基于STM32单片机的电子秤系统设计（原理图+PCB+程序+仿真+文章）

1.最小系统的硬件设计：

（1）上电复位电路。

（2）晶体振荡器电路。

（3）单片机电源。

2  方案设计

2.1 设计思路

以STM32为中央处理器，通过压力传感器监测货物对其造成的压力，并以电流变化输出给HX711AD模块，hx711AD芯片将模拟量转换成数字量并发送给单片机，经单片机计算后，得到当前的重量。通过安检矩阵设置货物的单价，通过加减乘除操作，算的货物的总价。LCD1602液晶显示屏上显示检测到的货物重量，设置的商品单价以及最后算出的货物总价。

2.2 系统构成

本次系统构成分为硬件系统和软件部分。硬件系统就是单片机的选型，传感器的选型，电子元器件的选择。当所有材料选型完成后，进行电子电路设计，确保每个电路的正确和畅通。之后按照设计好的电路图，将所有材料焊接起来，组成一个单片机系统。当硬件部分完成后，进行软件设计，用来控制整个单片机。这里采用KEIL软件进行软件的编程，KEIL软件集成链接器，，编译器，宏汇编，管理库和仿真调试器。采用C++语言进行整体设计，编写完成后进行测试，没有问题将生成的hex文件烧录进单片机。

STM32单片机作为整个设计的核心处理器，整体分为检测部分、显示部分、计算部分和语音播报。检测部分由压力传感器和AD转换模块组成，压力传感器将货物的压力转换成电流输出给HX711AD芯片，AD模块将模拟量转换成数字量并发送给单片机，单片机计算得出货物重量。显示部分采用LCD1602液晶显示屏，将采集到的重量和设置的单价以及计算出的总价。计算部分按键用于对重量结果进行计算，设置单价，计算出总价。

3  硬件电路设计

3.1 系统硬件原理图

本次设计采用LED1602液晶显示器显示采集到的重量、单价和总价，单片机型号为STM32单片机，压力传感器和HX711AD芯片组成重量监测部分，将压力转换成数字并发送给单片机进行计算。16个按键组成按键矩阵，通过引脚进行并联，扫描矩阵，设置单价并计算出总价。本次单片机系统采用5V直流电源进行供电，图3.1是其硬件电路原理图

图3.1 系统硬件原理图

3.2 STM32概述

以STM32103C8T6单片机为处理器，该单片机为32位处理器。内核为Cortex-M3，其并行总线结构，嵌套中断向量控制单元，调试系统和它标准的存储映射。嵌套中断向量控制器（Nested Vector Interrupt Controller,简称NVIC）是Cortex-M3处理器中一个比较关键的组件，它为基于Cortex-M3的微控制器提供了标准的中断架构和优秀的中断响应能力，为超过240个中断源提供专门的中断入口，而且可以为每个中断源赋予单独的优先级。采用NVIC可以达到非常快的中断响应速度，从收到中断请求到执行中断服务的第一条指令仅需12个周期。这种极快的响应速度一方面得益于Cortex-M3内核对堆栈的自动处理机制，这种机制是通过固化在CPU内部的微代码实现的。另一方面，在中断请求连续出现的情况下，NVIC使用一种称为“尾链”的技术，使连续而来的中断可以在6个时钟周期内得到服务。在中断的压栈阶段，更高优先级的中断可以不耗费任何额外的CPU周期就能完成嵌入低优先级中断的动作。具体的细节后面我会继续总结的。用户可以通过设置CPU自动进入低功耗状态，而使用中断来将其唤醒，CPU在中断时间来临之前会一直保持睡眠状态[7]。
　　Cortex-M3的CPU支持两种运行模式：线程模式（Thread Mode）与处理模式（Handler Mode）并且需要注意的是，这两种模式都拥有各自独立的堆栈。这种设计使得开发人员可以进行更为精密的程序设计，对实时操作系统的支持也就更好了。Cortex-M3处理器还包含了一个24位可自动重装载定的定时器，可以为内核（RTOS）提供一个周期中断。

