，组成一种新型的可编程序智能化的测量控制系统，此系统只需要重新编程就可以使其更新换代。目前在这种新型的装置的自动化过程、数据处理以及功能多样化方面已经取得了很大的进展。另外，这个系统不需要其他的高标准要求，并且设计中占据比较大的是程序部分，通过分析总体方案的设计，可以选用EPROM的单片机来设计此系统。因为应用程序所占内存不大，可以直接存储在单片机内，不用在外部扩展内存，这样电路也可简化。在这里选用STM32系列单片机。本设计采用STM32F103RBT6作为主控芯片。此芯片采用了Cortex-M3的架构，支持Thumb-2指令集，最高工作频率为72MHz，该芯片的闪存程序存储器有128K字节和SRAM高达20K字节。片内具有校准作用的32kHz RTC振荡器和后备供电VBAT，可以支持实时时钟定时精确和掉电不掉时 ^[1][2]。为了满足电子秤的低功耗，低电压的供电电压和睡眠、待机和停机模式等提供了硬件支持。此外，该芯片的快速I/O端口有多达51个，并且这些端口能够映像到16个外部中断， 5V信号能够被大多端口所容忍，即兼容5V数字电平。STM32F103RBT6的引脚图如图3.1

图3.1 STM32F103RBT6引脚图

在整个体重计的设计过程当中，我们选用的微控制器其主要的作用就是对通过按键电路输入的相关数据参数完成一系列的分析以及处理功能，然后再将处理好的整个系统的性能快速地传输到显示器上面完成相关数据参数的显示操作。我们的微控制器选择的是STM32系列的微控制器，这主要在于其是在ARM Cortex-M4内核的基础上面开发出来的，且拥有32位闪存，该种类型控制器的使用非常适合于本课题的使用。ARM处理器的硬件组成主要是32位元的RISC，它在能够很好的使用到嵌入式系统的开发当中。我们在本课题步进电机的研制中，主要选择的是意法半导体公司在Cortex-M3内核的基础上面开发的一款STM32，最终选择的信号是STM32F103RCT6，之所以选这个型号的STM32主要在于这种型号的微控制器，其器件内部含有多数的集成设备，可以满足整个系统开发的基本功能需要，它具体封装形式以及引脚分布，如图3.1所示。微控制器STM32F103VCT6是一个含有32位RISC的控制器，它处于正常的工作状态下的时候，工作的频率最高的时候能够达到72MHz，其处理数据的能力和51单片机相比的话，有很大的改善。该系统的CPU能够实现零等待周期访问读/写的操作，且其本身就带有4个片选的存放存储器和并行接口，为显示屏的显示提供了很大的方便。

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