智能地磅系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 1緒論1.1研究背景和目的隨著社會(huì)運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確稱重的需求日益增加。傳統(tǒng)地磅作為車輛重量檢測(cè)的主要設(shè)備，存在諸多不足，例如依賴人工操作效率低下、手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)易出錯(cuò)、系統(tǒng)普遍探簡(jiǎn)陋無(wú)法遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題。為解決這些痛點(diǎn)，迫切需要通過(guò)智能化改造，設(shè)計(jì)一種高度自動(dòng)化、信息化的新型地磅系統(tǒng)，以提高工作效率，降低人工成本。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的智能地磅控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)識(shí)別車輛、無(wú)人值守稱重、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、手機(jī)遠(yuǎn)程控制等，精度高、使用方便、成本較低，可有效解決傳統(tǒng)地磅的種種弊端，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)在物流運(yùn)輸、工廠倉(cāng)儲(chǔ)、超限超載檢測(cè)、貨車收費(fèi)站等領(lǐng)域都有廣闊的推廣前景[1]。智能地磅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)旨在解決傳統(tǒng)地磅系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題,提高稱重的準(zhǔn)確性、效率和自動(dòng)化水平。具體來(lái)說(shuō),該系統(tǒng)的主要目的包括:1.自動(dòng)識(shí)別和跟蹤物體通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù),能夠自動(dòng)識(shí)別和跟蹤需要稱重的物體,避免人工操作的低效和失誤[2]。2.精準(zhǔn)稱重和數(shù)據(jù)采集利用高精度的傳感器和稱重芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的精準(zhǔn)稱重,并自動(dòng)采集和存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù),減少人為誤差[3]。3.智能化數(shù)據(jù)管理和分析將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化管理和分析,為企業(yè)的決策提供數(shù)據(jù)支持,實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸和生產(chǎn)的精細(xì)化管理[4]。4.系統(tǒng)集成和自動(dòng)控制將稱重系統(tǒng)與生產(chǎn)線、物流系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備無(wú)縫集成,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率[5]。通過(guò)智能地磅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),可以顯著提升稱重的準(zhǔn)確性和效率,優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)流程,降低人力和物力成本,促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此,該項(xiàng)目不僅具有重要的理論價(jià)值,也有廣闊的應(yīng)用前景[6]。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi),智能地磅系統(tǒng)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:1.傳感器和稱重技術(shù)許多學(xué)者專注于研究新型高精度稱重傳感器和稱重芯片,以提高稱重的準(zhǔn)確性。如清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于電磁力的高精度稱重傳感器,能夠有效克服傳統(tǒng)傳感器的非線性、溫漂等問(wèn)題。2.計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理自動(dòng)識(shí)別和跟蹤物體是智能地磅系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)多所高校和研究機(jī)構(gòu)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理算法方面進(jìn)行了大量研究,如華中科技大學(xué)提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的車輛檢測(cè)和跟蹤算法,能夠準(zhǔn)確識(shí)別和跟蹤車輛[7]。3.數(shù)據(jù)管理和分析許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)專注于智能化的數(shù)據(jù)管理和分析,以挖掘稱重?cái)?shù)據(jù)的潛在價(jià)值。例如,浙江大學(xué)提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的物流優(yōu)化算法,可以有效優(yōu)化物流路線和降低運(yùn)輸成本[8]。4.系統(tǒng)集成和自動(dòng)控制一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)著力于將智能地磅系統(tǒng)與生產(chǎn)線、物流系統(tǒng)等其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫集成,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和優(yōu)化整體運(yùn)行效率。如上海交通大學(xué)與某重型機(jī)械企業(yè)合作,開發(fā)了一套基于智能地磅系統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。總的來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)在智能地磅系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都有許多創(chuàng)新性的研究成果,但大多數(shù)研究仍處于理論探索或小規(guī)模應(yīng)用階段,與實(shí)際生產(chǎn)需求還存在一定差距,需要進(jìn)一步深入研究和產(chǎn)業(yè)化推廣[9]。在國(guó)外,智能地磅系統(tǒng)的研究相對(duì)領(lǐng)先,主要集中在以下幾個(gè)方面:1.高精度傳感器和芯片國(guó)外一些科技公司在高精度傳感器和芯片方面已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。如美國(guó)MettlerToledo公司開發(fā)的高精度稱重傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)0.1克的分辨率,在航空航天、制藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10]。2.計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能算法國(guó)外學(xué)術(shù)界和科技公司在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能算法方面處于領(lǐng)先地位。例如,谷歌公司的視覺(jué)AI系統(tǒng)能夠以極高的準(zhǔn)確率識(shí)別和跟蹤各種物體,可以為智能地磅系統(tǒng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持[11]。3.大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算諸如亞馬遜、微軟等科技巨頭在大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備,可以為智能地磅系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和分析提供強(qiáng)大的支持[12]。4.工業(yè)4.0和智能制造歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家正大力推進(jìn)工業(yè)4.0和智能制造,智能地磅系統(tǒng)作為其中的重要組成部分,受到高度重視。