基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置，包括主控芯片，在主控芯片的輸入端設置至少1路AD采集模塊，設置在電子秤上的壓力傳感器與對應的AD采集模塊連接，液晶顯示模塊與主控芯片實現互聯，本實用新型提出了一種基于ZigBee無線技術的多秤盤智能電子秤，秤盤通過組網的方式，由一個CPU來進行控制，提高了電子秤的靈活性同時降低了其成本，在一個顯示屏上可以同時顯示各個秤盤的商品重量與價格，具有很大的實用性，給用戶帶來了很大的便捷。
【專利說明】
基于Z i gBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置
技術領域
[0001]本發明涉及自控控制技術，尤其是一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置。
【背景技術】
[0002]隨著微電子技術的應用與發展，人們為了改變傳統稱重工具在使用中存在的問題，設計了各式各樣創新型的電子秤。電子秤不僅僅是人們生活中的必需品，也同時應用到工業生產中。由于應用環境的不斷變化，電子秤的精度要求也越來越高，傳統的電子秤越來越不滿足人們的需求。一般電子秤的工作原理是:當物體放在秤盤上時，壓力施給壓力傳感器，該傳感器的應變片發生形變，從而使阻值發生變化，使電橋失去平衡輸出一個變化的模擬電壓信號。該信號經放大電路放大輸出到模數轉換器，轉換成便于處理的數字電壓信號輸出到CPU運算控制。CPU根據按鍵命令以及程序將這種結果輸出到顯示器，然后顯示稱重結果。
[0003]由于傳統電子秤都是有線連接，各個部分都是用線纜連接成一個整體，一般電子秤出現故障就需要對整體進行維修或者淘汰；隨著無線技術的發展，越來越多有線的設備被無線所替代，形成了一種全新的信息獲取和處理模式。現有的智能電子秤都是秤盤和CPU一一對應，當有顧客需要對商品稱重的時候，就需要排隊等候或者需要購買多個電子秤;現有電子秤都是通過有線的方式進行連接，在移動的時候很不方便，需要整體進行移動。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供一種結構簡單，工作穩定的多秤盤高精度電子秤控制裝置，以克服現有技術的不足。
[0005]本發明是這樣實現的:
[0006]—種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置，包括主控芯片，在主控芯片的輸入端設置至少I路AD采集模塊，設置在電子秤上的壓力傳感器與對應的AD采集模塊連接，液晶顯示模塊與主控芯片實現互聯。
[0007]前述的一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置中，所述主控芯片采用STM32F103ZET6作為核心主體，利用主控芯片中ZigBee無線星狀網絡拓撲結構將多路壓力傳感器信息傳給主控芯片內。
[0008]前述的一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置中，所述主控芯片以內部集成以太網MAC的STM32系列處理器STM32F103ZET6為核心，以太網控制芯片ENC28J60和CC2530為ZigBee無線收發模塊等模塊組成，ZigBee無線傳感網絡協調器CC2530和STM32嵌入式以太網網關之間利用串行UART總線通信。
[0009]前述的一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置中，在ZigBee無線傳感網絡協調器CC2530設置外圍電路，該外圍電路分別包括32MHz晶振XTALl其目的是提供時鐘源，射頻部分需要有高精度的電感L32UL331或L341、電容C341和PCB微波傳輸線來匹配RF輸入輸出的阻抗，其中CC2530的串口引腳與STM32的串口引腳相連。
[0010]由于采用了上述技術方案，與現有技術相比，本發明提出了一種基于ZigBee無線技術的多秤盤智能電子秤，秤盤通過組網的方式，由一個CPU來進行控制，提高了電子秤的靈活性同時降低了其成本，在一個顯示屏上可以同時顯示各個秤盤的商品重量與價格，具有很大的實用性，給用戶帶來了很大的便捷。
[0011]【附圖說明】，
[0012]附圖1是本發明的結構框架圖；
