基于STM32的重力感应售货机系统设计

一、项目介绍

随着智能物联网技术的不断发展，人们的生活方式和消费习惯也正在发生改变。如今越来越多的人习惯于在线购物、自助购物等新型消费模式，因此智能零售自助柜应运而生。

本项目设计开发一款基于STM32主控芯片的智能零售自助柜，通过重力传感器监测货柜内商品重量变化，并通过WiFi通信模块与手机端实现交互。用户可以通过输入账号密码，柜门自动打开，用户自取商品后关闭柜门，柜门锁定，系统根据重量变化判断用户拿取的商品并从账户自动扣费。同时，用户也可以通过手机端查看消费流水、商品库存，并进行补货和充值等操作。

智能零售自助柜的应用场景非常广泛，可以应用于商场、超市、酒店、机场、车站等各类场景。通过自助购物，可以提高消费者的消费体验和购物效率，同时也降低了商家的人力成本和物流成本。

二、设计思路

【1】功能细节总结

（1）ESP8266配置成AP+TCP服务器模式与手机APP连接。

（2）手机APP可以完成用户的注册，充值功能，然后通过连接货柜将数据同步到货柜的存储芯片上（W25Q64-FLASH保存数据）。

（3）手机APP连接货柜之后，可以拉取数据显示，了解货柜现在的物品哪些已经售卖出去，哪些还没有售卖。，每个物品是放在一个货柜格子里，透明玻璃可以查看到物品。

【2】硬件选型

1. 主控芯片：STM32F103RCT6是一款主流的32位ARM Cortex-M系列微控制器，具有高性能、低功耗和易于开发等特点，因此被选择作为该系统的主控芯片。
2. 重力传感器：HX711重力传感器模块采用24位高精度芯片，能够精确测量重量，适用于该系统中货柜内商品的重量监测。
3. SG90舵机：该系统需要控制柜门的打开和关闭，因此使用舵机来实现柜门控制。
4. 矩阵键盘：用户需要输入账号密码进行登录，因此使用矩阵键盘作为输入设备。
5. 显示屏：OLED显示屏具有低功耗、高对比度、快速响应等特点，适用于该系统中的桌面显示界面。
6. WiFi模块：ESP8266-WIFI模块是一款成本低、体积小、性能稳定的WiFi通信模块，适合在该系统中与手机APP进行无线通信。

【2】程序设计思路

1. 初始化系统，包括各个外设的初始化，如WiFi模块、重力传感器HX711模块、矩阵键盘等；
2. 用户输入账号密码，判断是否为有效用户；
3. 根据重力传感器读取货柜内商品重量，判断用户拿取的商品并从账户自动扣费；
4. 控制柜门打开和关闭，同时显示屏上显示相关提示信息；
5. 同步数据到手机APP。

【3】设备操作流程

1. 用户输入账号密码，系统进行验证，判断是否为有效用户；
2. 如果验证通过，屏幕上显示“登录成功”，并显示货柜内商品列表和对应价格；
3. 用户选择需要购买的商品，系统根据重力传感器读取货柜内商品重量，并判断用户拿取的商品并从账户自动扣费；
4. 系统控制电磁锁或舵机将柜门打开，用户自取商品后关闭柜门；
5. 重力传感器监测到货柜内重量变化，系统自动判断用户拿取的商品种类和数量，并在显示屏上显示相关提示信息，如显示扣费金额；
6. 控制柜门锁定，确保商品安全，同时在显示屏上显示“门已锁定”等相关提示信息；
7. 同步扣费记录和商品库存信息到手机APP，以便用户查看消费流水和进行补货等操作。
8. 如需要充值，用户可以在手机APP上进行余额充值操作。

三、代码实现

【1】OLED显示屏驱动代码

下面是OLED显示屏的测试代码。使用的SPI接口的OLED显示屏。

#include "stm32f10x.h"
#include "OLED.h"   // OLED驱动库头文件

void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, uint8_t *str)
{
    uint8_t i = 0;
    while(str[i] != '\0'){
        if(x > OLED_WIDTH - 8){  // 满行自动换行
            x = 0;
            y++;
        }
        OLED_ShowChar(x, y, str[i]);  // 显示单个字符
        x += 8;  // 水平方向上的下一个字符
        i++;
    }
}

void OLED_SPI_SendByte(uint8_t data)
{
    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(OLED_SPI_PORT, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);  // 等待发送缓冲区空
    SPI_I2S_SendData(OLED_SPI_PORT, data);  // 通过SPI发送数据
}

void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd)
{
    OLED_DC_Clr();  // 将DC置为0，表示发送命令
    OLED_CS_Clr();  // 将CS置为0，选中OLED芯片
    OLED_SPI_SendByte(cmd);  // 发送命令
    OLED_CS_Set();  // 将CS置为1，取消OLED芯片选中
}

void OLED_WriteData(uint8_t data)
{
    OLED_DC_Set();  // 将DC置为1，表示发送数据
    OLED_CS_Clr();  // 将CS置为0，选中OLED芯片
    OLED_SPI_SendByte(data);  // 发送数据
    OLED_CS_Set();  // 将CS置为1，取消OLED芯片选中
}


int main(void)
{
    uint32_t i;

    // 初始化SPI接口
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);  // 打开SPI1时钟
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  // 设置SPI工作模式
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;  // 数据位宽8bit
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;  // 时钟极性为低电平
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;  // 时钟第一个边沿采样
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;  // 软件控制CS信号
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;  // 预分频系数为256
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;  // MSB先行
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;  // CRC校验值
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);  // 使能SPI1