如德國(guó)西門子公司推出了一系列智能工廠解決方案,其中包括智能稱重系統(tǒng)[13]。總的來(lái)說(shuō),國(guó)外在智能地磅系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都處于領(lǐng)先地位,不僅在理論研究方面取得重要進(jìn)展,而且在實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面也走在前列。但與此同時(shí),國(guó)外對(duì)于智能地磅系統(tǒng)的需求也更加迫切,因此這一領(lǐng)域的研究和競(jìng)爭(zhēng)也將日趨白熱化。綜上所述,智能地磅系統(tǒng)作為新興的交叉學(xué)科,其研究和應(yīng)用前景廣闊,吸引了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注。但與此同時(shí),這一領(lǐng)域也面臨著諸多挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步深入研究和創(chuàng)新,才能真正實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的稱重,為企業(yè)的高效運(yùn)營(yíng)提供有力支持。1.3研究?jī)?nèi)容本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103C8T6單片機(jī)的智能地磅控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了OLED顯示模塊、RFID讀卡模塊、稱重傳感器模塊、紅外檢測(cè)模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、4G通信模塊、存儲(chǔ)模塊、舵機(jī)執(zhí)行模塊等多個(gè)功能單元，實(shí)現(xiàn)了車輛信息錄入、自動(dòng)精準(zhǔn)稱重、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)提示語(yǔ)音播報(bào)、OLED顯示數(shù)據(jù)、4G遠(yuǎn)程無(wú)線控制等智能化功能，大幅提高了稱重作業(yè)的自動(dòng)化和信息化水平。在硬件設(shè)計(jì)方面，通過(guò)對(duì)各功能模塊的電路原理分析，確定關(guān)鍵器件選型并完成電路連接，構(gòu)建出能夠穩(wěn)定運(yùn)行的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)；在軟件設(shè)計(jì)方面，基于Keil4集成開發(fā)環(huán)境，編寫STM32單片機(jī)的控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件各模塊的初始化和功能調(diào)用，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)同高效運(yùn)行。通過(guò)硬件和軟件的雙重設(shè)計(jì)，成功研發(fā)出具有創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值的智能地磅控制系統(tǒng)。2功能與設(shè)計(jì)方案畢業(yè)設(shè)計(jì)2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)的功能要求車輛識(shí)別功能：能夠自動(dòng)識(shí)別進(jìn)入的車輛信息，包括車牌號(hào)、車型、所屬單位等，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)查詢。自動(dòng)稱重功能：能夠自動(dòng)啟動(dòng)稱重程序，獲取精確的車輛重量數(shù)據(jù)，無(wú)需人工操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：能夠?qū)⒚看畏Q重的數(shù)據(jù)、時(shí)間、車輛信息等記錄存儲(chǔ)，形成完整的計(jì)重記錄，便于查詢統(tǒng)計(jì)分析。遠(yuǎn)程控制功能：支持無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，用戶可通過(guò)手機(jī)APP、平板或PC等終端設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)送控制指令。人機(jī)交互功能：具備語(yǔ)音播報(bào)、顯示屏提示等功能，方便用戶了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和處理結(jié)果。執(zhí)行控制功能：能夠根據(jù)狀態(tài)變化自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)如舵機(jī)、大門等，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的控制。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖2.1所示，為實(shí)現(xiàn)上述功能需求，本文提出了基于STM32F103C8T6單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用模塊化的集成設(shè)計(jì)思路，利用主控單片機(jī)與多個(gè)功能模塊電路互連，組建高度集成的智能控制系統(tǒng)。具體包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊：選用性價(jià)比高、資源豐富的STM32F103C8T6作為系統(tǒng)主控芯片，負(fù)責(zé)對(duì)外部多個(gè)模塊進(jìn)行初始化并協(xié)調(diào)它們的工作。顯示模塊：配備OLED顯示屏，用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)、車輛信息、稱重?cái)?shù)據(jù)等。RFID識(shí)別模塊：使用RC522無(wú)線射頻識(shí)別芯片，自動(dòng)讀取車輛RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)的車輛ID信息。稱重檢測(cè)模塊：利用HX711傳感器放大芯片與應(yīng)變式傳感器配合，組成高精度電子地磅，檢測(cè)車輛實(shí)時(shí)重量數(shù)據(jù)。紅外檢測(cè)模塊：利用紅外對(duì)管原理，精準(zhǔn)檢測(cè)車輛的進(jìn)出狀態(tài)，控制舵機(jī)大門的開閉時(shí)機(jī)。語(yǔ)音播報(bào)模塊：集成SU-03T語(yǔ)音合成芯片，可播報(bào)各種系統(tǒng)狀態(tài)、操作提示音等語(yǔ)音信息。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：使用AT24C02串行EEPROM存儲(chǔ)器，記錄每次稱重的詳細(xì)數(shù)據(jù)。通訊模塊：選用工業(yè)級(jí)性能卓越的Air724UG4G通信模塊，與云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。執(zhí)行模塊：利用舵機(jī)控制大門開閉，方便車輛進(jìn)出稱重區(qū)。通過(guò)這種高度模塊化和系統(tǒng)集成的方案設(shè)計(jì)，最終構(gòu)建出一套功能完備、性能可靠的智能地磅控制硬件平臺(tái)。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對(duì)比2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STC89C52是傳統(tǒng)的51單片機(jī)系列產(chǎn)品，由于采用8位Harvard架構(gòu)的設(shè)計(jì)，資源匱乏，只有少量的8KB代碼存儲(chǔ)空間和256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，指令系統(tǒng)也相對(duì)簡(jiǎn)單。受限于硬件條件，89C52的運(yùn)算能力、處理速度均較為有限，存在明顯的性能瓶頸。同時(shí)，該系列產(chǎn)品的發(fā)展幾乎已停滯，配套的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)日益陳舊，缺乏有力的技術(shù)支持和持續(xù)更新。因此，對(duì)于復(fù)雜的智能系統(tǒng)而言，89C52芯片的資源和性能已經(jīng)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，這使其在未來(lái)的產(chǎn)品開發(fā)和升級(jí)中將面臨諸多限制，缺乏良好的可擴(kuò)展性和兼容性。編程開發(fā)方面，89C52的匯編指令較為繁瑣、編程難度較大，對(duì)工程師的專業(yè)能力要求較高，給產(chǎn)品的二次開發(fā)帶來(lái)諸多不便。