论文总字数：21888字

摘 要

皮带秤在物流自动传送和配料控制中有着广泛的应用。其基本原理是测量皮带传送物料的重量与速度，进而可得到物料实际流速，控制拉动皮带的电机或控制物料料斗下料口开度可控制物料的流速。本课题的任务是研制以STM32单片机为核心的皮带秤测控一体化装置，实现对皮带秤的控制与测量。该系统使用RS485实现上位机与下位机的通信，可以实现一上位机与多个下位机通信，通过模数转换可以将现场测得的模拟信号转换为数字信号，对数字信号进行编码之后更适合进行远距离传输。以STM32单片机为核心的皮带秤结构更为简单，设计更为精简，对电子皮带秤的集成化，封装化有很大的贡献。

本文首先阐述了设计基于STM32单片机的皮带秤测控仪表的意义和必要性，简要说明了主要研究和工作内容。然后针对皮带秤测控仪表的功能，分析了其总体需求，并对硬件电路所需要的电子器件进行分析选型。随后分析并给出了设计思路，完成了基于STM32F103VBT6的最小系统电路，测量电路和电机驱动电路的设计与PCB板的制作。然后对软件设计进行了分析并给出了设计思路，分为单片机编程和界面程序设计两部分进行了设计，介绍了软件设计的具体工作。最后是总结与展望，对整个设计过程进行了总结，对工作内容进行了阐述，对设计上的不足和展望进行了叙述。

关键词：皮带秤，STM32，测控仪表，RS485

Abstract

Belt scale has been widely used in automatic logistics delivery and batching control. The basic principle is to measure the weight and speed of the conveys material, then get the actual flow velocity of the material, control the motor that pull the belt or control the opening of the material hopper, and control the flow rate of the material. The task of this project is to develop an integrated device for measuring and controlling belt scales based on STM32 single chip microcomputer to realize the measurement and control of belt scales. The system uses RS485 to connect the host computer and the lower computer. It can communicate with a number of lower computers by a host computer. The analog signal can be converted into a digital signal for a long distance signal transmission through analog to digital conversion. The belt weigher with STM32 microcontroller as the core has simpler structure and simpler design. It has made great contributions to the integration and encapsulation of the electronic belt scale.

This design first expounds the significance and necessity of designing the belt scale measuring and controlling instrument based on STM32 single chip microcomputer, and briefly describes the main research and work contents. Then, according to the function of the belt scale measuring and controlling instrument, the overall demand is analyzed, and the electronic components needed for the hardware circuit are analyzed and selected. Then it analyzes and gives the design idea, and completes the minimum system circuit based on STM32F103VBT6, the design of PCB board. Then the software design is analyzed and the design ideas are given, which are divided into two parts: single chip computer programming and interface program design, and the specific work of software design is introduced. The last part is the summary and Prospect of the whole system design. The whole design process is summarized and some ideas about the design are presented.

KEY WORDS: STM32, belt scale, RS485, observe and control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 电子皮带秤的研究现状 2

1.3 本论文的主要工作 3

第二章 系统需求分析与总体设计 5

2.1 需求分析 5

2.2 电子皮带秤系统设计工作思路 5

2.3 系统主要目标 6

2.4 电子皮带秤系统总体设计 6

2.5 器件选型 7

第三章 系统硬件设计 13

3.1 硬件设计工具的选择 13

3.2 最小系统电路设计 13

3.3 驱动电路设计 20

3.4 测量电路设计 21

第四章 系统软件设计 23

4.1 软件开发工具的选择 23

4.2 程序代码设计原则 24

4.3 软件总体架构设计 25

4.4 TFTLCD显示软件设计 26

4.5 电机驱动信号软件设计 27

4.6 码盘脉冲信号采集软件设计 27

4.7 称重传感器信号采集软件设计 28

第五章 系统软硬件调试 30

5.1 系统硬件装配 30

5.2 系统硬件调试 34

5.3 系统软件功能测试 34

第六章 总结与展望 39

致 谢 41

绪论

引言

皮带秤可以看做是传送带与电子秤的结合体，当其工作时可以称量放置在皮带上的并随皮带连续通过的松散物料，在配料控制和物流自动传送中有着广泛的应用。其基本原理是测量皮带传送物料的重量与速度，进而可得到物料实际流速，控制拉动皮带的电机或控制物料料斗下料口开度可控制物料的流速。

随着电子仪表技术、传感器技术的发展，电子皮带秤取代了机械式皮带秤，电子皮带秤可以安装测速传感器，并输出电脉冲信号，也具有称重传感器，可以把压力信号转换成电压信号，最后转换为数字信号进行传输。所以使用精度较高的传感器的电子皮带秤称量精度很高，结构也比机械式皮带秤简单。所以渐渐地，电子皮带秤使用越来越多，而机械式皮带秤只有在预算很少时才会使用。电子皮带秤有如下优点：