[0013]附圖2是本發明中電源模塊電路圖；
[0014]附圖3是本發明中UART串行接口電路圖；
[0015]附圖4是本發明中下載電路圖；
[0016]附圖5是本發明中主控芯片STM32103ZET6芯片引腳圖；
[0017]附圖6是本發明中主控芯片的引腳圖以太網控制器ENC28J60原理圖；
[0018]附圖7是本發明中按鍵與LED模塊電路原理圖；
[0019]附圖8是本發明中壓力傳感器模塊的電路原理圖；
[0020]附圖9是本發明中AD采集模塊電路原理圖；
[0021 ]附圖10是本發明中系統流程圖。
[0022]【具體實施方式】，
[0023]本發明的實施例:一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置，如附圖1所示，包括主控芯片I，在主控芯片I的輸入端設置至少I路AD采集模塊2，設置在電子秤上的壓力傳感器3與對應的AD采集模塊2連接，液晶顯示模塊4與主控芯片I實現互聯。
[0024]其中該主控芯片I采用STM32F103ZET6作為核心主體，利用主控芯片中ZigBee無線星狀網絡拓撲結構將多路壓力傳感器信息傳給主控芯片內，該主控芯片I以內部集成以太網MAC的STM32系列處理器STM32F103ZET6為核心，以太網控制芯片ENC28J60和CC2530為ZigBee無線收發模塊等模塊組成，ZigBee無線傳感網絡協調器CC2530和STM32嵌入式以太網網關之間利用串行UART總線通信，在ZigBee無線傳感網絡協調器CC2530設置外圍電路，該外圍電路分別包括32MHz晶振XTALl其目的是提供時鐘源，射頻部分需要有高精度的電感L321、L331或L341、電容C341和PCB微波傳輸線來匹配RF輸入輸出的阻抗，其中CC2530的串口引腳與STM32的串口引腳相連。
[0025]本實施例的原理是:通過STM32作為主控芯片，通過ZigBee無線網絡將多路傳感器信息上傳給STM32進行處理，然后在顯示模塊進行相應的顯示。ZigBee網絡的工作流程為:首先由整合在網關內的ZigBee協調器節點組建一個ZigBee網絡，終端傳感器節點會自動搜索空間中的ZigBee網絡，找到后加入到該網絡中。當獲得某一個傳感器節點的數據時，由CPU對該節點信號進行分析與處理。
[0026]具體硬件設計，
[0027]一、ZigBee無線傳感網絡設計，
[OO28 ] 1、Z i gBe e無線網絡拓撲結構的選擇，
[0029]ZigBee網絡支持星狀、樹狀和網狀三種網絡拓撲結構，分別依次是星狀網絡，樹(簇)狀網絡和網狀網絡。對這三種網絡拓撲結構進行比較，對星狀網絡來說，子節點完全可以由電池供電，耗電量比較大的就只有協調器一個;而對于樹狀與網狀網絡來說，它的一個協調器和多個路由器都需要大量的電能;在可靠性上，由于星型網絡的結構簡單，子節點直接與協調器相通信;其他兩種網絡要經過路由傳送，一旦路由節點癱瘓，子節點將失去與主節點的通信;星型網絡傳輸時延要小于對等網絡;最重要的是星型網絡造價更低。本設計選擇星形網絡。
[0030]2、星型網絡的組建與通信的實現，
[0031]本設計是以CC2530協調器將每一路采集的壓力信息，通過以ZigBee網絡進行數據發送，協調器采用星型網絡與各節點間通信的實現。設置網絡時，使用Chipcon公司提供的開發套件對網絡進行配置。CC2530協調器通過NLMENETWORKFORMAT1Nrequest原語來組建一個新網絡:協調器上電后，首先初始化協議棧，然后網絡層通過發送MLMESCAN原語到MAC層對各個候選信道的峰值能量進行檢測掃描，結果通過MLMESCANconfirm原語返回，協調器利用這一信息選擇合適的信道。選擇合適的信道后，則建立一個自己的網絡并選擇一個唯一的標示符(PAN標識符)，并通過MLME原語將其寫為MAC層的MACPANID屬性。一旦選定了 PAN標識符，就說明已經建立了網絡，此時網絡層管理實體向MAC層發出MLMESTART原語開始運行新的網絡，此后即可允許終端節點的ZigBee設備與其連接，接受它們傳輸的各節點的數據。
