CN205593622U - 基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置，包括主控芯片，在主控芯片的输入端设置至少1路AD采集模块，设置在电子秤上的压力传感器与对应的AD采集模块连接，液晶显示模块与主控芯片实现互联，本实用新型提出了一种基于ZigBee无线技术的多秤盘智能电子秤，秤盘通过组网的方式，由一个CPU来进行控制，提高了电子秤的灵活性同时降低了其成本，在一个显示屏上可以同时显示各个秤盘的商品重量与价格，具有很大的实用性，给用户带来了很大的便捷。

Description

基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置

技术领域

本发明涉及自控控制技术，尤其是一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置。

背景技术

随着微电子技术的应用与发展，人们为了改变传统称重工具在使用中存在的问题，设计了各式各样创新型的电子秤。电子秤不仅仅是人们生活中的必需品，也同时应用到工业生产中。由于应用环境的不断变化，电子秤的精度要求也越来越高，传统的电子秤越来越不满足人们的需求。一般电子秤的工作原理是：当物体放在秤盘上时，压力施给压力传感器，该传感器的应变片发生形变，从而使阻值发生变化，使电桥失去平衡输出一个变化的模拟电压信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器，转换成便于处理的数字电压信号输出到CPU运算控制。CPU根据按键命令以及程序将这种结果输出到显示器，然后显示称重结果。

由于传统电子秤都是有线连接，各个部分都是用线缆连接成一个整体，一般电子秤出现故障就需要对整体进行维修或者淘汰；随着无线技术的发展，越来越多有线的设备被无线所替代，形成了一种全新的信息获取和处理模式。现有的智能电子秤都是秤盘和CPU一一对应，当有顾客需要对商品称重的时候，就需要排队等候或者需要购买多个电子秤；现有电子秤都是通过有线的方式进行连接，在移动的时候很不方便，需要整体进行移动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单，工作稳定的多秤盘高精度电子秤控制装置，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：

一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置，包括主控芯片，在主控芯片的输入端设置至少1路AD采集模块，设置在电子秤上的压力传感器与对应的AD采集模块连接，液晶显示模块与主控芯片实现互联。

前述的一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置中，所述主控芯片采用STM32F103ZET6作为核心主体，利用主控芯片中ZigBee无线星状网络拓扑结构将多路压力传感器信息传给主控芯片内。

前述的一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置中，所述主控芯片以内部集成以太网MAC的STM32系列处理器STM32F103ZET6为核心，以太网控制芯片ENC28J60和CC2530为ZigBee无线收发模块等模块组成，ZigBee无线传感网络协调器CC2530和STM32嵌入式以太网网关之间利用串行UART总线通信。

前述的一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置中，在ZigBee无线传感网络协调器CC2530设置外围电路，该外围电路分别包括32MHz晶振XTAL1其目的是提供时钟源，射频部分需要有高精度的电感L321、L331或L341、电容C341和PCB微波传输线来匹配RF输入输出的阻抗，其中CC2530的串口引脚与STM32的串口引脚相连。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明提出了一种基于ZigBee无线技术的多秤盘智能电子秤，秤盘通过组网的方式，由一个CPU来进行控制，提高了电子秤的灵活性同时降低了其成本，在一个显示屏上可以同时显示各个秤盘的商品重量与价格，具有很大的实用性，给用户带来了很大的便捷。

附图说明,

附图1是本发明的结构框架图；

附图2是本发明中电源模块电路图；

附图3是本发明中UART串行接口电路图；

附图4是本发明中下载电路图；

附图5是本发明中主控芯片STM32103ZET6芯片引脚图；

附图6是本发明中主控芯片的引脚图以太网控制器ENC28J60原理图；

附图7是本发明中按键与LED模块电路原理图；

附图8是本发明中压力传感器模块的电路原理图；

附图9是本发明中AD采集模块电路原理图；

附图10是本发明中系统流程图。

具体实施方式,

本发明的实施例：一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置，如附图1所示，包括主控芯片1，在主控芯片1的输入端设置至少1路AD采集模块2，设置在电子秤上的压力传感器3与对应的AD采集模块2连接，液晶显示模块4与主控芯片1实现互联。

其中该主控芯片1采用STM32F103ZET6作为核心主体，利用主控芯片中ZigBee无线星状网络拓扑结构将多路压力传感器信息传给主控芯片内，该主控芯片1以内部集成以太网MAC的STM32系列处理器STM32F103ZET6为核心，以太网控制芯片ENC28J60和CC2530为ZigBee无线收发模块等模块组成，ZigBee无线传感网络协调器CC2530和STM32嵌入式以太网网关之间利用串行UART总线通信，在ZigBee无线传感网络协调器CC2530设置外围电路，该外围电路分别包括32MHz晶振XTAL1其目的是提供时钟源，射频部分需要有高精度的电感L321、L331或L341、电容C341和PCB微波传输线来匹配RF输入输出的阻抗，其中CC2530的串口引脚与STM32的串口引脚相连。