在指令集方面，ARM7和ARM9都有两种指令集（32位指令集和16位指令集），而Cortex-M3系列处理器支持Thumb-2指令集。由于Thumb-2指令集融合了Thumb指令集和ARM指令集，使得32位指令集的性能和16位指令集的代码密度之间取得了平衡[5]。 专业嵌入式、单片机技术实训。而且，ARM Thumb-2 专门为C/C++编译器设计，这就意味着Cortex-M3系列处理器的开发应用可以全部在C语言环境中完成。
　　STM32微控制器的推出标志着ST公司在两条产品主线（低价位主线和高性能主线）上迈出了重大一步。STM32最初发布时有14个不同型号，分为两个版本：最高CPU时钟为72MHZ的“增强型”和最高CPU时钟为36MHZ的“基本型”。这些不同STM32型号里内置的Flash最大可达128KB，SRAM最大为20KB，在STM32发布之初，配置更大Flash,RAM和更复杂外设的版本就已经在规划之中了。不管是什么版本，什么型号的STM32器件，它们在引脚功能和应用软件上是兼容的。这就使得开发人员在使用STM32系列微控制器时，不必改动PCB就可以根据需要随意更换器件型号。乍一看STM32的设备配备，与往日熟悉的51单片机倒有几分相似。一般，STM32都会配备常见外设，诸如多通道ADC,通用定时器，I2C总线接口，SPI总线接口，CAN总线接口，USB控制器，实时时钟RTC等。但是，它的每一个外部设备都具有独特之处。例如，12位精度的ADC具备多种转换模式，并带有一个内部温度传感器，带有双ADC的STM32器件，还可以使两个ADC同时工作，从而衍生出了更为高级的9种转换模式；STM32的每一个定时器都具备4个捕获比较单元，而且每个定时器都可以和另外的定时器联合工作以生成更为精密的时序；STM32有专门为电机控制而设的高级定时器，带有6个死区时间可编程的PWM输出通道，同时其带有的紧急制动通道可以在异常情况出现时，强迫PWM信号输出保持在一个预订好的安全状态；SPI接口含有一个硬件CC8单元，支持8位字节和16位半字数据的CC8计算。在对SD或MMC等存储介质进行数据存取时相当有用。而且，STM32还包含了7个DMA通道。没恶搞通道都可以用来在设备与内存之间进行8位，16位，32位数据的传输。每个设备都可以向DMA控制器请求发送或者接收数据。STM32内部总线仲裁器和总线矩阵将CPU数据接口和DMA通道之间的连接大大的简化了，这就意味着DMA通道单元是很灵活的其使用方法简单，足以应付微控制器应用中常见的数据传输要求。

1. 使用ARM最新、先进的构架Cortex-M3内核
2. 出色的实时性能
3. 出色的功率控制
4. 出众和创新的外设
5. 最大程度的集成整合
6. 易于开发，可使产品
7. 快速进入市场

STM32硬件的特色接口：

1. I/O:输入/输出口
2. 低功耗模式、定时器/计数器、输入捕获
3. PWM:脉宽调变
4. A/D:模/数转换
5. DMA：直接存储器存取
6. USART、SPI:单个程序启动
7. BOOT:

STM32开发板如图2.2所示[4]

图2.4 复位电路

3.3 矩阵键盘电路

单片机的矩阵键盘电路是由4行4列共16个微动开关并联组成的电路，按键的一段连接单片机的双向I/O口，另一端接地。当按键开关处于张开状态时，I/O引脚和地断开，此时该I/O引脚处于高电平状态。当按下按键时，I/O引脚接地，此时高电平置低电平，并返回一个低电平信号给单片机。按键开关的检测其原理就是高低电平的检测。按键开关由于其拨动时间，难免产生误差，所以在编写按键函数时，要额外写一个去抖函数，提高精确性。这些按键分别表示0-9共10位数字、加减乘除功能、小数点和等于。图3.4为矩阵键盘电路原理图：

图3.3  矩阵键盘电路

3.4 电源电路

单片机的电源采用直流5V供电，电源模块包括一个3脚的电源座子和6脚的电源开关。电源座子用于连接外部的电源插头，电源开关用于控制整个单片机的电路开和关。电源座子的2口引脚接地，3口引脚仅仅起到固定的作用，没有特殊的用处，1口引脚连接到电源开关的3口引脚，电源开关的1、3口引脚和4、6口引脚的作用相同，用于电源的正极输出。电源开关的2、5口引脚作为单片机的接地引脚，在使用时采取相对的选择，即选择1、3口引脚作为输出，那么就要选择5口引脚作为接地引脚，选择4、6引脚作为输出端口，2口引脚则作为接地引脚。本次单片机的传感器和无线传输芯片的电压都在5V内，所以5V的电压足够满足。若有12V或者其他电压的传感器，则可以采取升压模块将5V提升到更高的电压，进行供电。本次设计的电源电路如图3.5所示：

