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基于压力传感器实现信号转换的电子称系统的设计

发布时间:2020-09-07
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基于压力传感器实现信号转换的电子称系统的设计

发布时间:2020-09-07
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 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重量引起的电压值之比,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,那要处理的信号为3mV/(3000X10)=0.1μV。而ΣΔ24所能处理的信号值大约为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Andes 32位CPUN801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RC震荡器。

  拥有多种CPU工作频率切换选择,可让使用者达到省电规划。

  (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)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。

 

来源:维库电子市场网

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