（1）、适应性强。输送矿物的皮带秤往往在地下，温度湿度都与地上不同，这对皮带秤的材料有较高的要求，所用材料需要经过测试筛选，而使用机械式皮带秤造价会非常昂贵，安装繁琐，在这种复杂地形安装要求很高。而因为电子皮带秤集成度高，电子元件工艺成熟，对于这种高要求的环境更容易满足，而且方便安装。

（2）、通信方便。电子皮带秤可以在现场进行模数转换，传输数字信号可以拥有很长的传输距离。采用RS485通信的皮带秤一来可以实现一对多的控制，再者RS485对于远距离传输数字信号传输非常稳定，所以皮带秤可以安装在离控制室较远的地方，甚者可以采用无线通信。总之电子皮带秤在通信方面远胜于机械式皮带秤。

（3）、方便增加功能。使用微处理器的电子皮带秤可以随时增减或者改善各种功能，只需通过微处理器的软件编程就可以实现。

电子皮带秤的研究现状

现如今科技发展的飞快，所有事物的更新迭代都非常快，旧事物很快会被淘汰一切都在向前发展。电子皮带秤渐渐地代替了机械式皮带秤。

机械式皮带秤结构原理非常简单，基本上是通过物理方法进行测量的，效率不高，操作繁琐而且精度不高，不能满足生产需求。然而随着生产力的提高不断提高，这种机械式皮带秤的短处越来越明显，越来越被人们诟病。

适者生存，落后的终将被淘汰替换掉，所以伴随着电子科技的发展，电子式皮带秤因其高精度，高度集成化，封装化逐渐成为了用户的首选，进而取代了这种落后的机械式皮带秤，成为了市场主流。电子科技的雄起使得电子皮带秤迎来了一段辉煌的时期，这时的电子皮带秤技术发展飞快，与传统的机械式皮带秤的差距越来越大。不过随着时间推移，如果电子皮带秤的相关技术研究停滞不前，或者有更加新型的皮带秤出现，电子式皮带秤也会被取代，所以电子皮带秤技术也必须不断完善和更新。工业产品往往是各种工业的互相交汇的结果，每种电子产品都会是多个工业领域的共同工作的结果。例如电子皮带秤就融合了机械工业，传感器工业，二次仪表，微电子行业，集成电路等等，每一部分都不能缺少。同时这每一部分都可能成为电子皮带秤发展的基石。大体可以在以下几个方面深入研究：

（1）、新型的传感器，新材料。近些年，我国在传感器方面的研究也在飞速发展，各种各样的高性能传感器竞相出现，所以将会有更多高精度高性能的传感器用在电子皮带秤上；而且随着技术的发展，会有制作皮带秤的新材料出现，对皮带秤的稳定性，造价等都有着不小的影响；

（2）、微处理器。微电子行业现在是炙手可热的行业，它是制作电子产品的基础，而微处理器的发展可以说就是微电子行业发展的功劳。电子皮带秤可以由PLC进行控制，可以由上位机进行控制，当然现在更多的是用微处理器控制，例如本设计中STM32微处理器。微处理器高度集成化封装化，体积越来越小，可是速度越来越快，功能越来越强大，而使用微处理器控制的电子皮带秤收益非常多。大型工厂的生产线中的电子皮带秤只用指甲盖大小的芯片就可以控制，可谓“四两拨千斤”，在这种趋势下，控制电路控制芯片等都会高度集成化，现场的安装布局等都会非常简洁。

（3）、二次仪表。二次仪表的研究发展对整个电子工业发展有非常大的好处，回想老式的台式PC机，它有一个非常大的显示屏，然而屏幕本身不大，而是后边的电路有一大堆。对比现在的显示屏，又大又薄，这也算是二次仪表的发展了。而在工业仪表的设计上，二次仪表极大程度地方便了测试人员读取测试数据，而且触摸屏的出现使得测试人员操作起来更加方便。在电子皮带秤中也是，二次仪表的使用优化了电子皮带秤的使用，我们可以通过几个按键或者触摸屏来控制在很小的显示屏上显示很多个不同的测试数据，即节约了成本，又简化了操作。

（4）、理论研究。目前在电子皮带秤的制造生产过程中有一套特定的检定标准，通过检定这些标准可以对电子皮带秤的性能做出评估评价，可以对电子皮带秤的质量把关，但是并没有完全完美的检定标准，这种标准只能是随着科技发展要求越来越高，所以皮带秤新型检定方式的开发和实际应用会对将来皮带秤的发展带来不小的影响；另一方面，目前皮带秤的称重理论是通过各种各样的称重传感器来进行测量，而随着科技发展，会有更加成熟的称重理论出现，仅凭理论本身就可以大大提高测量精度，如果有的话，这个理论很可能会直接导致电子皮带秤完全改变。

我国的工业本来发展就落后，而电子皮带秤制造工业这种非一线主流工业更是起步晚，加上机械化输送业在中国的发展也并不注重皮带秤这一块，所以，我国的电子皮带秤行业是起步晚发展慢的行业。