图3.4 电源电路

3.5 重量监测电路

本次设计的重量监测部分由压力传感器和HX711AD模块组成，压力传感器的量程范围是0~5KG，将货物放置在压力传感器上面，压力传感器的监测原理是采用4个监测电阻，当受到压强是，其阻值变大，电路变小，通过监测电流和压力的线性比，按照一定的计算公式，监测重量。HX711AD模块将压力传感器输出引脚发送来的模拟量转换成数字量，并发送给单片机进行计算，通过公式计算出重量。HX711ad芯片是专门为电子秤设计的24位A/D转换器芯片，包括稳压电源，片内时钟振荡器等外围电路，集成度高、响应速度快、抗干扰性强，成本低，提高了整体的性能和可靠性。图3.6是重量监测电路：

图3.5 重量监测电路

本次设计采用LCD1602液晶显示器作为输出显示器，LCD1602液晶显示器是一种工业字符型液晶，从其名称中可以得知，显示屏具有2行输出，每行16个字符，能够同时显示16*2即32个字符。LCD1602液晶屏显示利用液晶的特性，通过改变电压达到控制区域显示，最终显示出想要的图形或者数字。LCD1602液晶显示屏不仅可以显示数字，还可以显示符号和字母。图3.7是LCD1602液晶屏的引脚图，从图中可以看出，引脚1是电源接地引脚，和单片机的GND联通。引脚2是VCC电源输入引脚，其工作电压为5V。引脚3—VO引脚可以调节显示屏的显示亮度，引脚4—RS引脚用于寄存器的选择，高电平时作为数据寄存器，低电平时作为指令寄存器，引脚5是RW读写信号，用于数据的读写。引脚6—EN引脚为使能端，高电平读取信息，低电平执行指令。引脚7~14是8位双向数据段口，引脚15和引脚16是背景灯的电源引脚。在和单片机进行通信时，和P0口进行连接，中间要有上拉电阻进行连接。本次设计LCD1602液晶显示屏上展示检测到的货物重量、单价和总价。其引脚连接图如图3.7所示：

图3.6  LCD1602液晶显示电路图

4  系统软件设计

4.1 软件主程序

当整个系统在运行时，各个硬件开始初始化，当初始化完成会进入显示主界面，启动的步骤为：串口初始化，LCD1602初始化，定时器初始化，压力传感器开始检测货物对其压力，HX711A/D转换模块将压力模拟量转换成数字量发送给单片机，单片机通过计算得出货物重量。扫描按键矩阵，通过按键设置货物单间，根据单价和货物重量，计算出货物总价。在LCD1602液晶显示器上显示监测到的重量、单价和总价。同时单片机通过引脚控制.语音芯片通过扬声器播报检测到的重量和总价。主程序流程图如图4.1所示：

4.2 LCD1602显示子程序

       LCD1602液晶显示屏上电后，首先进行初始化操作，屏幕清零，内部存储清空。之后和单片机进行双向通信，单片机控制显示屏亮度和显示内容，延时一定时间后，将检测到的货物重量显示在液晶屏上，扫描监测矩阵键盘，显示单价和计算出的总价。单片机操控写入引脚写入要显示内容的命令。之后显示屏执行指令，将内容显示出来。始化显示内容为uchar code Init1[]="WELCOME:  ";lcd延迟void LCDdelay(uint z)；写入命令void write_com(uchar com)；写数据void write_data(uchar date)；初始化void Init1602(){write_com(0x38)读取字节for(i=0;i<14;i++) {write_data(Init1[i]);}LCD1602显示流程图如图4.2所示：

图4.2 LCD1602初始化流程图

4.4 重量检测子程序

当单片机上电后，各个传感器开始工作，单片机给压力传感器发送指令，进入重量监测子程序，首先进行传感器初始化，然后设置引脚输出，通过压力传感器监侧货物对其造成的压力并转换成电流模拟量发送给HX711a/d转换模块，HX711将模拟量通过相应的公式转换成数字量，并发送给单片机进行处理。其流程图如图4.4所示：