所以從技術(shù)層面來(lái)看，繼續(xù)沿用89C52這種落后的芯片方案并不可取[14]。方案二：STM32F103C8T6屬于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位RISC處理器系列，具有較先進(jìn)的指令集架構(gòu)和運(yùn)算速度，體現(xiàn)了嵌入式芯片設(shè)計(jì)的新潮流。相較于89C52，STM32擁有多項(xiàng)突出的性能優(yōu)勢(shì)：采用32位數(shù)據(jù)路徑，數(shù)據(jù)處理能力提升4倍，主頻更高達(dá)72MHz。具備512KB的較大存儲(chǔ)空間，單片機(jī)資源更加充足。軟硬件生態(tài)系統(tǒng)十分成熟，軟件調(diào)試、外設(shè)驅(qū)動(dòng)等工具支持完備。擁有豐富的外設(shè)資源，如USB、CAN、IIC、SPI等通信接口。指令架構(gòu)優(yōu)化，運(yùn)行時(shí)的功耗較低，代碼密度也大幅提升。ARM的開放指令集架構(gòu)、規(guī)范的體系結(jié)構(gòu)和編程模型有利于軟硬件移植。芯片廠商ST不斷推出產(chǎn)品升級(jí)換代，有利于系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)使得STM32F103C8T6能夠完全匹配智能地磅系統(tǒng)的各項(xiàng)硬件要求，處理能力和擴(kuò)展空間都遠(yuǎn)超傳統(tǒng)51系列。在軟件開發(fā)方面，其編程環(huán)境與主流的PC端操作系統(tǒng)更加貼近，工具鏈較為完善、調(diào)試較為便捷，有利于提高工程效率。此外ARM生態(tài)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為人才儲(chǔ)備和二次開發(fā)提供了有利條件。因此，從性能、功能、可靠性、可擴(kuò)展性等多方面考慮，本設(shè)計(jì)最終選擇STM32F103C8T6作為智能地磅系統(tǒng)的核心控制單元。這一方案不僅滿足了當(dāng)前的設(shè)計(jì)需求，而且為后續(xù)產(chǎn)品的迭代升級(jí)預(yù)留了足夠的空間，具有非常高的價(jià)值[15]。2.3.2顯示模塊的選擇方案一：OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）顯示模塊憑借自發(fā)光、高對(duì)比度、無(wú)視角問(wèn)題、響應(yīng)速度快、省電等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景。OLED顯示原理是利用有機(jī)材料在通電后會(huì)發(fā)光的電致發(fā)光現(xiàn)象，每個(gè)發(fā)光二極管像素都由陽(yáng)極和陰極組成，兩者之間填充有有機(jī)發(fā)光材料。當(dāng)給有機(jī)材料通電后，由陰極注入的電子和陽(yáng)極注入的空穴在有機(jī)材料內(nèi)復(fù)合，使材料發(fā)光[16]。OLED模塊具有自發(fā)光特性，因此無(wú)需昂貴的背光源，結(jié)構(gòu)緊湊且無(wú)浪費(fèi)能量，從而功耗較低。同時(shí)視角范圍可達(dá)180度，無(wú)論從任何角度觀看顯示效果都不會(huì)變差?？焖俚捻憫?yīng)速度也使OLED尤其適合顯示動(dòng)態(tài)內(nèi)容，而且對(duì)比度高，圖像顯示效果細(xì)膩性更好。此外，OLED模塊采用簡(jiǎn)單的IIC/SPI接口與MCU相連，編程接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，開發(fā)過(guò)程中只需遵循通信協(xié)議即可輕松驅(qū)動(dòng)。與液晶顯示器相比，OLED模塊在尺寸、重量、響應(yīng)速度、對(duì)比度、視角、功耗等多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)?？紤]到智能地磅系統(tǒng)對(duì)顯示模塊的各項(xiàng)要求，OLED顯示模塊無(wú)疑是最合適的選擇[17]。方案二：LCD1602液晶顯示器雖然在早期的單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛，但已顯示出一些不足。首先，LCD1602的顯示區(qū)域受限，只有2行16列的小尺寸，畫面信息有限；其次存在一定視角限制問(wèn)題，觀看效果會(huì)隨角度變化而變差；再者LCD反應(yīng)較慢，無(wú)法完美顯示動(dòng)態(tài)內(nèi)容；最后由于需要背光源，功耗較高。這些缺陷使得LCD1602已無(wú)法完全滿足現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)對(duì)顯示性能的要求，相比之下OLED模塊則具有諸多優(yōu)勢(shì)。因此，本設(shè)計(jì)方案選擇OLED作為顯示模塊。2.3.3通信模塊的選擇方案一：ESP8266是目前應(yīng)用最廣泛的WIFI模塊之一，其最大優(yōu)勢(shì)在于成本低廉、編程簡(jiǎn)單。ESP8266內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，用戶只需調(diào)用簡(jiǎn)單的指令集即可與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無(wú)需在MCU中編寫復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信程序。但需要注意的是，ESP8266作為WIFI通訊模塊，必然對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有一定要求，在信號(hào)較差或無(wú)法連接網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下就無(wú)法正常工作，應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)受到局限。此外，WIFI本身的功耗就較高，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)加重系統(tǒng)能耗。最后，WIFI雖然可以覆蓋范圍較廣，但畢竟還是局域網(wǎng)通信，跨網(wǎng)段或遠(yuǎn)距離通訊的能力依然有限[18]。方案二：Air724UG是工業(yè)級(jí)4G通訊模塊，采用LTECAT1芯片方案，相比WIFI模塊具有多方面的優(yōu)越性：支持全網(wǎng)通，可在中國(guó)大陸、香港、澳門以及世界各地使用，不受地理位置限制。工作于4G/3G/2G公網(wǎng)，無(wú)需連接路由器，wherever提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)即可使用。內(nèi)置TCPIP協(xié)議棧，支持多種應(yīng)用層協(xié)議，且具備網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能。數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbps（下行）和5Mbps（上行），足以滿足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求。模塊功耗極低，供電方式簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)勁，適用于各種環(huán)境。無(wú)需編寫復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通訊程序，只需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)AT指令即可配置和控制。支持多路數(shù)據(jù)通道，可與云端服務(wù)器、手機(jī)終端等進(jìn)行連接。這些卓越的性能使得Air724UG模塊非常適合遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用場(chǎng)景。相較于WIFI模塊，4G模塊在信號(hào)覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、數(shù)據(jù)傳輸速率等方面都具備很大優(yōu)勢(shì)。因此，為確保智能地磅系統(tǒng)具備遠(yuǎn)距離無(wú)線通訊和控制的能力，提高系統(tǒng)的適用范圍和靈活性，本設(shè)計(jì)方案選擇Air724UG4G模塊作為通訊單元。雖然成本上略高于WIFI模塊，但通信性能的提升是非常值得的[19]。畢業(yè)設(shè)計(jì)4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)PAGE23 3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103單片機(jī)如圖3.1所示，STM32F103C8T6單片機(jī)基于ARMCortex-M3內(nèi)核，具備強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)資源。