以高整合度混合信號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電子計(jì)價(jià)秤應(yīng)用

　　1. 內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　電子化秤重在生活中，已逐漸取代傳統(tǒng)彈簧、天平等量測(cè)工具，例如電子計(jì)價(jià)秤、電子體重秤等。設(shè)計(jì)電子秤產(chǎn)品主要的組件有：傳感器、ADC和MCU單芯片。本文所設(shè)計(jì)的電子秤就是利用壓力傳感器(Load Cell)將壓力物理量轉(zhuǎn)換為電壓訊號(hào)，再將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示出來(lái)。由于電壓為模擬量，所以要用ADC將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。此時(shí)也需要MCU單芯片來(lái)控制電子秤主機(jī)板上的訊號(hào)處理與顯示功能。

　　纮康HY16F188控制芯片內(nèi)建高精密ΣΔ 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩(wěn)壓輸出等功能，可以很大幅簡(jiǎn)化PCB周邊線(xiàn)路。具有高分辨率、高分辨率、低溫漂的ΣΔ24 AD轉(zhuǎn)換器，可以精準(zhǔn)完成由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。雖然輸出速率不是非常高，但用于像電子秤這種對(duì)于轉(zhuǎn)換速率要求不高的產(chǎn)品，是沒(méi)有問(wèn)題的。

　　2. 原理說(shuō)明

　　2.1 感測(cè)組件

　　Load Cell的原理是在鋁制的棒上面貼上一片由橋式電阻所組成的應(yīng)變儀，即惠斯頓電橋，如圖2-1所示。因?yàn)殡姌蛏系?個(gè)電阻(阻值相同)，所以當(dāng)有電壓施加在VIN+與VIN-兩端時(shí)V+ = V-，即電橋達(dá)到了平衡。

　　分辨率分為外部分辨率和內(nèi)部分辨率，外部分辨率為Load Cell滿(mǎn)量程的輸出電壓值與需要識(shí)別的最小重量引起的電壓值之比，最小重量可以定義為1g、0.5g、0.1g等。

　　內(nèi)部分辨率是衡量電子秤等級(jí)的一個(gè)重要指針。一般我們以目視法認(rèn)定的內(nèi)部分辨率通常是指我們經(jīng)軟件處理后LCD顯示只有1格滾動(dòng)時(shí)，此時(shí)滿(mǎn)量程的格數(shù)就是內(nèi)部分辨率，其1格所代表的訊號(hào)約為2~3倍RMS Noise。

　　內(nèi)外分辨率之比越小，電子秤精度越高，但內(nèi)外分辨率之比是有限制的。比如Load Cell滿(mǎn)量程壓差為3mV，要做到3000 Count，內(nèi)外比為1：10的電子秤，如果不經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，那最小要處理的信號(hào)為3mV/(3000X10)=0.1µV。而ΣΔ24所能處理的最小信號(hào)值大約為65nV，所以假如內(nèi)外比再減小的話(huà)將產(chǎn)生使ADC不能識(shí)別的信號(hào)。如果使用OPAMP的話(huà)則會(huì)增加成本。所以?xún)?nèi)外分辨率之比要穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

　　芯片ADC性能能否達(dá)到規(guī)格要求，通常是以RMS Noise來(lái)推算外部是否穩(wěn)定內(nèi)部分辨率比值。對(duì)于開(kāi)發(fā)電子秤產(chǎn)品而言，使用HY16F188芯片其所能達(dá)到的最大內(nèi)部分辨率的瓶頸在于Input RMS Noise而不在于ADC的分辨率。 HY16F188的ADC待測(cè)信號(hào)在由PGA、AD倍率調(diào)整器的放大后(PGA=32，ADGN=4)，經(jīng)OSR=32768每秒輸出10筆ADC值的條件下，其Input RMS Noise約為65nV，但由于其Input Noise主要由Thermal Noise組成，所以如果我們透過(guò)平均的軟件處理是可以再將Input Noise進(jìn)一步降低。

　　如果我們使用8筆的軟件平均處理其Input RMS Noise約為40nV，3倍RMS Noise代表約1格的滾動(dòng)，即為120nV。在使用2.4V Load Cell驅(qū)動(dòng)電壓，1mV/V的Load Cell，滿(mǎn)量程時(shí)壓差可達(dá)2.4mV，所以在此情形下我們可以得到20000 Counts的內(nèi)部分辨率。

　　2.2 控制芯片

　　單片機(jī)簡(jiǎn)介：HY16F系列32位高性能Flash單片機(jī)(HY16F188)

　　纮康HY16F系列32位高性能Flash單片機(jī)(HY16F188)

　　(01)采用最新Andes 32位CPU核心N801處理器。

　　(02)電壓操作范圍2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

　　(03)支持外部20MHz石英震蕩器或內(nèi)部20MHz高精度RC震蕩器。

　　擁有多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達(dá)到最佳省電規(guī)劃。

　　(3.1)運(yùn)行模式 350uA@2MHz/2

　　(3.2)待機(jī)模式 10uA@32KHz/2

　　(3.3)休眠模式 2.5uA

　　(04)程序內(nèi)存64KBytes Flash ROM。

　　(05)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8KBytes SRAM。

　　(06)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機(jī)。

　　(07)24-bit高精準(zhǔn)度ΣΔADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

　　(7.1)內(nèi)置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達(dá)128倍放大。

　　(7.2)內(nèi)置溫度傳感器。

　　(08)超低輸入噪聲Rail to Rail運(yùn)算放大器OPAMP。

　　(09)多功能CMP模擬比較器，并可支持4組硬件Touch Key功能模塊。

　　(10)16-bit Timer A模塊。

　　(11)16-bit Timer B模塊具PWM波形產(chǎn)生功能。

　　(12)16-bit Timer C模塊具Capture/Compare 功能。

　　(13)硬件SPI/I2C/UART串行通訊模塊。

　　(14)硬件RTC時(shí)鐘功能模塊。

　　3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1硬件說(shuō)明

　　Load Cell輸出的模擬信號(hào)傳輸至HY16F188，MCU通過(guò)本身的ADC轉(zhuǎn)換，采集AD信號(hào)值，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理得出對(duì)應(yīng)的重量值，顯示到LCD上，可以通過(guò)4X4矩陣的按鍵輸入進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定操作，可進(jìn)入Sleep模式減低功耗。

　　整體應(yīng)用PCB主板如上圖所示。

　　(A)中央處理器：

　　HY16F188 (Andes 32-bit MCU Core + HYCON 24-bit ΣΔADC + UMC 64K Flash)

　　功能為量測(cè)電信號(hào)、控制、運(yùn)算包含功能為儲(chǔ)存校正參數(shù)。

　　(B)顯示芯片：HY2613 (HYCON LCD Driver LCD Segment 4X36)

　　負(fù)責(zé)LCD驅(qū)動(dòng)。

　　(C)電源電路：9V轉(zhuǎn)3.3V電源系統(tǒng)。

　　(D)模擬感測(cè)模塊：壓力傳感器(Load Cell)。

　　(E)在線(xiàn)燒錄與ICE連結(jié)電路，透過(guò)EDM的連接，可支持在線(xiàn)燒錄模擬。

　　并擁有強(qiáng)大的C平臺(tái)IDE以及HYCON模擬軟件分析工具與GUI等支持。