图4.4 重量检测子程序

4.5 按键子程序

本次设计按键电路功能不多，主要包括0-9共10个数字和加减乘除、小数点和等于功能。单片机的按键具有4个引脚，相同的一侧是连接的，16个按键并联在一起，只要将相同的引脚连接一起即可。按键的工作原理就是对低电平信号的检测，在主程序中，循环执行检测，一旦检测到按键低电平信号，单片机产生信号中断，进入按键子程序中。16个按键分别表示数字选择，小数点选择，加减乘除计算和等于功能。分别用16个函数执行不同的操作，注意进行延时操作，防止误差。判断按键是否按下if(K1==0){while(K1==0)去延时，数值选择1;if(K2==0){delay_key()延迟，然后while(K2==0);是否按下如果按下，数选择2。if(K3==0){while(K3==0)数值选择3……，如果按下，则设置成功。按键可以用来设置货物单价，并和重量进行计算得出总价。流程图如下：流程图如4-5所示：

5 系统调试

5.1 Proteus仿真

按照原理图使用Proteus软件进行电路仿真，系统功能完全符合预期。由于在软件中没有压力传感器，且HX711芯片也只提供核心部分，所以这里以四个滑动变阻器代替压力传感器，并根据HX711芯片手册，自行搭建了HX711外围电路。仿真结果如图5.1所示。

图5.1  Proteus仿真

5.3 功能调试

单片机焊接测试没问题后，进行功能调试，测试软件是否正确。首先给单片机重新上电，这时LCD1602液晶屏首先进行初始化操作，LCD1602液晶屏上应该出现“INIT”，这一步没问题后，接下来测试各个传感器功能。 当供电后，进入主页面，主页面分为两行，上面显示测得的货物重量，下面显示按键矩阵设置的单价和计算出来的总价。将货物放置在压力传感器上，就可以在LCD1602液晶显示屏上看到货物的重量。按下矩阵按键，可以在LCD1602液晶显示屏上显示设置的货物单价，通过按键矩阵计算得出货物总价并显示。同时.语音芯片控制扬声器播报此时的货物重量和总价。至此，所有功能测试完成。

经过这几个月的努力，毕业设计终于完成了。根据以往的经验，较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于压力传感器模块与微机处理器之间采用串行数据传送，因此，在对压力传感器进行程序编写时，必须严格保重读写时序，否则将无法读取重量结果。在此次毕业设计中，老师的指导对我而言是及其重要的，从论文选题到整体思路，从材料购买到电路设计，从硬件焊接到软件编写，其中的复杂度超出自己的预想，能够顺利的进行下来，这里还要感谢老师的指导，

本设计论文系统描述了基于STM32单片机的电子秤系统功能和思路以及对各个芯片的相关使用方法。这次设计中，系统的原理，芯片的选型、引脚功能、使用的优缺点，硬件的设计，电路的连接，程序编写等。对于这些问题的解决，需要相关的专业知识，在本次设计中极大的提高了自己的专业知识，对各个知识点综合理解。通过这次的毕业设计使我对单片机有了更深刻的认识，使我在大学课堂上学的理论知识通过实践变的更加深刻，为我以后在接触单片机方面的工作打下了扎实的基础，其次在这次毕业设计中也锻炼了我独立解决困难问题的能力，培养了我的团队合作精神。

针对基于STM32单片机的电子秤系统的现状和所要研究问题的分析，提出了一种采用压力传感器和矩阵键盘，并运用STM32作为控制芯片的电子秤系统，接着从单片机的结构，原理分析起，再熟悉了STM32的工作原理及使用方法后，详细的分析了压力传感器模块的结构、工作原理和检测原理的方法，最后又简要了解下语音播报的工作原理。在这个过程中我查阅了大量的相关资料，综合所分析所有内容，再结合单片机基本知识设计了系统电路，通过仿真确定了功能的可实现性，最后做出实物。通过这次学习，并亲自动手制作焊接，学到了很多，也加强了很多大学学习的基本技能，是理论与实际得到很好的结合，在这个过程中，也和同学进行了很多沟通，交流，体会到了团队合作的乐趣，经过最后的调试，系统成功的实现了设计功能，由于时间有限和本身知识水平的欠缺，所以本系统可能还有需要改进和提高的地方。

资料获取：

见下方