便携式电子秤的设计毕业设计.docx
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便携式电子秤的设计毕业设计
1绪论
质量是测量领域中的一个重要参数,称重技术自古以来就被人们所重视。
公元前，人们为了对货物交换量进行估计，起初采用木材或陶土制作的容器对交换物进行计量，以后，又采用简单的秤来测定质量，据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。
秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。
低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。
本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型便携式电子秤的意义，介绍项目研究背景、关键技术等。
2系统总体设计
2.1系统方案设计
火场探测小车采用IAP15F2K61S2单片机为控制核心，通过WiFi与PC机客户端通信。
小车上安装摄像头、温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器等，主控芯片采集各个传感器的数据显示在液晶屏上并通过WiFi回传给PC机客户端；PC机客户端通过WiFi对小车发送指令，当小车接收到相应的指令后，控制电机驱动模块驱动电机及其其他设备。
电机驱动模块采用自行设计的程控电机驱动板，这样可以更加方便的对小车进行控制，减轻主控芯片的压力，让主控芯片专注于与PC机客户端的数据传输和处理。
2.2设计方案框图
3硬件部分
3.1方案论证
3.1.1数据传输方案
方案一：
采用WiFi传输方式
WiFi全称WirelessFidelity，又称802.11b/n标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到150Mbps。
其主要特性为：
速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。
WiFi无线保真技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。
基于蓝牙技术的电波覆盖围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而WiFi的半径则可达300英尺左右约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。
最近，由Vivato公司推出的一款新型交换机。
据悉，该款产品能够把目前WiFi无线网络300英尺，接近100米的通信距离扩大到4英里约6.5公里。
目前由于电子元件集成度的提高，WiFi模块的成本以大幅降低。
方案二：
采用蓝牙传输方式
蓝牙（Bluetooth）：
是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）。
蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。
蓝牙特点参数如下：
表3-1发射功率
类别
最大功率容量
射程围
（
m）
（mW）
（dBm）
1
100
20
~100
2
2.5
4
~10
3
1
0
~1
表3-2数据传输速率
版本
数据率
最大应用吞吐量
1.2
1Mbit/s
>80kbit/s
2.0+EDR
3Mbit/s
>80kbit/s
3.0+HS
24Mbit/s
请参考3.0+HS
4.0
24Mbit/s
请参考4.0LE
从上表可以看出，蓝牙的通信距离和速率都比较低，但是对于工业应用，蓝牙的成本比较低，适合大批量生产。
经过以上方案论证与市场调查，WiFi相对于其他无线传输方式具有传输速度快、稳定，且距离上占有很大优势，特别适合大量的数据传输，比如本次设计中要传输视频，另外，在成本上，由于芯片的集成度越来越高，价钱越来越低，WiFi的价格已经到了一个大众可以认可的程度。
所以本次设计采用WiFi作为本次设计的通信方式。
3.1.2主控芯片选型
方案一：
STC89C52单片机主控
STC89C52单片机具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外52单片机可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
目前52单片机已经生产十年之久，很多技术上已经落后于新兴单片机，在程序存储器和数据存储器上，由于当时技术限制和成本原因，这两者的容量都比较小。
方案二：
IAP15F2K61S2单片机主控
系列单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第八代加密技术，解密难度很高，指令代码完全兼容传统8051，但是速度快8-12倍。
片集成高精度R/C时钟，ISP编程时可以设置时钟频率，可省掉传统单片机外部时钟电路和复位电路。
该系列的单片机还具有很丰富的片上外设，包括：
3路CPP/PWM/PCA、8路高速10位AD、多个定时器、两个串口、一组高速同步串行通信端口SPI等，片上集成61KB程序存储器和2KB数据存储器，可以存储更多的程序和运算单片机运行中的数据，让单片机可以实现更多的功能。
该系列单片机采用的是STC-Y5超高速CPU核，在同样的时钟频率下，速度又比早期的1T系列单片机（STC12系列/STC11系列/STC10系列）快20%。
在片上外设方面，IAP15F2K61S2单片机集成的多个串口、定时器，和SPI接口，并且拥有大容量数据存储器和程序存储器，可以存储更多的程序和运行过程中的数据，并且集成的复位电路和时钟电路，不需要外部昂贵的电路。
在价格上，IAP15F2K61S2单片机完全可以和STC89C52单片机抗衡。