本实施例的原理是：通过STM32作为主控芯片，通过ZigBee无线网络将多路传感器信息上传给STM32进行处理，然后在显示模块进行相应的显示。ZigBee网络的工作流程为：首先由整合在网关内的ZigBee协调器节点组建一个ZigBee网络，终端传感器节点会自动搜索空间中的ZigBee网络，找到后加入到该网络中。当获得某一个传感器节点的数据时，由CPU对该节点信号进行分析与处理。

具体硬件设计,

一、ZigBee无线传感网络设计,

1、ZigBee无线网络拓扑结构的选择,

ZigBee 网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，分别依次是星状网络，树（簇）状网络和网状网络。对这三种网络拓扑结构进行比较，对星状网络来说，子节点完全可以由电池供电，耗电量比较大的就只有协调器一个；而对于树状与网状网络来说，它的一个协调器和多个路由器都需要大量的电能；在可靠性上，由于星型网络的结构简单，子节点直接与协调器相通信；其他两种网络要经过路由传送，一旦路由节点瘫痪，子节点将失去与主节点的通信；星型网络传输时延要小于对等网络；最重要的是星型网络造价更低。本设计选择星形网络。

2、星型网络的组建与通信的实现,

本设计是以CC2530协调器将每一路采集的压力信息，通过以ZigBee网络进行数据发送，协调器采用星型网络与各节点间通信的实现。设置网络时，使用Chipcon公司提供的开发套件对网络进行配置。CC2530协调器通过NLMENETWORKFORMATIONrequest原语来组建一个新网络：协调器上电后，首先初始化协议栈，然后网络层通过发送MLMESCAN原语到MAC层对各个候选信道的峰值能量进行检测扫描，结果通过MLMESCANconfirm原语返回，协调器利用这一信息选择合适的信道。选择合适的信道后，则建立一个自己的网络并选择一个唯一的标示符(PAN标识符)，并通过MLME原语将其写为MAC层的MACPANID属性。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，此时网络层管理实体向MAC层发出MLMESTART原语开始运行新的网络，此后即可允许终端节点的ZigBee设备与其连接，接受它们传输的各节点的数据。

终端节点上电后，首先应用层向网络层发送,NLME_NETWORK_DISCOVERY原语，原语中包含需要扫描的信道参数和扫描时间参数，网络层收到原语后，向MAC层发送MLME_SCAN_request 原语请求MAC层执行主动扫描。MAC层在扫描过程中一旦接收到有效长度不为零的信标，将向网络层发送MLME_BEACON_NOTYFY_indication原语，网络层接收到原语后向应用层发送NLME_NETWORK_DISCOVEIW_confirm原语，收到该原语后，应用层即得到了当前邻近的网络情况，选择一个网络加入。然后发送NLME_JOIN_request原语，设置欲加入的网络PAN标识符参数，接着网络层向MAC层发送MLME_ASSOCIATE_request原语用于连接网络，如果连接成功，网络层将收到MLME_ASSOCIATE_confirm原语确认网络连接成功，并把新连接的设备增加到邻接表中，接着网络层向应用层发送MLME_JOIN_confirm原语，终端设备成功加入网络。终端采集节点加入网络成功后，它即通过协调器发送的信标与协调器实现同步，开始按周期采集各自数据值，并将数据传送给协调器。

二、系统硬件设计,

系统的硬件平台是以内部集成以太网MAC的STM32系列处理器STM32F103ZET6为核心，以太网控制芯片ENC28J60和CC2530为ZigBee无线收发模块等模块组成。ZigBee无线传感网络协调器CC2530和STM32嵌入式以太网网关之间利用串行UART总线通信，构成无线智能电子秤平台。

1、ZigBee协调器的硬件设计,

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，该模块选用了TI公司的CC2530芯片来设计，在片内集成了8位的8051MCU，自带了AD、定时器、协同处理器等资源。该模块性价比高，而且使用寿命长，非常适合用在本设计上。

为构建一个完整的ZigBee协调器，外围电路需要32MHz晶振XTAL1为内部微处理器提供时钟源，射频部分需要有高精度的电感(L321、L331、L341)、电容(C341)和PCB微波传输线来匹配RF输入输出的阻抗。其中CC2530的串口引脚(P0_2和P0_3)与STM32的UART串口(PA_2和PA_3)引脚相连。