当然，我国最早生产用的电子皮带秤都是从国外进口来的，但毕竟从国外进口耗费财力，研究自己的电子皮带秤技术，生产自己的电子皮带秤是必须要走的路。所以我国电子皮带秤的生产最早是将从国外进口的电子皮带秤拆卸并研究原理，当时的电子皮带秤的生产厂家很少而且规模也小，仅仅是仿制国外的电子皮带秤也难以弥补技术上的落后，因此发展很慢。

改革开放以来，我国机械化生产的需求剧增，因此出现了许多生产电子皮带秤的厂家。在国家的号召与支持下，年轻的新生力量都投入到这些新兴的生产厂家中，国家也为这些厂家调拨资金，使得中国的电子皮带秤进入了飞速发展时期。

虽然我国的电子皮带秤行业发展很晚，技术不够成熟。但是大部分新兴的电子皮带秤企业，更多地同国内有关的高校联合共同承担工程，让新生力量投入到电子皮带秤的生产与研究当中，有些还与国外的厂家进行长期的合作，与国外先进企业联合设计与生产新型的电子皮带秤，并不断的学习国外的先进技术。通过这些途径，我国的电子皮带秤行业迅速地提高了自己的水平，并且能够生产出属于自己的电子皮带秤，从从国外进口到出口国外，这一转变证明了我国电子皮带秤的科技研究，生产技术都实现了质的飞跃，我国的电子皮带秤也正走向世界。

本论文的主要工作

本论文通过对电子皮带秤的工作原理和性能指标进行分析，分别对基于STM32的系统硬件和系统软件进行设计并调试得到正确的结果，最后对整个设计过程进行了总结与展望。工作流程如下图：

图1-1 工作流程框图

（1）、需求分析：根据电子皮带秤的工作原理和性能指标确定整个系统的设计方案，对一些细节方案进行构思规划，并对设计过程中需要的软件硬件设备进行规划和选型。

（2）、硬件设计：通过需求分析设计一套硬件设备以模拟电子皮带秤，具体分为最小系统电路设计模块，电源电路模块，重量检测模块，电机转速检测模块，通信模块，电机驱动模块。

（3）、软件设计：进行单片机编程和上位机软件编程。由STM32作为主控芯片对整个系统进行控制，软件设计分为：TFTLCD液晶显示屏显示模块，电机驱动信号设计模块，码盘脉冲采集模块，重量测量信号采集模块，上位机界面软件编程设计。

（4）、系统调试：分为硬件调试、软件调试和对整个系统进行调试，使系统可以正常工作，LCD可以正确显示检测的结果，上位机界面显示。

（5）、总结展望：对电子皮带秤的设计过程进行总结，对我在本设计中做的工作进行阐述，并对设计的不足，设计过程中遇到的问题和一些想法进行讨论。

系统需求分析与总体设计

需求分析

（1）、皮带秤的工作原理

图2-1 称重给料机的组成示意图

如图2-1所示，是称重给料机的组成图，电子皮带秤安装在皮带下方的支架上、，当物料经过时，计量托辊通过杠杆作用将物料引起的轻微形变传输称重传感器，产生电压信号，这个信号与皮带的负载（包括物料的重量和摩擦阻力）呈线性关系。工作时，称重传感器将检测到皮带上的物料重量送入称重仪表，由仪表内部的电路对信号进行处理，并转换为数字信号。主电机上连接着码盘，有编码器和码盘配合可以在皮带秤工作时可以发出一系列脉冲，称重仪表对这些脉冲进行采集，采集到的脉冲的频率与电机速度呈线性相关。所以称重仪表从多个传感器接收信号，并经过取值得到均值以后，通过一系列运算可以得到物料的流速和累积量，并分别显示出来。

（2）、功能需求

以STM32单片机为核心，按照规划的皮带秤测控一体化装置的总体架构与要实现的功能，设计其硬件电路（包括PCB图和原理图）。主要包括：电源电路、重量测量电路、单片机最小系统、速度测量电路、电机功放驱动接口电路和通信电路等。

（3）、性能指标

模拟皮带秤的实际工作状况并且能够用STM32驱动电机转动，测得电机的实际转速；能够对称重传感器的信号进行放大滤波，模数转换并采集；实现上位机于下位机通信，用上位机控制电机转速并显示测量结果。

电子皮带秤系统设计工作思路

（1）、设计电源电路、单片机最小系统电路并购买STM32芯片和其它电子元件制作成电路板，完成焊接；

（2）、进行编程调试以保证STM32可以正常使用；

（3）、设计重量和速度测量电路并购买相应元件制作成电路板，完成焊接后与STM32电路连接，硬件部分完成。

（4）、对整个系统进行调试使STM32可以通过传感器测得物块重量，能够驱动电机并测得电机转速。

（5）、软件编程设计上位机界面，实现STM32与上位机的通讯。

系统主要目标

（1）、设计完成STM32最小系统板、电机驱动电路板、测量电路板；

（2）、通过单片机编程使系统正常运行能够控制和测量电机转速并测量物块重量，并将结果在LCD液晶显示屏上显示；

（3）、通过软件编程将测量和控制信息准确发给上位机；

电子皮带秤系统总体设计

图2-2 系统的功能框图

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