[0032 ] 終端節點上電后，首先應用層向網絡層發送，NLME_NETWORK_DI SC0VERY原語，原語中包含需要掃描的信道參數和掃描時間參數，網絡層收到原語后，向MAC層發送MLME_SCAN_request原語請求MAC層執行主動掃描。MAC層在掃描過程中一旦接收到有效長度不為零的信標，將向網絡層發送MLME_BEACON_NOTYFY_indicat1n原語，網絡層接收到原語后向應用層發送NLME_NETWORK_DISCOVEIW_confirm原語，收到該原語后，應用層即得到了當前鄰近的網絡情況，選擇一個網絡加入。然后發送NLME_JOIN_requeSt原語，設置欲加入的網絡PAN標識符參數，接著網絡層向MAC層發送MLME_ASSOCIATE_request原語用于連接網絡，如果連接成功，網絡層將收到MLME_ASSOCIATE_conf irm原語確認網絡連接成功，并把新連接的設備增加到鄰接表中，接著網絡層向應用層發送MLME_JOIN_confirm原語，終端設備成功加入網絡。終端采集節點加入網絡成功后，它即通過協調器發送的信標與協調器實現同步，開始按周期采集各自數據值，并將數據傳送給協調器。
[0033]二、系統硬件設計，
[0034]系統的硬件平臺是以內部集成以太網MAC的STM32系列處理器STM32F103ZET6為核心，以太網控制芯片ENC28J60和CC2530為ZigBee無線收發模塊等模塊組成。ZigBee無線傳感網絡協調器CC2530和STM32嵌入式以太網網關之間利用串行UART總線通信，構成無線智能電子秤平臺。
[0035]l、ZigBee協調器的硬件設計，
[0036]ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術，該模塊選用了TI公司的CC2530芯片來設計，在片內集成了8位的8051MCU，自帶了 AD、定時器、協同處理器等資源。該模塊性價比高，而且使用壽命長，非常適合用在本設計上。
[0037]為構建一個完整的ZigBee協調器，外圍電路需要32MHz晶振XTALl為內部微處理器提供時鐘源，射頻部分需要有高精度的電感(1321丄331丄341)、電容(0341)和?08微波傳輸線來匹配RF輸入輸出的阻抗。其中CC2530的串口引腳(P0_2和P0_3)與STM32的UART串口(PA_2和PA_3)引腳相連。
[0038]I)、電源模塊設計，
[0039]電源模塊是給整個系統進行供電，通過穩壓芯片穩定電壓，其電路圖如圖2所示。
[0040]2)、UART串行接口電路設計，
[0041]為了實現CPU與上位機的通信，即將協調器采集到的數據輸給計算機，方便用戶對數據進一步的分析與處理，須設計UART串行接口電路。其電路如圖3所示。
[0042]3)、下載電路設計，
[0043]采用幾INKV8做程序的下載與在線仿真，方便管理員對電子秤進行功能修改，采用了20針標準JTAG調試接口，可以直接和JLINK、ULINK等仿真器連接，其接口原理圖如圖4所示。
[0044]2、嵌入式硬件設計，
[0045]STM32采用CorteX-M3內核，是一種將數據存儲和程序指令存儲分開的哈佛體型結構，不僅支持Thumb-2指令集，而且擁有很多新特性。CorteX-M3擁有強勁的性能、高的代碼精度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優勢。
[0046]與傳統的51單片機相比，STM32內部SRAM比很多51單片機的FLASH還多；其他外設就更不用說了，STM32具有絕對的優勢。并且STM32的價格與51也是相差不多，所以性價比較尚O
[0047]經過多方面資源的綜合考慮，在本次設計中采用的是CorteX-M3架構的微控制器STM32F103ZET6為主控芯片。它是32位的ARM單片機，片上集成了 512KB的Flash，64KB的SRAM，最高可達72MHZ的頻率，具有豐富的增強I/O端口和強大的外設資源。3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口，比如:SPI接口，CAN總線，USART接口等資源。其STM32的引腳圖如圖5所示。
[0048]以太網接口芯片采用美國Microchip公司的獨立以太網控制器ENC28J60，它采用速度高達10Mb/s的SPI接口作為通信通道，方便與STM32處理器相連，其原理圖如圖6所示，該模塊是用于數據的無線傳輸。
[0049]D、按鍵與LH)模塊，
