以高整合度混合信号单片机实现电子计价秤应用

1. 内容简介

电子化秤重在生活中，已逐渐取代传统弹簧、天平等量测工具，例如电子计价秤、电子体重秤等。设计电子秤产品主要的组件有：传感器、ADC和MCU单芯片。本文所设计的电子秤就是利用压力传感器(Load Cell)将压力物理量转换为电压讯号，再将电压转换为数字显示出来。由于电压为模拟量，所以要用ADC将它转换为数字信号。此时也需要MCU单芯片来控制电子秤主机板上的讯号处理与显示功能。

纮康HY16F188控制芯片内建高精密ΣΔ 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式稳压输出等功能，可以很大幅简化PCB周边线路。具有高分辨率、高分辨率、低温漂的ΣΔ24 AD转换器，可以精准完成由模拟到数字的转换。虽然输出速率不是非常高，但用于像电子秤这种对于转换速率要求不高的产品，是没有问题的。

2. 原理说明

2.1 感测组件

Load Cell的原理是在铝制的棒上面贴上一片由桥式电阻所组成的应变仪，即惠斯顿电桥，如图2-1所示。因为电桥上的4个电阻(阻值相同)，所以当有电压施加在VIN+与VIN-两端时V+ = V-，即电桥达到了平衡。

分辨率分为外部分辨率和内部分辨率，外部分辨率为Load Cell满量程的输出电压值与需要识别的最小重量引起的电压值之比，最小重量可以定义为1g、0.5g、0.1g等。

内部分辨率是衡量电子秤等级的一个重要指针。一般我们以目视法认定的内部分辨率通常是指我们经软件处理后LCD显示只有1格滚动时，此时满量程的格数就是内部分辨率，其1格所代表的讯号约为2~3倍RMS Noise。

内外分辨率之比越小，电子秤精度越高，但内外分辨率之比是有限制的。比如Load Cell满量程压差为3mV，要做到3000 Count，内外比为1：10的电子秤，如果不经过信号放大，那最小要处理的信号为3mV/(3000X10)=0.1μV。而ΣΔ24所能处理的最小信号值大约为65nV，所以假如内外比再减小的话将产生使ADC不能识别的信号。如果使用OPAMP的话则会增加成本。所以内外分辨率之比要稳定在一定范围内。

芯片ADC性能能否达到规格要求，通常是以RMS Noise来推算外部是否稳定内部分辨率比值。对于开发电子秤产品而言，使用HY16F188芯片其所能达到的最大内部分辨率的瓶颈在于Input RMS Noise而不在于ADC的分辨率。 HY16F188的ADC待测信号在由PGA、AD倍率调整器的放大后(PGA=32，ADGN=4)，经OSR=32768每秒输出10笔ADC值的条件下，其Input RMS Noise约为65nV，但由于其Input Noise主要由Thermal Noise组成，所以如果我们透过平均的软件处理是可以再将Input Noise进一步降低。

如果我们使用8笔的软件平均处理其Input RMS Noise约为40nV，3倍RMS Noise代表约1格的滚动，即为120nV。在使用2.4V Load Cell驱动电压，1mV/V的Load Cell，满量程时压差可达2.4mV，所以在此情形下我们可以得到20000 Counts的内部分辨率。

2.2 控制芯片

单片机简介：HY16F系列32位高性能Flash单片机(HY16F188)

纮康HY16F系列32位高性能Flash单片机(HY16F188)

(01)采用最新Andes 32位CPU核心N801处理器。

(02)电压操作范围2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作温度范围。

(03)支持外部20MHz石英震荡器或内部20MHz高精度RC震荡器。

拥有多种CPU工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划。

(3.1)运行模式 350uA@2MHz/2

(3.2)待机模式 10uA@32KHz/2

(3.3)休眠模式 2.5uA

(04)程序内存64KBytes Flash ROM。

(05)数据存储器8KBytes SRAM。

(06)拥有BOR and WDT功能，可防止CPU死机。

(07)24-bit高精准度ΣΔADC模拟数字转换器

(7.1)内置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可达128倍放大。

(7.2)内置温度传感器。

(08)超低输入噪声Rail to Rail运算放大器OPAMP。

(09)多功能CMP模拟比较器，并可支持4组硬件Touch Key功能模块。

(10)16-bit Timer A模块。

(11)16-bit Timer B模块具PWM波形产生功能。

(12)16-bit Timer C模块具Capture/Compare 功能。

(13)硬件SPI/I2C/UART串行通讯模块。

(14)硬件RTC时钟功能模块。

3. 系统设计

3.1硬件说明

Load Cell输出的模拟信号传输至HY16F188，MCU通过本身的ADC转换，采集AD信号值，经过运算处理得出对应的重量值，显示到LCD上，可以通过4X4矩阵的按键输入进行相关的设定操作，可进入Sleep模式减低功耗。

整体应用PCB主板如上图所示。

(A)中央处理器：

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

功能为量测电信号、控制、运算包含功能为储存校正参数。

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

负责LCD驱动。

(C)电源电路：9V转3.3V电源系统。

(D)模拟感测模块：压力传感器(Load Cell)。

(E)在线烧录与ICE连结电路，透过EDM的连接，可支持在线烧录模拟。

并拥有强大的C平台IDE以及HYCON模拟软件分析工具与GUI等支持。