以SH79F085单片机为核心的电子秤设计

电子秤是衡器中的一种,随着科学技术的发展与进步,电子秤经历了由简单到复杂、粗糙到精密的全电子化称重过程。近年来,电子秤广泛应用于商业计价、精密衡器、工业包装、仓储运输等领域。
目前,市场上的电子秤系统主要采用两种方案实现对传感器模拟信号采样:双积分电路和高精度模数转换器(adc)。
双积分电路是采用一种间接式的a/d转换器,它的基本原理是把待转换的模拟电压变换为与之成比例的时间间隔t,并在t时间内,用恒定频率的脉冲去计数,这就把时间t转换成了数字信号量。双积分电路由于电路复杂,转换时需要软件干预,以及精度较低(一般小于12位)不能满足高端电子秤应用,因此逐渐被市场淘汰。
高精度adc一般采用σ-δ型转换器,通常分辨率在16位以上。∑-δ转换器又称为过采样转换器,这种转换器由∑-δ调制器及连接其后的数字滤波器构成,调制器的结构包括1个积分器和1个比较器,以及含有1个1位数模转换器的反馈环。∑-δ调制器以极高的抽样频率对模拟信号进行抽样,并对两个抽样之间的差值进行低位量化,从而得到用低位数码表示的数字信号即∑-δ码,然后将∑-δ码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波,从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器,由于∑-δ调制器具有极高的抽取速率,通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍,因此σ-δ型a/d转换器又称为过抽样a/d转换器。∑-δ模数转换器具有抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高和线性度好等优点。常应用于高性能商业衡器、精密衡器、智能工业仪表、医疗电子等领域。
国际法制计量组织(oiml)把电子秤按不同的分度数分成i、ii、iii、iv四类等级,分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围(见表1)。应用最为广泛的商业衡器对应的衡器等级为iii级,ii级以上属于精密衡器和基准衡器。
硬件设计 在硬件电路设计方面,中颖电子开发的sh79f085内置20位σ-δ模数转换器(adc)和1~200倍的可编程增益放大器(pga),非常适合电子秤应用。由于sh79f085内置资源丰富,既能节省外围电路,又方便系统调试,而且还能有效提高系统的emi性能。硬件电路主要包括:sh79f085单片机、电源电路、压力传感器、显示电路、键盘电路。图2为电子秤硬件电路结构。
芯片介绍 sh79f085是上海中颖电子自主研发的集成20位σ-δ adc的cmos单芯片mcu,是一款专业应用于商用电子秤的soc芯片。根据厂家规格资料显示,集成的adc具有20位分辨率,16位以上的有效精度。一般而言,商业衡器的分辨率在1/3000,最高达1/10000。为确保称重时的稳定性与精准度,电子秤内部的分辨率必须高于外部分辨率一个数量级,通常是5倍以上,也就是内码是外码的5倍以上。而sh79f085内置adc的可用有效输出码达26万以上,因此,adc精度性能完全能满足中准确度商业衡器应用,如果在用户端软件加以滤波处理,也能满足高准确度精密衡器应用。
sh79f085是一种高速高效率8051兼容单片机。在同样振荡频率下,与传统的8051芯片相比它具有运行更快速、性能更优越的特性。
sh79f085保留了标准8051芯片的大部分特性。内部资源包括适合于程序和数据的8k字节flash,512字节ram和4个16位定时器/计数器,1个uart和外置中断int0、int1、int2。
sh79f085不仅包含euart标准通讯模块,而且还集成了20位σ-δ模数转换器模块(adc)和可编程增益放大器(pga)。为达到高可靠性和低功耗,sh79f085集成了看门狗定时器,具有低电压复位功能,并提供2种低功耗省电模式。
sh79f085内置128khz rc振荡器和16.6mhz rc振荡器,系统时钟选择128khz rc振荡器时,系统功耗约30ua;当系统进入掉电模式时,最低系统功耗仅3ua。在掉电模式下,可通过设定定时器3(timer3)来进行时钟唤醒,以固定的间隔频率开启传感器供电电源vddr,采样传感器称重状态,如果检测到有重量变化,系统进入正常称重计量模式;否则关闭vddr,系统返回到掉电待机模式,这样能有效节省系统功耗。因此,sh79f085单片机十分适合低功耗系统应用,特别是蓄电池和干电池产品应用。
电路原理 图3为本文方案的电路原理图,可以看到选用该方案电路结构精简,用到的外围器件很少。sh79f085单片机工作电压为3.0v~5.5v,内置ldo稳压源输出2.7v电压(vddr)给传感器供电。ain2差分端口为称重传感器信号输入,ain0差分端口为电池电压检测输入。此外,sh79f085内置vref基准电源,可编程输出范围为:0.1v~0.8v,根据实际需求可通过寄存器来调节输出范围。
在pcb布局时,最重要的是模拟部分和数字部分分开,以避免数字电路的高频噪声对模拟电路的干扰,在本文设计中,数字地与模拟地之间采用单点接地方法。另外,称重传感器输出走线应尽量短,且走线对称,以提高系统抗干扰性能和稳定性。
本文小结 本文描述了基于中颖sh79f085单片机的电子秤设计方案,充分利用了该芯片内置的高精度σ-δad转换器,整体方案具备电路简单、低功耗、高精度分辨率以及实用性强等特点,具有较高的设计参考价值,适合商业衡器和精准衡器方案推广使用。由于sh79f085内置高精度adc和pga,同样也适合工业温控仪表等小信号采集设备应用。

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