其高速主頻、大容量存儲(chǔ)空間和多樣化的通信接口，使其成為本系統(tǒng)的理想選擇。STM32F103C8T6資源豐富，能夠快速響應(yīng)多任務(wù)處理，支持復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)。其低功耗特性確保了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，而其廣泛的生態(tài)系統(tǒng)提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和驅(qū)動(dòng)支持，便于快速開發(fā)。STM32F103C8T6作為核心控制單元，通過(guò)GPIO引腳與其他硬件模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的初始化和功能調(diào)用。該芯片最高主頻可達(dá)72MHz，搭載512KB閃存和64KBSRAM，擁有豐富的通信接口（包括3個(gè)USART、2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)CAN、USBOTG等）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、定時(shí)器等資源，因此資源儲(chǔ)備非常雄厚，處理能力出眾。芯片背后的設(shè)計(jì)思想是，通過(guò)內(nèi)核的指令簡(jiǎn)化和流水線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗，同時(shí)兼容ARM7內(nèi)核指令集，使開發(fā)變得更加高效。芯片工作時(shí)，需要對(duì)各個(gè)內(nèi)部外設(shè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置。首先進(jìn)入系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)，然后利用狀態(tài)機(jī)切換到不同模式來(lái)執(zhí)行配置，對(duì)存儲(chǔ)器、總線、時(shí)鐘、中斷向量等資源進(jìn)行分配和規(guī)劃。配置完成后，MCU根據(jù)編寫的程序代碼在主循環(huán)中調(diào)用不同的功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)具體任務(wù)，如控制OLED顯示、與RFID模塊數(shù)據(jù)交互、獲取重力傳感器數(shù)據(jù)等。由于該芯片資源豐富且架構(gòu)先進(jìn)，因此具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和控制能力，能夠高效驅(qū)動(dòng)其他多個(gè)外圍模塊協(xié)同工作[20]。圖3.1STM32F103單片機(jī)接線情況3.2OLED模塊OLED顯示模塊具有自發(fā)光、高對(duì)比度、無(wú)視角限制等優(yōu)點(diǎn)，適合嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景。它能夠?yàn)橛脩籼峁┣逦⒅庇^的界面顯示。OLED模塊功耗低，響應(yīng)速度快，尤其適合顯示動(dòng)態(tài)內(nèi)容。與LCD相比，OLED無(wú)需背光源，節(jié)省了系統(tǒng)能耗。OLED模塊通過(guò)SPI接口與STM32單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和顯示內(nèi)容的實(shí)時(shí)更新。OLED顯示模塊可以看作由有機(jī)材料制成的無(wú)源發(fā)光二極管陣列組成的平板顯示器件，與LCD液晶顯示屏不同，OLED顯示原理是利用有機(jī)材料在通電后會(huì)自身發(fā)光的電致發(fā)光現(xiàn)象。這使得OLED模塊具有自發(fā)光、響應(yīng)速度快、對(duì)比度高、無(wú)視角問(wèn)題等諸多優(yōu)勢(shì)，非常適合用于智能設(shè)備顯示界面。本系統(tǒng)中的OLED顯示模塊采用4線SPI接口與STM32單片機(jī)相連。它的工作原理是：首先單片機(jī)通過(guò)SPI總線向OLED驅(qū)動(dòng)芯片（如SSD1306）寫入顯示數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)芯片再解碼這些數(shù)據(jù)，控制OLED面板上大量發(fā)光二極管有序點(diǎn)亮，形成所需的文字、圖標(biāo)等畫面。OLED模塊尺寸一般只有幾平方厘米，非常貼合嵌入式設(shè)備的緊湊布局要求。與液晶顯示器相比，它無(wú)需貴重的背光源，功耗更低；并且響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)顯示效果出色；視角范圍可達(dá)180度，幾乎無(wú)角度遮擋。同時(shí)編程接口簡(jiǎn)單，只需遵循SPI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議即可輕松驅(qū)動(dòng)。這些特性決定了OLED是智能地磅系統(tǒng)中理想的顯示硬件解決方案。圖3.2OLED模塊實(shí)際接線圖3.3Air724UG模塊Air724UG模塊支持全網(wǎng)通，不受地理位置限制，能夠確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和遠(yuǎn)程控制。模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多種應(yīng)用層協(xié)議，且具備網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能。其高速數(shù)據(jù)傳輸速率和優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，滿足了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆ir724UG通過(guò)UART接口與STM32單片機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。Air724UG是工業(yè)級(jí)4G通信模塊，集成了GPRS/EDGE/WCDMA/TD-SCDMA/TD-LTE等多種無(wú)線通信技術(shù)，支持全網(wǎng)通，可在中國(guó)大陸、香港、澳門以及海外國(guó)家和地區(qū)使用。模塊硬件采用LTECAT1芯片方案，最高下載速率可達(dá)10Mbps，上傳速率5Mbps，足以滿足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求。該模塊內(nèi)置TCPIP協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能，只需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)AT指令即可進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)收發(fā)，對(duì)MCU側(cè)的編程要求很低。同時(shí)模塊支持多路數(shù)據(jù)通道，既能與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，也可以直接與手機(jī)或其他終端設(shè)備通訊。在智能地磅系統(tǒng)中，4G模塊將會(huì)與服務(wù)器實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程控制等通信功能。模塊的工作過(guò)程通過(guò)串口將模塊設(shè)置為工作模式，然后注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)，建立與目標(biāo)服務(wù)器的連接。之后單片機(jī)將需要上傳的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給模塊，模塊將數(shù)據(jù)打包后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。同理，如果服務(wù)器有控制指令下發(fā)，模塊也會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)。除了傳輸數(shù)據(jù)，模塊還能獲取網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、消費(fèi)流量等狀態(tài)信息。圖3.3Air724UG模塊實(shí)際接線圖3.4SU-03T模塊本系統(tǒng)選擇SU-03T模塊作為智能地磅系統(tǒng)的語(yǔ)音交互組件，主要基于其多功能的集成性和使用的便捷性。SU-03T不僅支持多種語(yǔ)言的語(yǔ)音播放，還具備語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別及MP3解碼等強(qiáng)大功能，這極大地豐富了地磅系統(tǒng)的用戶交互方式。