1）、电源模块设计,

电源模块是给整个系统进行供电，通过稳压芯片稳定电压，其电路图如图2所示。

2）、UART串行接口电路设计,

为了实现CPU与上位机的通信，即将协调器采集到的数据输给计算机，方便用户对数据进一步的分析与处理，须设计UART串行接口电路。其电路如图3所示。

3）、下载电路设计,

采用JLINK V8做程序的下载与在线仿真，方便管理员对电子秤进行功能修改，采用了20针标准JTAG调试接口，可以直接和JLINK、ULINK等仿真器连接，其接口原理图如图4所示。

2、嵌入式硬件设计,

STM32采用Cortex-M3内核，是一种将数据存储和程序指令存储分开的哈佛体型结构，不仅支持Thumb-2指令集，而且拥有很多新特性。Cortex-M3拥有强劲的性能、高的代码精度、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等众多优势。

与传统的51单片机相比，STM32内部SRAM比很多51单片机的FLASH还多；其他外设就更不用说了，STM32具有绝对的优势。并且STM32的价格与51也是相差不多，所以性价比较高。

经过多方面资源的综合考虑，在本次设计中采用的是Cortex-M3架构的微控制器STM32F103ZET6为主控芯片。它是32位的ARM单片机，片上集成了512KB的Flash，64KB的SRAM，最高可达72MHZ的频率，具有丰富的增强I/O端口和强大的外设资源。3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口，比如：SPI接口，CAN总线，USART接口等资源。其STM32的引脚图如图5所示。

以太网接口芯片采用美国Microchip公司的独立以太网控制器ENC28J60，它采用速度高达10Mb/s的SPI接口作为通信通道，方便与STM32处理器相连，其原理图如图6所示，该模块是用于数据的无线传输。

1）、按键与LED模块,

系统提供了两个按键，可以通过按键输入进行人机交互；3个LED指示灯，可以用来显示程序运行状态，方便程序员调试。LED灯的一端，与单片机的I/O口直接相连，通过控制I/O口电平就可以实现LED的亮灭。如图7所示。

3、传感器部分,

力学传感器的种类繁多，有电阻应变式压力传感器、半导体应变式压力传感器等。设计当中选择的模块是电阻应变式压力传感器，其中最主要的核心是电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测量器件上面的应变变化转换为一种电信号的敏感器件。在实际使用的时候，通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在受力产生形变的物体表面。当被测物体受力产生应力变化的时候，电阻应变片也相应的跟着拉伸。这样就会导致电阻阻值的变化，然后反应在加在电阻上面的电压变化。然而这样的电阻变化是很微小的，通常这种应变片会组成桥式的应变片。并通过后续的信号放大等处理，在传送给STM32执行相应的操作。

电阻应变式传感器常用的测量电路有单臂、差动半桥和差动全桥。其中差动全桥可以提高电路的灵敏度，消除电桥非线性误差，温漂等共模干扰，所以被广泛的应用在测量电路之中。测量当中一般会使用4片应变片组成差动全桥电路，如图8所示。由图可知，桥式测量电路当中有4个电阻，任何一个改变都可以是电阻应变片电阻，电桥对角接入工作电压。本设计采用的是STM32工作电压5V。另一个对角是输出电压。这样的电桥电路，当四个桥臂达到电桥平衡的关系时，输出的电压就应该为0。如果失去平衡就会输出一个电压，灵敏检流计能够检测出该信号，或者将该信号放大后检测。所以电桥能够很精确的检测出微小的的电阻变化，也就是微小的形变也能检测出来，灵敏度很高。全桥测量电路中，将受力性质相同的两片应变片接入电桥对边。输出灵敏度比半桥提高了一倍，非线性误差和温度均得到了改善。

4、AD采集模块,

HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24 位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。其应用电路如图9所示。

通过这24位的AD芯片，对每一路的电压信息进行高精度采集，然后通过ZigBee网络将采集的压力信号发送给STM32，然后STM32把这个信号转变成重量，在LCD指定位置进行显示，用户通过按键方式对每个秤盘的重量、价格等信息进行计算。本系统硬件大致介绍如上所述。

为更好的显示本实施列中装置的连接关系及应用，采用一套与本实施列中装置相配合的软件来具体描述，

三、系统的软件设计,

基于STM32控制的多秤盘无线智能电子秤，要实现称重、显示物重、计算总价等智能化功能。为了让这些功能一一实现，让CPU有条不紊的控制各个模块的运行，在写软件之前设计了本次程序总的软件流程图，如图10所示。通过这个软件流程图，可以很清晰地知道，STM32在进入主程序后是怎么运行的，具体用了哪些模块来完成各个功能。很方便其他人来阅读程序，也有利于程序编写人员检查错误。

