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1.內容簡介 電子化秤重在生活中，已逐漸取代傳統彈簧、天平等量測工具，例如電子計價秤、電子體重秤等。設計電子秤產品主要的組件有：傳感器、ADC和MCU單芯片。本文所設計的電子秤就是利用壓力傳感器(Load Cell)將壓力物理量轉換為電壓訊號，再將電壓轉換為數字顯示出來。由于電壓為模擬量，所以要用ADC將它轉換為數字信號。此時也需要MCU單芯片來控制電子秤主板上的訊號處理與顯示功能。 纮康HY16F188控制芯片內建高精密SD 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩壓輸出等功能，可以很大幅簡化PCB周邊線路。具有高分辨率、高分辨率、低溫漂的SD24 AD轉換器，可以精準完成由模擬到數字的轉換。雖然輸出速率不是非常高，但用于像電子秤這種對于轉換速率要求不高的產品，是沒有問題的。 2.原理說明 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變儀，即惠斯頓電橋，如圖2-1所示。因為電橋上的4個電阻(阻值相同)，所以當有電壓施加在VIN+與VIN-兩端時V+ = V-，即電橋達到了平衡。 此ΔR的變化量產生在訊號兩端的電壓變化為 分辨率分為外部分辨率和內部分辨率，外部分辨率為Load Cell滿量程的輸出電壓值與需要識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。 內部分辨率是衡量電子秤等級的一個重要指針。一般我們以目視法認定的內部分辨率通常是指我們經軟件處理后LCD顯示只有1格滾動時，此時滿量程的格數就是內部分辨率，其1格所代表的訊號約為2~3倍RMS Noise。 內外分辨率之比越小，電子秤精度越高，但內外分辨率之比是有限制的。比如Load Cell滿量程壓差為3mV，要做到3000 Count，內外比為1：10的電子秤，如果不經過信號放大，那最小要處理的信號為3mV/(3000X10)=0.1μV。而SD24所能處理的最小信號值大約為65nV，所以假如內外比再減小的話將產生使ADC不能識別的信號。如果使用OPAMP的話則會增加成本。所以內外分辨率之比要穩定在一定范圍內。 芯片ADC性能能否達到規格要求，通常是以RMS Noise來推算外部是否穩定內部分辨率比值。對于開發電子秤產品而言，使用HY16F188芯片其所能達到的最大內部分辨率的瓶頸在于Input RMS Noise而不在于ADC的分辨率。 HY16F188的ADC待測信號在由PGA、AD倍率調整器的放大后(PGA=32，ADGN=4)，經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，所以如果我們透過平均的軟件處理是可以再將Input Noise進一步降低。 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，即為120nV。在使用2.4V Load Cell驅動電壓，1mV/V的Load Cell，滿量程時壓差可達2.4mV，所以在此情形下我們可以得到20000 Counts的內部分辨率。 2.2控制芯片 單片機簡介：HY16F系列32位高性能Flash單片機(HY16F188) (1)采用最新Andes 32位CPU核心N801處理器。 (2)電壓操作范圍2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。 (3)支持外部20MHz石英震蕩器或內部20MHz高精度RC震蕩器，擁有多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達到最佳省電規劃。 (3.1)運行模式 350uA@2MHz/2(3.2)待機模式 10uA@32KHz/2(3.3)休眠模式 2.5uA (4)程序內存64KBytes Flash ROM (5)數據存儲器08KBytes SRAM。 (6)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機。 (7)24-bit高精準度ΣΔADC模擬數字轉換器 (7.1)內置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達128倍放大。 (7.2)內置溫度傳感器TPS。 (8)超低輸入噪聲運算放大器OPAMP。 (9)16-bit Timer A、16-bit Timer B模塊具PWM波形產生功能、16-bit Timer C 模塊具數字Capture/Compare 功能 (10)硬件串行通訊SPI、I2C、UART模塊模塊 (11)硬件RTC時鐘功能模塊 (12)硬件Touch KEY功能模塊 3.系統設計 3.1硬件說明 HY16F188對于高精度廚房秤的應用，整體電路包含4個touch key部分及LCD顯示模塊。 (A)中央處理器： HY16F188 (Andes 32-bit MCU Core + HYCON 24-bit ΣΔADC + UMC 64K Flash) (B)顯示芯片：HY2613 (HYCON LCD Driver LCD Segment 4X36) (C)電源電路：5.0V轉3.3V電源系統 (D)模擬感測模塊：內部ADC (E)在線刻錄與ICE鏈接電路，透過EDM的連接，可支持在線刻錄模擬。 并擁有強大的C平臺IDE以及HYCON模擬軟件分析工具與GUI等支持。 3.2電路說明 ADC 測量電路 ADC內部的PGA放大32倍，ADGN放大4倍， 參考電壓由VDDA –VSS供給，則ΔVR_I=1.2V。 LCD DRIVER MCU通過IIC與LCD driver通訊，電路簡單，操作方便，只須將數據發送給LCD driver HY2613，MCU就可以處理其他事情，且更新數據方便。 內建硬件觸控模塊(使用模擬比較器方塊) 如上圖 所示，TOUCH KEY 外圍電路連接簡單，只需再CMP的正輸入端CH1端接入一個參考電容Cref=10nf;CMP的正輸入端配置為CH1，與touch key pad的CH1端連接;負輸入端配置為RLC，與NON-OVERLAP 的輸出端RLO連接;NON-OVERLAP的電壓源選擇VDD18=1.8v，且CPRLS=1短路22.5R與20R電阻，設置NON-OVERLAP分壓輸出為1/16R;啟動TMB且計數源為CMPO。透過設置CPIS=1，令CMP的輸入端短路，將CH1上的Cref電容上的電量通過RLO接到VSS，進行完全放電;啟動比較器及TMB開始計數，啟動NON-OVERLAP，讓VDD對touch pad 充電，由于NON-OVERLAP的開關功能，touch PAD對CH1 Cref充電，使得CH1端電壓慢慢上升，當CH1端電壓上升到RLO電位時，比較器輸出轉態CMPO=0，產生CMP中斷標志位，停止TMB計數并記錄TMBR計數值，與設定的TOUCH KEY計數臨界值比較，若小于臨界值，表示有觸摸Touch Pad，反則，沒有觸摸Touch Pad。分別對不同的touch pad掃描。 3.2軟件說明 ADC設置為對輸入信號ΔSI放大128倍，數據輸出率為ADC-CK/32768，每秒輸出10筆數據，最終取有效位數為18Bit(使用者可自行調整)。截取原始數據18Bit，進行平均滑動濾波處理。每8筆數據做一次平均值，得到的平均值再作為ADC最終轉換值。平均滑動濾波實現如圖所示。 由于小訊號放大到128倍，ADC的輸出Bit只能達到18 Bit，如果使用軟件平均方式可以再將ADC的分辨率提升1~2Bit并使數值更加穩定。將新的ADC值與7個ADC Buffer值相加除以8輸出到ADC OUT如圖，此目的是將8筆ADC做平均輸出，這可以將Noise平均提高信號輸出的Bit數。 當ADC平均輸出后，將新值移到Buffer 1 ，Buffer 1移到Buffer 2…Buffer6移到Buffer 7，如下圖。 4.2主程序流程 7.結果總結 以HY16F188為主控結合內部高精度、多通道輸入、快速ADC的量測。不論廚房秤或是計價秤。都非常適合利用HY16F188來進行開發及應用。 8.參考文獻 (1) HYCON HY16F188 Series Data Sheet (2) HYCON HY16F188 Series User’s Guide www.hycontek.com |