該模塊通過(guò)簡(jiǎn)單的串口連接即可與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，便于系統(tǒng)的集成和維護(hù)。在設(shè)計(jì)中，我們利用SU-03T的語(yǔ)音合成功能，通過(guò)單片機(jī)發(fā)送特定的語(yǔ)音編號(hào)指令，來(lái)驅(qū)動(dòng)模塊播放相應(yīng)的語(yǔ)音內(nèi)容。這種設(shè)計(jì)方式使得系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的操作狀態(tài)和用戶需求，實(shí)時(shí)播報(bào)相關(guān)的提示信息，如“車輛已識(shí)別”、“正在稱重”等，從而為用戶提供了一個(gè)直觀且友好的語(yǔ)音交互體驗(yàn)。SU-03T模塊的錄音功能也為系統(tǒng)提供了更多的靈活性。在需要時(shí)，系統(tǒng)可以錄制并存儲(chǔ)用戶的語(yǔ)音指令，為后續(xù)的語(yǔ)音識(shí)別和處理提供數(shù)據(jù)支持。總的來(lái)說(shuō)，SU-03T模塊在智能地磅系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅提升了系統(tǒng)的交互性和用戶體驗(yàn)，還通過(guò)其多功能的集成，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。同時(shí)，該模塊的易用性和靈活性也使得系統(tǒng)能夠更好地滿足不同用戶的需求，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的人性化水平。特別是對(duì)于視力障礙人士，語(yǔ)音交互功能提供了極大的便利，使得他們也能輕松使用智能地磅系統(tǒng)。圖3.4SU-03T模塊實(shí)際接線圖3.5紅外對(duì)管模塊在智能地磅系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)非接觸式的車輛檢測(cè)，我們選擇了紅外對(duì)管模塊。該模塊利用紅外線的遮擋與否來(lái)判斷車輛的存在，具有反應(yīng)速度快、安裝簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)遮擋紅外線，從而觸發(fā)接收管的信號(hào)變化。這種設(shè)計(jì)不僅解決了傳統(tǒng)機(jī)械式傳感器易磨損、維護(hù)成本高的問(wèn)題，還提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。 具體設(shè)計(jì)中，紅外對(duì)管模塊被安裝在車輛入口和出口處，通過(guò)簡(jiǎn)單的電路連接至控制系統(tǒng)。發(fā)射管和接收管分別接線至電源和信號(hào)采集電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛駛?cè)牒婉傠x狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。紅外對(duì)管又稱光電對(duì)管或檢波器，是一種常見(jiàn)的光電開關(guān)元件，主要由一個(gè)發(fā)射管和一個(gè)接收管組成。發(fā)射管發(fā)射出的紅外線，在沒(méi)有遮擋時(shí)會(huì)直接進(jìn)入接收管；但如果有障礙物遮擋，則接收管接收不到反射的紅外線?；谶@種"有無(wú)遮擋"的工作原理，紅外對(duì)管可以被用于檢測(cè)目標(biāo)物體的位置或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在智能地磅系統(tǒng)中，安裝了兩個(gè)紅外對(duì)管模塊，分別位于車輛入口和出口處，用于檢測(cè)車輛駛?cè)牒婉傠x的時(shí)機(jī)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)對(duì)管的紅外通路被遮擋時(shí)，判定車輛已經(jīng)駛?cè)敕Q重區(qū)，此時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)控制舵機(jī)打開大門，同時(shí)啟動(dòng)稱重程序；當(dāng)?shù)诙€(gè)對(duì)管的紅外通路被遮擋時(shí)，即可判定車輛已全部駛出稱重區(qū)，隨即關(guān)閉舵機(jī)大門，并上傳最終的稱重結(jié)果數(shù)據(jù)。對(duì)于此類光電式檢測(cè)任務(wù)，紅外對(duì)管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需外部供電、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，是智能地磅系統(tǒng)識(shí)別車輛位置狀態(tài)的理想硬件選擇。圖3.5紅外對(duì)管模塊實(shí)際接線圖3.6HX711模塊為了實(shí)現(xiàn)高精度的重量測(cè)量，我們選擇了HX711模塊。這款24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片專為高精度電子秤設(shè)計(jì)，其內(nèi)置的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字處理功能，能夠確保稱重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的稱重傳感器相比，HX711無(wú)需外部A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在連接方面，HX711通過(guò)簡(jiǎn)單的接口與STM32單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸和處理。此外，其內(nèi)置的增益放大電路可根據(jù)傳感器的輸出電平進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，進(jìn)一步提高了稱重的靈敏度和精度。HX711是一款專為電子秤設(shè)計(jì)的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它內(nèi)置編程邏輯電路，可直接與電阻應(yīng)變式傳感器并聯(lián)工作，自動(dòng)管理芯片收發(fā)和數(shù)據(jù)處理的全過(guò)程，HX711無(wú)需通過(guò)外部A/D轉(zhuǎn)換器或其他芯片輔助，即可獲得高精度的稱重?cái)?shù)據(jù)輸出。芯片內(nèi)部集成了24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器、內(nèi)部振蕩器等關(guān)鍵電路。工作時(shí)，應(yīng)變傳感器檢測(cè)到載重物的重量變化會(huì)導(dǎo)致其電阻值微小改變，HX711將這一微小的模擬量放大后送入Σ-Δ調(diào)制器，進(jìn)行數(shù)字濾波、放大、去毛刺等數(shù)字處理，最終輸出高精度的24位數(shù)字重量數(shù)據(jù)。HX711通過(guò)并行雙向數(shù)據(jù)接口與STM32單片機(jī)連接，支持免掉濾波和計(jì)算等步驟，直接獲取經(jīng)過(guò)數(shù)字處理的凈重?cái)?shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，HX711內(nèi)置兩路編程增益放大電路，可根據(jù)應(yīng)變傳感器輸出電平的不同選擇合適的增益放大倍數(shù)，提高稱重靈敏度。采用HX711芯片不僅極大地提高了稱重精確度和抗干擾能力，同時(shí)也減小了硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度，只需將其與應(yīng)變式傳感器合理布線，即可組建高性能的電子地磅。因此，HX711是智能地磅稱重系統(tǒng)中理想的硬件解決方案。圖3.6HX711模塊實(shí)際接線圖3.7RFID模塊為了實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)識(shí)別和信息管理，我們采用了RC522RFID模塊。該模塊基于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，能夠在短距離內(nèi)快速讀取RFID標(biāo)簽中的信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的自動(dòng)識(shí)別和跟蹤。這不僅提高了車輛通行的效率，還避免了人工輸入信息的錯(cuò)誤和繁瑣。RC522模塊與單片機(jī)通過(guò)串行接口相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速交換。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，RFID讀寫器會(huì)激活車輛上的RFID標(biāo)簽，并讀取其中的信息。