经过以上方案论证与市场调查，15单片机相对于传统的52单片机具有速度快（同样晶振频率下快10倍左右），片上外设更加丰富，部集成52单片机所需的外围电路，并且拥有容量更大的存储器，可以运行更多功能的程序，在价格上，3元至10元的价格更是可以与传统的52单片机媲美，本芯片抗干扰能力超强，综上所述，本次设计选用功能强大，且价格低廉的IAP15F2K61S2单片机。
3.1.3电机驱动选型
方案一：
L298N电机驱动板设计
如图3-1所示是市场上常见的L298N驱动模块，采用ST公司原装全新的L298N芯片，采用SMT工艺稳定性高，采用高质量铝电解电容，使电路稳定工作。
可以直接驱动两路3-35V直流电机，并提供了5V输出接口（输入最低只要6V），可以给5V单片机电路系统供电（低纹波系数）,支持3.3VMCUARM控制，可以方便的控制直流电机速度和方向，也可以控制2相步进电机，5线4相步进电机。
图3-1L298N电机驱动板
方案二：
程控电机驱动板设计
传统的电机驱动模块需要主控芯片发送脉冲数据进行控制，需要占用单片机的定时器资源或者是用延时，在不加操作系统，单线程运行的话会影响到主控芯片对其他数据的处理，在现在的市场上有一种串行通信的程控电机驱动板，驱动板本身集成微控制器，主控芯片只需要对其发送指令，电机控制部分完全有驱动板本身的微控制器处理和控制。
程控电机驱动板主要有以下优点：
采用独立的微控制器，减轻主控芯片的压力，使其可以更专注于设计整体的控制；采用串行通信方式，方便控制；电机控制精确；在同样的驱动芯片情况下，实际有用输出功率更大。
经过以上几种方案论证、开发难度比较，参考实际应用效果，使用程控电机驱动板具有比传统驱动板开发难度低、控制方便等优点，程控电机驱动板更和适合本次设计。
3.1.4总体设计方案
综合以上三点方案论证，本次设计采用WiFi作为数据传输媒介，以价格低廉、性能优异的IAP15F2K61S2单片机为主控芯片，程控电机驱动板为电机驱动模块，配合摄像头及舵机组、电源、液晶显示屏、照明系统等部分设计完成火场探测小车，实现火场探测的功能。
3.2系统硬件设计选型
3.2.1WiFi模块选型和制作
现在市面上有很多类型的WiFi通信模块，比如ESP8266、RTL8188、RT5350等等，但是这些WiFi模块有很多不尽人意的地方，比如通信速率低、操作繁琐、价格昂贵等等，本次设计并没有选择常见的WiFi模块，而是采用路由器改装方式制作WiFi模块。
路由器本质上是一个嵌入式系统，部有CPU、RAM、ROM等等嵌入式系统所必须的硬件条件，搭配WiFi通信的射频电路，组成我们常见的路由器，在这个硬件系统中也有软件的支持，就是路由器的操作系统，在这个前提下，我决定采用改装路由器的方式制作WiFi模块，让WiFi模块更符合本次设计的需求。
改装路由器的两个主要步骤：
改装系统，改装硬件。
（1）改装系统
OpenWrt可以被描述为一个嵌入式的Linux发行版，（主流路由器固件主要有dd-wrt,tomato,OpenWrt三类）而不是试图建立一个单一的、静态的系统。
OpenWrt的包管理提供了一个完全可写的文件系统，从应用程序供应商提供的选择和配置，并允许您自定义的设备，以适应任何应用程序。
对于开发人员，OpenWrt是使用框架来构建应用程序，而无需建立一个完整的固件来支持；对于用户来说，这意味着其拥有完全定制的能力，可以用前所未有的方式使用该设备。
OpenWrt是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性，常常被用于工控设备、、小型机器人、智能家居、路由器以及VOIP设备中。
同时，它还提供了100多个已编译好的软件，而且数量还在不断增加，而OpenWrtSDK更简化了开发软件的工序。
OpenWRT不同于其他许多用于路由器的发行版，它是一个从零开始编写的、功能齐全的、容易修改的路由器操作系统。
实际上，这意味着您能够使用您想要的功能而不加进其他的累赘，而支持这些功能工作的linuxkernel又远比绝大多数发行版来得新。
综上所述，OpenWrt是完全适合改装路由器。
（2）改装硬件
出于成本和WiFi模块的体积考虑，我选择了价格比较便宜的水星MW151RM150M迷你路由器，但是这款路由器的RAM和ROM不满足OpenWrt系统运行的最低条件，所以需要更换路由器的RAM和ROM，以适应运行OpenWrt系统的需要。
改装后路由器多了一个USB接口（供摄像头使用）、串口（和单片机通信）。
图3-1路由器主板正面
图3-2路由器主板背面
图3-3改装后的路由器正面图
3-4改装后的路由器侧面
3.2.2主控芯片选型
3-5IAP15系列单片机官方系统结构图
IAP15F2K61S2单片机特点
1.主要特性
（1）STC-Y5CPU：
单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；
（2）工作频率围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；
（3）用户应用程序空间61K字节
（4）片上集成2K字节RAM；
（5）通用I/O口（38/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA；
（6）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序；
（7）EEPROM功能；
（8）部集成MAX810专用复位电路
（9）外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，
（10）时钟源：
外部高精度晶体/时钟，部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以），用户在下载用户程序时，可选择是使用部R/C振荡
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