HY16F188高精度觸控廚房秤應用

　　1.內容簡(jiǎn)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(jià)秤、電子體重秤等。設計電子秤產(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(lái)。由于電壓為模擬量，所以要用ADC將它轉換為數字信號。此時(shí)也需要MCU單芯片來(lái)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(jiǎn)化PCB周邊線(xiàn)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(chǎn)品，是沒(méi)有問(wèn)題的。

　　2.原理說(shuō)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(gè)電阻(阻值相同)，所以當有電壓施加在VIN+與VIN-兩端時(shí)V+ = V-，即電橋達到了平衡。

　　此ΔR的變化量產(chǎn)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L(cháng)oad Cell滿(mǎn)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(gè)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(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(mǎn)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(jīng)過(guò)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(huà)將產(chǎn)生使ADC不能識別的信號。如果使用OPAMP的話(huà)則會(huì )增加成本。所以?xún)韧夥直媛手纫€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(lái)推算外部是否穩定內部分辨率比值。對于開(kāi)發(fā)電子秤產(chǎn)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A(yíng)DC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(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驅動(dòng)電壓，1mV/V的Load Cell，滿(mǎn)量程時(shí)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(jiǎn)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(chǎn)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(shí)鐘功能模塊

　　(12)硬件Touch KEY功能模塊

　　3.系統設計

　　3.1硬件說(shuō)明

　　HY16F188對于高精度廚房秤的應用，整體電路包含4個(gè)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(xiàn)刻錄與ICE鏈接電路，透過(guò)EDM的連接，可支持在線(xiàn)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(shuō)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(guò)IIC與LCD driver通訊，電路簡(jiǎn)單，操作方便，只須將數據發(fā)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(jiǎn)單，只需再CMP的正輸入端CH1端接入一個(gè)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(dòng)TMB且計數源為CMPO。透過(guò)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(guò)RLO接到VSS，進(jìn)行完全放電;啟動(dòng)比較器及TMB開(kāi)始計數，啟動(dòng)NON-OVERLAP，讓VDD對touch pad 充電，由于NON-OVERLAP的開(kāi)關(guān)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(shí)，比較器輸出轉態(tài)CMPO=0，產(chǎn)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(méi)有觸摸Touch Pad。分別對不同的touch pad掃描。

　　3.2軟件說(shuō)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(jìn)行平均滑動(dòng)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(dòng)濾波實(shí)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(gè)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(jià)秤。都非常適合利用HY16F188來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)及應用。

　　8.參考文獻

　　(1) HYCON HY16F188 Series Data Sheet

　　(2) HYCON HY16F188 Series User’s Guide

　　www.hycontek.com