這些信息隨后被傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的自動(dòng)識(shí)別和管理。RC522是一款低功耗、短距離的無(wú)線射頻識(shí)別芯片，采用了非接觸式的MIFARE@PICC卡高頻無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，工作頻率為13.56MHz。通過(guò)無(wú)線電磁感應(yīng)原理，RC522芯片可以對(duì)距離幾厘米的RFID標(biāo)簽卡進(jìn)行讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物品的自動(dòng)識(shí)別。RFID系統(tǒng)的基本組成包括讀寫器、天線電路和電子標(biāo)簽（射頻卡）三部分。天線電路負(fù)責(zé)發(fā)射無(wú)線信號(hào)和傳遞芯片數(shù)據(jù)，讀寫器負(fù)責(zé)控制整個(gè)讀寫過(guò)程并與外部通信，而標(biāo)簽卡則是存儲(chǔ)信息的載體。在智能地磅系統(tǒng)中，RC522模塊將作為RFID讀寫器，與單片機(jī)連接后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別車輛編號(hào)、類型等信息。通過(guò)RC522發(fā)出無(wú)線信號(hào)激活車輛上的RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽接收到信號(hào)后將自身固有的ID號(hào)或其他存儲(chǔ)信息無(wú)線回傳給RC522。單片機(jī)再與RC522進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取到車輛的身份識(shí)別號(hào)碼，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)備用。當(dāng)該車輛需要稱重時(shí)，直接核查之前的RFID識(shí)別結(jié)果，即可獲知車輛信息，省去了人工輸入的麻煩，提高了工作效率。圖3.6RFID模塊實(shí)際接線圖3.8舵機(jī)模塊為了實(shí)現(xiàn)地磅系統(tǒng)的自動(dòng)化操作，我們選擇了舵機(jī)模塊作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。舵機(jī)能夠根據(jù)控制信號(hào)精確地旋轉(zhuǎn)到指定角度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)通道大門的自動(dòng)控制。與傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)相比，舵機(jī)具有響應(yīng)速度快、定位精確、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。舵機(jī)通過(guò)PWM信號(hào)與單片機(jī)相連。當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到車輛駛?cè)牖蝰傠x時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的PWM信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了大門的自動(dòng)開閉功能，還提高了系統(tǒng)的智能化水平和工作效率。同時(shí)，舵機(jī)的安裝和維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)便，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。舵機(jī)是一種位置控制伺服系統(tǒng)，能夠根據(jù)控制信號(hào)精準(zhǔn)地旋轉(zhuǎn)到指定角度。它可以看作由直流電機(jī)、減速器、控制電路和傳感反饋裝置組成的一體化執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)進(jìn)行角度控制，脈沖時(shí)間的長(zhǎng)短代表了需要旋轉(zhuǎn)到的角度大小，舵機(jī)內(nèi)部電路對(duì)脈沖寬度解碼后精確調(diào)整輸出軸的角度。在智能地磅系統(tǒng)中，安裝了舵機(jī)模塊用于控制通道大門的開閉，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)稱重。具體連接方式為：?jiǎn)纹瑱C(jī)的PWM輸出引腳與舵機(jī)信號(hào)線相連，根據(jù)編寫的程序代碼動(dòng)態(tài)改變脈沖寬度，即可控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。同時(shí)，單片機(jī)的另一個(gè)IO口連接舵機(jī)的地線，接地和供電完成。舵機(jī)的工作過(guò)程是：當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到有車輛駛?cè)敕Q重區(qū)時(shí)，單片機(jī)控制PWM脈沖寬度變化，使舵機(jī)轉(zhuǎn)到約90度的位置，從而打開擋在通道入口的大門；等車輛稱重完畢駛出后，再次改變PWM脈沖使舵機(jī)轉(zhuǎn)回0度原位，關(guān)閉大門。舵機(jī)作為執(zhí)行模塊的一部分，與其他硬件組件協(xié)同工作，最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作的目標(biāo)。圖3.6噪音檢測(cè)模塊實(shí)際接線圖4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹Keil4是一款針對(duì)多款8位和32位微控制器的集成開發(fā)環(huán)境，提供了全面的軟件開發(fā)工具，涵蓋了項(xiàng)目管理、代碼編輯、調(diào)試、編譯和鏈接等所有功能。在智能地磅系統(tǒng)的軟件開發(fā)過(guò)程中，使用了Keil4作為主要的集成開發(fā)平臺(tái)。Keil4最大的亮點(diǎn)在于其強(qiáng)大且全面的開發(fā)功能。首先是功能齊全的項(xiàng)目管理器，用戶可方便地導(dǎo)入、配置和管理項(xiàng)目、調(diào)試目標(biāo)程序以及查閱芯片手冊(cè)。其次是配套的代碼編輯器，內(nèi)置編程語(yǔ)言關(guān)鍵字高亮、代碼折疊等實(shí)用功能，支持C/C++、匯編等多種編程語(yǔ)言。第三是成熟的編譯鏈接系統(tǒng)，能自動(dòng)生成可執(zhí)行鏡像文件。最后是集成式的軟件調(diào)試器，支持跟蹤窗口、反匯編窗口、監(jiān)視窗口等強(qiáng)大調(diào)試功能。此外，Keil4還提供了豐富的基于芯片的軟件組件和代碼模板，大大加快了程序員的開發(fā)進(jìn)度。譬如對(duì)STM32F103C8T6而言，內(nèi)置了多個(gè)現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，可以快速調(diào)用GPIO/IIC/SPI/USART等底層硬件資源，而不必從底層代碼編寫。在智能地磅系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，基于Keil4開發(fā)環(huán)境，首先配置了芯片型號(hào)和工程參數(shù)，然后編寫單片機(jī)的初始化代碼，最后在主循環(huán)里分別調(diào)用實(shí)現(xiàn)RFID讀卡、顯示控制、語(yǔ)音播報(bào)、稱重計(jì)算、4G通訊等各功能模塊的子函數(shù)，共同構(gòu)建出整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件框架。在Keil4開發(fā)環(huán)境中，編寫和調(diào)試STM32程序代碼的具體流程是：新建工程，選擇目標(biāo)芯片型號(hào)STM32F103C8T6，配置芯片頻率、存儲(chǔ)器大小等參數(shù)。添加所需的源文件，可以新建.c/.h文件，也可以從現(xiàn)成的庫(kù)文件中添加。編寫芯片初始化代碼，對(duì)時(shí)鐘樹、中斷向量、GPIO引腳、外設(shè)模塊等進(jìn)行初始化設(shè)置。編寫主循環(huán)程序框架，創(chuàng)建一個(gè)主循環(huán)，在其中調(diào)用各功能模塊的子函數(shù)。編寫子函數(shù)代碼，完成RFID讀卡、重力傳感器采樣、數(shù)據(jù)發(fā)送等具體功能實(shí)現(xiàn)。編譯并鏈接生成最終的可執(zhí)行文件鏡像，將其下載至開發(fā)板中運(yùn)行測(cè)試。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，使用Keil的軟件模擬器和調(diào)試界面查看變量值、單步調(diào)試等。不斷編輯、編譯、調(diào)試、運(yùn)行，直至所有功能模塊均工作正常為止。整個(gè)過(guò)程中，Keil4提供了自動(dòng)化的構(gòu)建機(jī)制、實(shí)時(shí)錯(cuò)誤提示、程序管理等多項(xiàng)輔助功能，極大提高了開發(fā)效率。