STM32负载平衡监控系统设计与实现

基于STM32的负载重量平衡监控系统设计

1. 项目概述

1.1 系统架构

本系统采用STM32F103RCT6作为主控芯片，构建了一套完整的船舶负载平衡监控解决方案。系统通过双通道称重传感器实时监测船体两侧负载重量，配合水位传感器检测吃水深度，当检测到不平衡状态时触发声光报警。系统架构如图1所示：

[系统架构框图] STM32F103RCT6主控 ├─ 称重检测模块(左/右) ├─ 水位检测模块(左/右) ├─ LCD显示模块 ├─ 声光报警模块 └─ 电源模块

1.2 设计背景

在大型渡轮运营中，负载平衡直接影响航行安全。传统的人工检查方式存在响应延迟和精度不足的问题。本系统通过嵌入式技术实现实时监控，当两侧水位差超过3cm时立即报警，有效预防因负载不均导致的安全事故。

2. 硬件设计

2.1 主控模块

选用STM32F103RCT6作为核心控制器，主要基于以下考虑：

• 72MHz主频满足实时数据处理需求
• 内置12位ADC用于水位传感器信号采集
• 丰富的外设接口(SPI、GPIO等)支持多模块连接
• 256KB Flash存储空间可容纳复杂控制逻辑

2.2 传感器模块

2.2.1 称重检测

采用双通道HX711模块实现重量测量：

• 24位高精度ADC
• 可编程增益(32/64/128)
• 典型采样率10/80Hz
• 工作电压2.6-5.5V

硬件连接：

HX711 <--> STM32 DOUT --> PB12 PD_SCK--> PB13 VCC --> 5V GND --> GND

2.2.2 水位检测

使用模拟量输出水位传感器：

• 检测范围0-5cm
• 输出信号0-3.3V
• 精度±1mm
• 工作电流<20mA

连接至STM32的ADC1通道0和通道1：

左传感器 --> PA0(ADC1_IN0) 右传感器 --> PA1(ADC1_IN1)

2.3 显示与报警模块

2.3.1 LCD显示

采用1.44寸SPI接口LCD：

• 分辨率128×128
• 驱动芯片ST7735S
• 16位色深

硬件连接：

LCD <--> STM32 SCL --> PA5(SPI1_SCK) SDA --> PA7(SPI1_MOSI) RES --> PB0 DC --> PB1 CS --> PA4 BL --> 5V

2.3.2 声光报警

报警电路设计：

• 红色LED串联220Ω电阻接PB8
• 有源蜂鸣器(5V)通过NPN三极管驱动，基极接PB9

2.4 电源设计

系统供电方案：

• 输入：DC 7-12V
• 稳压：AMS1117-5.0
• 各模块供电：
  • STM32: 3.3V(内置LDO)
  • 传感器: 5V
  • LCD: 5V
  • 蜂鸣器: 5V

3. 软件设计

3.1 系统初始化

void System_Init(void) { RCC_Configuration(); // 时钟配置 GPIO_Configuration(); // GPIO初始化 SPI_Configuration(); // SPI初始化 ADC_Configuration(); // ADC初始化 LCD_Init(); // LCD初始化 HX711_Init(); // 称重传感器初始化 }

3.2 数据采集流程

3.2.1 重量测量

float Get_Weight(uint8_t channel) { uint32_t adc_value = HX711_Read(channel); float weight = (adc_value - OFFSET) / SCALE; return weight; }

3.2.2 水位测量

float Get_WaterLevel(uint8_t channel) { uint16_t adc_value = ADC_Read(channel); float voltage = adc_value * 3.3 / 4095; float level = voltage * 5.0 / 3.3; // 0-5cm对应0-3.3V return level; }

3.3 主控制逻辑

void Main_Process(void) { float left_weight = Get_Weight(LEFT_CH); float right_weight = Get_Weight(RIGHT_CH); float left_level = Get_WaterLevel(ADC_CH0); float right_level = Get_WaterLevel(ADC_CH1); float diff = fabs(left_level - right_level); LCD_Display(left_weight, right_weight, left_level, right_level); if(diff >= 3.0) // 3cm阈值 { Alarm_On(); } else { Alarm_Off(); } }

3.4 报警处理

void Alarm_On(void) { GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8); // LED亮 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_9); // 蜂鸣器响 } void Alarm_Off(void) { GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8); GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_9); }

4. 系统调试

4.1 称重传感器校准

1. 空载时读取HX711原始值作为零点(OFFSET)
2. 放置已知重量砝码，记录原始值
3. 计算SCALE系数：SCALE = (有载值 - 空载值)/实际重量

4.2 水位传感器校准

1. 传感器置于0cm水位，记录ADC值
2. 传感器置于5cm水位，记录ADC值
3. 建立线性关系：level = (adc - adc0) * 5.0 / (adc5 - adc0)

4.3 阈值测试

1. 模拟两侧水位差达到3cm
2. 验证声光报警是否正常触发
3. 调整报警响应时间(软件消抖)

5. BOM清单

6. 系统优化建议

1. 增加数据存储功能，记录历史负载数据
2. 添加无线传输模块，实现远程监控
3. 采用防水设计，提升传感器环境适应性
4. 优化机械结构，增强称重平台稳定性
5. 实现多级报警，区分预警和紧急状态