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

在生活中，电子秤已逐渐取代了传统的弹簧、天平等测量工具，如电子计价秤、电子体重秤等。传感器、ADC和MCU单芯片。本文设计的电子秤采用压力传感器(Load Cell)将压力物理量转换为电压信号，然后将电压转换为数字显示。因为电压是模拟量，所以需要使用ADC将其转换为数字信号。此时也需要MCU电子秤主制电子秤主板上的信号处理和显示功能。

纮康HY16F188控制芯片内建高精度控制芯片ΣΔ 24 Bit ADC、可程序放大PGA可以大大简化多段稳压输出等功能PCB周边线路。高分辨率、高分辨率、低温漂浮ΣΔ24 AD从模拟到数字的转换可以准确地完成转换器。虽然输出速率不是很高，但对于转换速率要求低的产品，如电子秤，没有问题。

2. 原理说明

2.1 感测组件

Load Cell原理是在铝棒上贴一个由桥式电阻组成的应变仪，即惠斯顿电桥，如图2-1所示。由于电桥上的四个电阻（电阻值相同），当有电压时VIN 与VIN-两端时V = V-，即电桥达到平衡。

分辨率分为外部分辨率和内部分辨率，外部分辨率Load Cell最小重量可定义为1g、0.5g、0.1g等。

内部分辨率是衡量电子秤等级的重要指标。一般来说，我们用视觉识别的内部分辨率通常是指软件处理后LCD当显示只有1格滚动时，此时满量程的格数为内部分辨率，其1格所代表的信号约为2~3倍RMS Noise。

内外分辨率越小，电子秤精度越高，但内外分辨率有限。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，如果没有信号放大，最小信号为3mV/(3000X10)=0.1μV。而ΣΔ24处理的最小信号值约为65nV，因此，如果内外比再次减少，就会产生ADC无法识别的信号。如果使用OPAMP会增加成本。因此，内外分辨率比应在一定范围内稳定。

芯片ADC性能是否符合规格要求通常是基于RMS Noise来推算外部是否稳定内部分辨率比值。对于电子秤产品的开发，使用HY16F188芯片最大的内部分辨率瓶颈在于Input RMS Noise而不在于ADC的分辨率。 HY16F188的ADC待测信号在由PGA、AD放大倍率调节器后(PGA=32，ADGN=4)，经OSR=32768每秒输出10笔ADC在值的条件下，它Input RMS Noise约为65nV，但由于其Input Noise主要由Thermal Noise组成，因此，如果我们可以通过平均软件处理Input Noise进一步减少。

如果我们平均使用8笔软件Input RMS Noise约为40nV，3倍RMS Noise代表约1格的滚动，即120nV。在使用2.4V Load Cell驱动电压，1mV/V的Load Cell，压差可达2.4mV，所以在这种情况下，我们可以得到2万万 Counts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HY16F32位高性能系列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切换工作频率的选择可以让用户实现最佳的省电计划。

(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，可以预防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)放大最高可达128倍。

(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串行通信模块。

(14)硬件RTC时钟功能模块。

3. 系统设计

3.1硬件说明

Load Cell模拟信号拟信号传输到HY16F188，MCU通过本身的ADC转换，采集AD信号值，通过操作处理得到相应的重量值，显示到LCD上，可通过4X4矩阵的按键输入可以进入Sleep降低模式功耗。

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)

该功能是存储校正参数，包括测量电信号、控制和操作。

(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)压力传感器模拟压力传感器(Load Cell)。

(E)在线烧录与ICE连接电路，通过EDM可支持在线烧录模拟。

并拥有强大的C平台IDE以及HYCON模拟软件分析工具和GUI等支持。