    // 初始化OLED显示屏
    OLED_Init();  // OLED初始化

    // 显示数字
    char str[] = "1234567890";
    OLED_ShowString(0, 0, (uint8_t *)str);  // 在(0,0)坐标处显示字符串

    while(1){
        for(i = 0; i < 10000000; i++);  // 延时等待
    }
}

OLED_WriteCmd 函数用于向 OLED 显示屏发送命令，而 OLED_WriteData 函数用于向 OLED 显示屏发送数据。OLED_SPI_SendByte 函数是底层SPI数据传输的关键代码部分。

【2】HX711称重传感器代码

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include "usart.h"

#define HX711_SCK_GPIO_RCC  RCC_APB2Periph_GPIOB
#define HX711_SCK_GPIO_PORT GPIOB
#define HX711_SCK_GPIO_PIN  GPIO_Pin_13

#define HX711_DOUT_GPIO_RCC  RCC_APB2Periph_GPIOB
#define HX711_DOUT_GPIO_PORT GPIOB
#define HX711_DOUT_GPIO_PIN  GPIO_Pin_15

uint32_t read_HX711_data(void);
void init_GPIO(void);
void init_USART1(void);
void USART1_SendChar(char ch);

int main(void)
{
    uint32_t hx711_value;

    init_GPIO();
    init_USART1();

    while(1){
        hx711_value = read_HX711_data();  // 读取 HX711 传感器数据
        printf("The weight is: %d g\r\n", hx711_value);  // 通过串口打印 HX711 传感器读取的数据
    }
}

// 从 HX711 传感器读取数据
uint32_t read_HX711_data(void)
{
    uint32_t weight = 0;
    uint8_t i;

    GPIO_SetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN);  // 拉高 SCK 管脚
    GPIO_ResetBits(HX711_DOUT_GPIO_PORT, HX711_DOUT_GPIO_PIN);  // 拉低 DOUT 管脚
    for(i = 0; i < 24; i++){
        GPIO_ResetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN);  // 拉低 SCK 管脚，使得 HX711 将数据推入 DOUT 管脚
        weight <<= 1;  // 左移一位，为下一次读取做准备
        if(GPIO_ReadInputDataBit(HX711_DOUT_GPIO_PORT, HX711_DOUT_GPIO_PIN)) weight++;  // 如果 DOUT 管脚为高电平，那么就在 weight 中保存 "1"
        GPIO_SetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN);  // 拉高 SCK 管脚，为下一次读取做准备
    }
    GPIO_ResetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN);  // 最后时刻需要拉低 SCK 管脚一次

    weight = (weight ^ 0x800000) - 0x800000;  // 将读出的24位二进制重量值转化为带符号数，这里我们只考虑单通道读取的情况（如有多个物理传感器需进行一定的计算处理）

    return weight;
}

// 初始化 GPIO 管脚
void init_GPIO(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(HX711_SCK_GPIO_RCC | HX711_DOUT_GPIO_RCC, ENABLE);  // 打开 SCK 和 DOUT 管脚时钟

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HX711_SCK_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(HX711_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);  // 初始化 SCK 管脚

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HX711_DOUT_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(HX711_DOUT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);  // 初始化 DOUT 管脚
}

// 初始化 USART1
void init_USART1(void)
{
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);  // 打开 USART1 时钟

    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;  // 波特率 115200
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  // 数据位 8 位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  // 停止位 1 位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;  // 无奇偶校验
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;  // 无硬件流控制
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;  // 只启用串口发送

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);  // 初始化 USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);  // 使能 USART1
}

// 通过 USART1 发送字符
void USART1_SendChar(char ch)
{
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);  // 等待发送缓冲区为空
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);  // 发送数据
}

代码执行流程说明：

（1）通过 init_GPIO() 函数初始化 SCK 和 DOUT 两个 GPIO 管脚，并通过 init_USART1() 函数初始化 USART1 串口。其中，初始化 SCK 管脚为输出模式，DOUT 管脚为输入模式，USART1 算是串口助手，用于将数据打印输出。

（2）read_HX711_data() 函数用于向 HX711 传感器发出读取数据的指令，并将返回的数据进行处理（将24位二进制重量值转化为带符号数）后返回。

（3）在主函数的 while 循环中，不断调用 read_HX711_data() 函数读取 HX711 传感器的数据，并通过串口打印出来。

【3】SG90舵机控制代码

下面是SG90舵机的控制代码，可以按照指定的角度旋转。

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"

#define GPIO_PORT			GPIOA
#define GPIO_PIN			GPIO_Pin_1
#define RCC_APB2Periph_GPIO	RCC_APB2Periph_GPIOA
#define PWM_FREQ			50

void servoInit(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIO, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999; //计数器最大值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = (72 * 2) - 1; //时钟分频，72是系统时钟频率，2是倍频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void servoSetAngle(uint8_t angle)
{
    uint16_t pwmVal = (uint16_t)(500 + angle * 10.0 / 9.0);

    TIM_SetCompare1(TIM2, pwmVal);
    delay_ms(100);
}

int main(void)
{
    SystemInit();
    delay_init();

    servoInit();

    while(1)
    {
        servoSetAngle(0);
        delay_ms(1000);

        servoSetAngle(90);
        delay_ms(1000);

        servoSetAngle(180);
         delay_ms(1000);
    }
}