同時(shí)其開放的框架設(shè)計(jì)，允許用戶方便地導(dǎo)入第三方庫(kù)文件、總線驅(qū)動(dòng)等擴(kuò)展資源，實(shí)現(xiàn)代碼重用，縮短了工期。圖4.1Keil_4軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖如圖4.2所示，在主程序中：首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入while主循環(huán)，在主循環(huán)中，首先進(jìn)入第一個(gè)函數(shù)按鍵函數(shù)，該函數(shù)主要分為兩部分，第一部分為調(diào)用按鍵掃描函數(shù)獲取相關(guān)按鍵鍵值，第二部分通過(guò)相關(guān)按鍵進(jìn)行相應(yīng)的處理操作，比如切換界面、校時(shí)；緊接著進(jìn)入第二個(gè)函數(shù)監(jiān)測(cè)函數(shù)，通過(guò)HX711稱重模塊獲取一次重量，若稱重異常時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音警告，同時(shí)通過(guò)4G模塊上傳數(shù)據(jù)至手機(jī)；緊接著進(jìn)入第三個(gè)函數(shù)顯示函數(shù)，用于顯示系統(tǒng)名稱，時(shí)間，提示刷卡上磅，顯示車輛稱重是否正常以及車輛信息；緊接著進(jìn)入第四個(gè)函數(shù)處理函數(shù)，尋卡后車輛進(jìn)行刷卡稱重，若2個(gè)紅外對(duì)管均觸發(fā)，說(shuō)明車輛停好，關(guān)閉閘門，正常稱重，否則就是未停好，閘門打開，語(yǔ)音警告；當(dāng)兩個(gè)紅外對(duì)管均未觸發(fā)，車離開則關(guān)閉閘門。4.2.2按鍵函數(shù)子流程圖按鍵函數(shù)子流程圖如圖4.3所示，按鍵設(shè)置函數(shù)首先通過(guò)按鍵掃描函數(shù)，獲取按鍵按下的相關(guān)信息，通過(guò)不同的鍵值，進(jìn)行相應(yīng)變量的改變。如果獲取的鍵值為1，切換界面。如果獲取的鍵值為2，校準(zhǔn)時(shí)間。圖4.3按鍵程序流程圖4.2.3OLED程序流程如圖4.4所示，在顯示函數(shù)中，若未刷卡，則顯示系統(tǒng)名稱，時(shí)間和提示語(yǔ)“請(qǐng)刷卡上磅”；若刷卡，則顯示車輛信息，是否正常稱重，重量；在歷史記錄界面，顯示車輛的信息（稱重時(shí)間和重量）。具體軟件程序如下：{ if(flag_card==0) //未刷卡 { Oled_ShowCHinese(16,0,(uint8_t*)"智能地磅系統(tǒng)"); OLED_ShowNum(32,3,hour,2,16); Oled_ShowString(48,3,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(56,3,min,2,16); Oled_ShowString(72,3,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(80,3,sec,2,16); Oled_ShowCHinese(24,6,(uint8_t*)"請(qǐng)刷卡上磅"); } else { Oled_ShowCHinese(0,0,(uint8_t*)"車輛信息"); Oled_ShowString(64,0,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(72,0,flag_card,1,16); if(IR_1&&IR_2) Oled_ShowCHinese(0,3,(uint8_t*)"車輛正常正在稱重"); else Oled_ShowCHinese(0,3,(uint8_t*)"車輛異常拒絕稱重"); Oled_ShowCHinese(0,6,(uint8_t*)"重量"); Oled_ShowString(32,6,(uint8_t*)":"); OLED_ShowNum(40,6,weight,4,16); }圖4.4OLED子程序流程圖畢業(yè)設(shè)計(jì)5系統(tǒng)的測(cè)試5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟件硬件調(diào)試智能地磅控制系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，軟硬件調(diào)試是一項(xiàng)重要且艱巨的工作。硬件測(cè)試方面需要先檢查電路連接、電源供電是否正確，對(duì)存在問(wèn)題的模塊單獨(dú)進(jìn)行邏輯分析、電平測(cè)量等方式調(diào)試，確保其能夠與單片機(jī)正常通信。例如檢查OLED顯示是否存在接線錯(cuò)誤、RFID模塊是否能夠正常讀卡、HX711是否能穩(wěn)定獲取重量數(shù)據(jù)等。軟件調(diào)試則更加復(fù)雜，需要編寫專門的測(cè)試程序?qū)γ總€(gè)功能點(diǎn)單獨(dú)驗(yàn)證，再將所有功能集成后組合測(cè)試。先編寫RFID讀寫程序，通過(guò)發(fā)送讀卡指令進(jìn)行測(cè)試；再編寫稱重程序，單步跟蹤調(diào)試采樣數(shù)據(jù)計(jì)算流程等。由于智能地磅系統(tǒng)涉及硬件模塊較多、功能相互調(diào)用且需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，給程序調(diào)試帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。在這種情況下，可以利用Keil的軟件仿真和調(diào)試功能大幅提高工作效率。通過(guò)Keil的軟件模擬器，可以在未焊接硬件的情況下就進(jìn)行軟件模塊的初步調(diào)試，加快開發(fā)進(jìn)度。另外，Keil提供的變量監(jiān)視窗口、執(zhí)行點(diǎn)跟蹤功能等，便于程序員隨時(shí)查看內(nèi)存數(shù)據(jù)和代碼執(zhí)行過(guò)程，快速定位并修正錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)大量的單模塊和整體測(cè)試、修改和再測(cè)試的循環(huán)反復(fù)，直至系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行協(xié)同一致，各功能點(diǎn)無(wú)誤后，即可進(jìn)行最后的實(shí)物測(cè)試階段。5.2實(shí)物展示在軟硬件調(diào)試通過(guò)并能夠穩(wěn)定運(yùn)行后，本系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。經(jīng)過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)安裝和檢查，當(dāng)車輛駛?cè)敕Q重區(qū)時(shí)，RFID模塊會(huì)自動(dòng)讀取車輛標(biāo)簽ID并顯示在屏幕上，語(yǔ)音模塊播報(bào)"車輛已識(shí)別"。隨后紅外對(duì)管檢測(cè)到車輛，舵機(jī)打開大門放行，同時(shí)啟動(dòng)稱重程序。車輛駛出后，OLED顯示實(shí)時(shí)重量，語(yǔ)音播報(bào)稱重結(jié)果，舵機(jī)關(guān)閉通道大門。最后系統(tǒng)將本次計(jì)重信息存儲(chǔ)，并通過(guò)4G模塊與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。整個(gè)過(guò)程智能化且無(wú)需人工操作，大幅提高了工作效率。實(shí)物如圖5.1所示：圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖結(jié)論結(jié)論結(jié)論智能地磅控制系統(tǒng)是本次設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象，通過(guò)模塊化集成的設(shè)計(jì)思路，成功開發(fā)出一款面向車輛計(jì)重應(yīng)用場(chǎng)景的智能硬件產(chǎn)品。該系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，融合了OLED顯示、RFID讀卡、語(yǔ)音播報(bào)、4G通信、精準(zhǔn)稱重、舵機(jī)控制等多種核心功能，實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化智能化，大幅提升了用戶的工作效率，降低了人力運(yùn)營(yíng)成本。在硬件設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)各功能模塊按照模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的思路進(jìn)行選型和集成，充分發(fā)揮了不同硬件單元的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，使整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)合理、功能分工明確。