[0050]系統提供了兩個按鍵，可以通過按鍵輸入進行人機交互;3個LED指示燈，可以用來顯示程序運行狀態，方便程序員調試。LED燈的一端，與單片機的I/O 口直接相連，通過控制I /0 口電平就可以實現LED的亮滅。如圖7所示。
[0051 ] 3、傳感器部分，
[0052]力學傳感器的種類繁多，有電阻應變式壓力傳感器、半導體應變式壓力傳感器等。設計當中選擇的模塊是電阻應變式壓力傳感器，其中最主要的核心是電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測量器件上面的應變變化轉換為一種電信號的敏感器件。在實際使用的時候，通常是將應變片通過特殊的粘合劑緊密的粘合在受力產生形變的物體表面。當被測物體受力產生應力變化的時候，電阻應變片也相應的跟著拉伸。這樣就會導致電阻阻值的變化，然后反應在加在電阻上面的電壓變化。然而這樣的電阻變化是很微小的，通常這種應變片會組成橋式的應變片。并通過后續的信號放大等處理，在傳送給STM32執行相應的操作。
[0053]電阻應變式傳感器常用的測量電路有單臂、差動半橋和差動全橋。其中差動全橋可以提高電路的靈敏度，消除電橋非線性誤差，溫漂等共模干擾，所以被廣泛的應用在測量電路之中。測量當中一般會使用4片應變片組成差動全橋電路，如圖8所示。由圖可知，橋式測量電路當中有4個電阻，任何一個改變都可以是電阻應變片電阻，電橋對角接入工作電壓。本設計采用的是STM32工作電壓5V。另一個對角是輸出電壓。這樣的電橋電路，當四個橋臂達到電橋平衡的關系時，輸出的電壓就應該為O。如果失去平衡就會輸出一個電壓，靈敏檢流計能夠檢測出該信號，或者將該信號放大后檢測。所以電橋能夠很精確的檢測出微小的的電阻變化，也就是微小的形變也能檢測出來，靈敏度很高。全橋測量電路中，將受力性質相同的兩片應變片接入電橋對邊。輸出靈敏度比半橋提高了一倍，非線性誤差和溫度均得到了改善。
[0054]4、AD采集模塊，
[0055]HX711采用了海芯科技集成電路專利技術，是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。其應用電路如圖9所示。
[0056]通過這24位的AD芯片，對每一路的電壓信息進行高精度采集，然后通過ZigBee網絡將采集的壓力信號發送給STM32，然后STM32把這個信號轉變成重量，在LCD指定位置進行顯示，用戶通過按鍵方式對每個秤盤的重量、價格等信息進行計算。本系統硬件大致介紹如上所述。
[0057]為更好的顯示本實施列中裝置的連接關系及應用，采用一套與本實施列中裝置相配合的軟件來具體描述，
[0058]三、系統的軟件設計，
[0059]基于STM32控制的多秤盤無線智能電子秤，要實現稱重、顯示物重、計算總價等智能化功能。為了讓這些功能一一實現，讓CHJ有條不紊的控制各個模塊的運行，在寫軟件之前設計了本次程序總的軟件流程圖，如圖10所示。通過這個軟件流程圖，可以很清晰地知道，STM32在進入主程序后是怎么運行的，具體用了哪些模塊來完成各個功能。很方便其他人來閱讀程序，也有利于程序編寫人員檢查錯誤。
[0060]1、ZigBee 軟件設計，
[0061 ] l)、ZigBee協調器的工作流程，
[0062]ZigBee無線傳感網絡協調器上電后首先對CC2530進行初始化，然后創建一個無線網絡，選定一個PAN ID作為協調器的網絡標識，創建路由表，然后對外發布廣播幀，通知傳感器節點可以加入該網絡。當有子節點申請加入時，為每一個子節點分配地址。當需要進行數據采集時，網絡協調器發出數據采集指令，之后等待接收采集到的數據，并將數據發送到STM32處理器。
[0063 ] 2 )、稱重程序設計流程，
[0064]本次設計的主要功能是稱重，然后計算物體的總價，稱重這個模塊用到了 2個很重要的元件。一個是電阻應變式壓力傳感器，當被測量物體放在傳感器上面，傳感器就會產生機械變形帶動粘合在上面的應變片變形，這樣橋式的電橋就失去電橋平衡輸出一個模擬量電壓。由于這些的形變是很小的，所以產生的電壓也是非常小的。另外一個重要的元件是HX711芯片，該芯片是專門為稱重而設計的24位的AD轉換芯片。首先將AD_SK=0使能AD芯片，表明HX711還沒有準備好，等到AD_DO由高電平變為低電平以后，AD_SK輸入24個時鐘脈沖。將24位數依次保存到24位的全局變量中去。由于芯片的硬件資料顯示采集回來的電壓范圍是0X800000到0X7FFFFF之間，所以程序后面采取了與0X800000異或的方式來將電壓的范圍變為0X000000到0XFFFFFF。程序中每進行一次采集就用了25個時鐘脈沖，按照芯片使用手冊可以知道，選擇采集的是A通道，對采集的電壓放大倍數是128倍。但是采集回來的24位數據太大了，單片機處理困難，所以程序當中將這24位的電壓右移了8位，將低8位舍棄了，把原來24位的數字信號變成了 16位的整形數據。給該芯片供電的電源是5V，采集回來的電壓V=5000*AD/65536o