1、ZigBee软件设计,

1）、ZigBee协调器的工作流程,

ZigBee无线传感网络协调器上电后首先对CC2530进行初始化，然后创建一个无线网络，选定一个PAN ID作为协调器的网络标识，创建路由表，然后对外发布广播帧，通知传感器节点可以加入该网络。当有子节点申请加入时，为每一个子节点分配地址。当需要进行数据采集时，网络协调器发出数据采集指令，之后等待接收采集到的数据，并将数据发送到STM32处理器。

2）、称重程序设计流程,

本次设计的主要功能是称重，然后计算物体的总价，称重这个模块用到了2个很重要的元件。一个是电阻应变式压力传感器，当被测量物体放在传感器上面，传感器就会产生机械变形带动粘合在上面的应变片变形，这样桥式的电桥就失去电桥平衡输出一个模拟量电压。由于这些的形变是很小的，所以产生的电压也是非常小的。另外一个重要的元件是HX711芯片，该芯片是专门为称重而设计的24位的AD转换芯片。首先将AD_SK=0使能AD芯片，表明HX711还没有准备好，等到AD_DO由高电平变为低电平以后，AD_SK输入24个时钟脉冲。将24位数依次保存到24位的全局变量中去。由于芯片的硬件资料显示采集回来的电压范围是0X800000到0X7FFFFF之间，所以程序后面采取了与0X800000异或的方式来将电压的范围变为0X000000到0XFFFFFF。程序中每进行一次采集就用了25个时钟脉冲，按照芯片使用手册可以知道，选择采集的是A通道，对采集的电压放大倍数是128倍。但是采集回来的24位数据太大了，单片机处理困难，所以程序当中将这24位的电压右移了8位，将低8位舍弃了，把原来24位的数字信号变成了16位的整形数据。给该芯片供电的电源是5V，采集回来的电压V=5000*AD/65536。

这样就采集回了当前的物种产生的电压值（单位是毫伏）。为了能够更方便的测量传感器量程范围内的物体，设计硬件的时候做了多个秤盘。这样每次上电复位后都会出来一个物重，正常的称重系统应该是上电显示物重为0，所以在上电的时候需要调用一个去皮的程序，将秤盘等干扰物重的器件重量除去。去皮函数就是在程序上电的时候先调用一次测量秤盘重量的AD转换函数，当称物重的时候减去秤盘那些的重量就能满足要求了。接下来就是求出物重和电压直接的关系式，通过砝码的测量，就可以得到一组电压和物重之间的数据，最小二乘法拟合这曲线，得到电压和物重的关系式。这个过程一般又叫做定标，定标后就能比较准确的测量出这个物体的重量。这样就是一路称重的实现，其余几路都是类似的实现。

四、ZigBee技术作为一种新的信息获取和处理技术，结合ARM7架构的STM32单片机，把电子秤做得更加智能化，脱离了传统的有线、单秤盘的局限性，通过组网的方式就可以实现系统秤盘的增加与减少；用户可以很方便地通过实际需求修改秤盘数量，也就是组网数量。

本设计通过对无线传感器网络的应用，以智能电子秤为应用对象，设计了基于STM32处理器的ZigBee无线多秤盘电子秤设计，完成了基于ZigBee网关的I/O模块的硬件原理设计；通过对ZigBee协议栈的分析并结合CC2530的应用进行了系统的整体软件设计。实现了对采集到的重量数据进行实时传输与计算。解决了多顾客可以同时进行商品的买卖，不再需要长时间的排队等待，大大提高了卖家出售商品的效率，这套系统具有很大的实际应用价值，投入市场将会带来很大的经济效益。

上述方案的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用的发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施方案做出各种修改。因此，本发明不限于上述实方案，本领域技术人员根据本发明的方法，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置，包括主控芯片（1），其特征在于：在主控芯片（1）的输入端设置至少1路AD采集模块（2），设置在电子秤上的压力传感器（3）与对应的AD采集模块（2）连接，液晶显示模块（4）与主控芯片（1）实现互联。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置，其特征在于：所述主控芯片（1）采用STM32F103ZET6作为核心主体，利用主控芯片中ZigBee无线星状网络拓扑结构将多路压力传感器信息传给主控芯片内。

3.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置，其特征在于：所述主控芯片（1）以内部集成以太网MAC的STM32系列处理器STM32F103ZET6为核心，以太网控制芯片ENC28J60和CC2530为ZigBee无线收发模块模块组成，ZigBee无线传感网络协调器CC2530和STM32嵌入式以太网网关之间利用串行UART总线通信。

4.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee技术的多秤盘高精度电子秤控制装置，其特征在于：在ZigBee无线传感网络协调器CC2530设置外围电路，该外围电路分别包括32MHz晶振XTAL1其目的是提供时钟源，射频部分需要有高精度的电感L321、L331或L341、电容C341和PCB微波传输线来匹配RF输入输出的阻抗，其中CC2530的串口引脚与STM32的串口引脚相连。