例如選擇OLED顯示模塊可帶來(lái)優(yōu)異視覺(jué)體驗(yàn)、選擇HX711傳感器讓稱重精度更高、選擇4G模塊可支持遠(yuǎn)程無(wú)線控制等等。同時(shí)注重模塊間的兼容性和集成度，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、接口統(tǒng)一、布線緊湊，整體占用空間小、部署靈活。在軟件設(shè)計(jì)方面，全程采用Keil4集成開發(fā)平臺(tái)，利用其豐富的編程輔助工具和模塊化編程思想，實(shí)現(xiàn)了硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)協(xié)調(diào)等核心代碼的快速開發(fā)，縮短了工期。軟件框架層次分明、模塊分工明確，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，為后續(xù)的功能完善和產(chǎn)品升級(jí)奠定了良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)還具有生產(chǎn)成本低、功能可配置、安裝部署靈活等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和真實(shí)應(yīng)用評(píng)估，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，智能化程度也獲得了用戶的高度認(rèn)可。因此，該智能地磅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有良好的實(shí)用價(jià)值，完全可以推廣應(yīng)用于物流運(yùn)輸、工廠倉(cāng)儲(chǔ)、超限超載檢測(cè)、車輛計(jì)重收費(fèi)等多個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的自動(dòng)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。本文在論述了智能地磅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、硬件架構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)之后，最終成功研發(fā)出一款性能卓越、功能齊全、可靠穩(wěn)定的智能硬件產(chǎn)品，對(duì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在重量檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。畢業(yè)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]鄧國(guó)頌,蘇闖,王博宇,等.危廢處置行業(yè)用智能地磅系統(tǒng):CN202222184466.4[P].CN218271013U[2024-03-22].[2]羅浩鑫,何浩銓,邱哲,等.基于單片機(jī)的快速稱重分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用,2023(9):46-47.[3]郭曉,姚政,賀秋瑞.基于單片機(jī)的數(shù)字電子秤設(shè)計(jì)[J].電子制作,2022,30(18):3.[4]吳瑩妃.基于單片機(jī)與藍(lán)牙傳輸?shù)碾娮映釉O(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技,2022,6(12):5.[5]年賀.基于STM32的設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬運(yùn)輸車稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2022,45(1):6.[6]劉子杰,段元梅.基于單片機(jī)的智能電子秤設(shè)計(jì)[J].電腦編程技巧與維護(hù),2023(4):127-129.[7]仝敏.基于單片機(jī)的便攜式電子秤設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2023(4):140-141.[8]左蘭,肖潔.基于單片機(jī)的智能電子秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2023,49(3):42-46.[9]王春泉.基于單片機(jī)的電子秤質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2022(001):000.[10]馬雷,何丹丹.基于阿里云的智能云家居語(yǔ)音交互系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2023,13(3):125-127.[11]張艷萍.基于阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)[J].電子制作,2023,31(8):52-55.[12]舒玉坤.基于單片機(jī)壓力計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2023,43(3):90-95.[13]韓興海.單片機(jī)自動(dòng)累加系統(tǒng)探討[J].衡器,2023(8):16-18,29.[14]王靜,趙鵬飛,林倩,等.基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線智能稱重系統(tǒng).2023[2024-03-22].[15]王旭.RFID稱重天平稱.CN202221208221.4[2024-03-22].[16]朱東南,陳育中.基于STC單片機(jī)的智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù):學(xué)術(shù)版,2023.[17]夏資厚,劉吉曉,劉均益,等.基于RFID的人體姿態(tài)識(shí)別方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2024(1):36-39,43.[18]王濤春,邱慶,王成田,等.LD-identify:基于無(wú)源RFID的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)狀態(tài)識(shí)別[J].控制與決策,2024(1):219-226.[19]佚名.RFID電子標(biāo)簽及其制備方法:CN202311489171.0[P].CN117391120A[2024-03-22].[20]佚名.基于RFID技術(shù)的信貸檔案儲(chǔ)存柜,方法,系統(tǒng)及裝置:CN202311449939.1[P].CN117459926A[2024-03-22].附錄A謝辭謝辭本智能地磅控制系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，得到了多人的指導(dǎo)和寶貴支持，在此我謹(jǐn)向他們表達(dá)衷心的感謝。首先，我要感謝富雅玲老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)。從選題開始，老師就為我指明了正確的研究方向，合理安排了工作進(jìn)度；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師細(xì)心審閱了每個(gè)環(huán)節(jié)，提出中肯的修改意見(jiàn)；在實(shí)驗(yàn)調(diào)試階段，老師親自動(dòng)手解決了一些棘手的技術(shù)難題。正是有了老師的銳意指點(diǎn)和精心培育，我才能夠渡過(guò)重重障礙，最終順利完成整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)任務(wù)。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、淵博的專業(yè)知識(shí)給我留下了難以磨滅的印象。其次，我要感謝家人和朋友們一如既往的關(guān)心與支持。正是有了你們的理解、鼓勵(lì)和支持，我才能安心投入到這個(gè)系統(tǒng)的攻關(guān)中，一步一個(gè)腳印艱難前行。你們是我最堅(jiān)強(qiáng)的后盾，也是我在艱難時(shí)候最有力的支撐。智能地磅控制系統(tǒng)的誕生凝結(jié)了大家的心血和汗水，是我們攜手共同的努力結(jié)晶。讓我們一起為之感到自豪！在此，我再次向所有給予過(guò)支持和幫助的人員致以最誠(chéng)摯的謝意！附錄B附錄A原理圖：畢業(yè)設(shè)計(jì)附錄B部分源程序：#include"main.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/key/key.h"#include"./HAL/OLED/OLED_NEW.H"#include"./HAL/RC522/mfrc522.h"#include"./HAL/HX711/hx711.h"#include"./HAL/Air724/Air724.