[0065]這樣就采集回了當前的物種產生的電壓值(單位是毫伏)。為了能夠更方便的測量傳感器量程范圍內的物體，設計硬件的時候做了多個秤盤。這樣每次上電復位后都會出來一個物重，正常的稱重系統應該是上電顯示物重為0，所以在上電的時候需要調用一個去皮的程序，將秤盤等干擾物重的器件重量除去。去皮函數就是在程序上電的時候先調用一次測量秤盤重量的AD轉換函數，當稱物重的時候減去秤盤那些的重量就能滿足要求了。接下來就是求出物重和電壓直接的關系式，通過砝碼的測量，就可以得到一組電壓和物重之間的數據，最小二乘法擬合這曲線，得到電壓和物重的關系式。這個過程一般又叫做定標，定標后就能比較準確的測量出這個物體的重量。這樣就是一路稱重的實現，其余幾路都是類似的實現。
[0066]四、ZigBee技術作為一種新的信息獲取和處理技術，結合ARM7架構的STM32單片機，把電子秤做得更加智能化，脫離了傳統的有線、單秤盤的局限性，通過組網的方式就可以實現系統秤盤的增加與減少；用戶可以很方便地通過實際需求修改秤盤數量，也就是組網數量。
[0067]本設計通過對無線傳感器網絡的應用，以智能電子秤為應用對象，設計了基于STM32處理器的ZigBee無線多秤盤電子秤設計，完成了基于ZigBee網關的I/O模塊的硬件原理設計;通過對ZigBee協議棧的分析并結合CC2530的應用進行了系統的整體軟件設計。實現了對采集到的重量數據進行實時傳輸與計算。解決了多顧客可以同時進行商品的買賣，不再需要長時間的排隊等待，大大提高了賣家出售商品的效率，這套系統具有很大的實際應用價值，投入市場將會帶來很大的經濟效益。
[0068]上述方案的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用的發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對實施方案做出各種修改。因此，本發明不限于上述實方案，本領域技術人員根據本發明的方法，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置，包括主控芯片(I)，其特征在于:在主控芯片(I)的輸入端設置至少I路AD采集模塊(2)，設置在電子秤上的壓力傳感器(3)與對應的AD采集模塊(2)連接，液晶顯示模塊(4)與主控芯片(I)實現互聯。2.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置，其特征在于:所述主控芯片(I)采用STM32F103ZET6作為核心主體，利用主控芯片中ZigBee無線星狀網絡拓撲結構將多路壓力傳感器信息傳給主控芯片內。3.根據權利要求2所述的一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置，其特征在于:所述主控芯片(I)以內部集成以太網MAC的STM32系列處理器STM32F103ZET6為核心，以太網控制芯片ENC28J60和CC2530為ZigBee無線收發模塊模塊組成，ZigBee無線傳感網絡協調器CC2530和STM32嵌入式以太網網關之間利用串行UART總線通信。4.根據權利要求3所述的一種基于ZigBee技術的多秤盤高精度電子秤控制裝置，其特征在于:在ZigBee無線傳感網絡協調器CC2530設置外圍電路，該外圍電路分別包括32MHz晶振XTALl其目的是提供時鐘源，射頻部分需要有高精度的電感L32UL331或L341、電容C341和PCB微波傳輸線來匹配RF輸入輸出的阻抗，其中CC2530的串口引腳與STM32的串口引腳相連。
【文檔編號】G01G3/14GK205593622SQ201620044465
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年1月18日
【發明人】張文莉, 吳欽木
【申請人】貴州大學