電子秤是衡器中的一種，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，電子秤經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、粗糙到精密的全電子化稱重過程。近年來，電子秤廣泛應(yīng)用于商業(yè)計(jì)價(jià)、精密衡器、工業(yè)包裝、倉儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

目前，市場(chǎng)上的電子秤系統(tǒng)主要采用兩種方案實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器模擬信號(hào)采樣：雙積分電路和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

雙積分電路是采用一種間接式的A/D轉(zhuǎn)換器，它的基本原理是把待轉(zhuǎn)換的模擬電壓變換為與之成比例的時(shí)間間隔t，并在t時(shí)間內(nèi)，用恒定頻率的脈沖去計(jì)數(shù)，這就把時(shí)間t轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)量。雙積分電路由于電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換時(shí)需要軟件干預(yù)，以及精度較低(一般小于12位)不能滿足高端電子秤應(yīng)用，因此逐漸被市場(chǎng)淘汰。

高精度ADC一般采用Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器，通常分辨率在16位以上。∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器由∑-Δ調(diào)制器及連接其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成，調(diào)制器的結(jié)構(gòu)包括1個(gè)積分器和1個(gè)比較器，以及含有1個(gè)1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)。∑-Δ調(diào)制器以極高的抽樣頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，并對(duì)兩個(gè)抽樣之間的差值進(jìn)行低位量化，從而得到用低位數(shù)碼表示的數(shù)字信號(hào)即∑-Δ碼，然后將∑-Δ碼送給第二部分的數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行抽取濾波，從而得到高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。因此抽取濾波器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)碼型變換器，由于∑-Δ調(diào)制器具有極高的抽取速率，通常比奈奎斯特抽樣頻率高出許多倍，因此Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器又稱為過抽樣A/D轉(zhuǎn)換器?！?Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強(qiáng)、量化噪聲小、分辨率高和線性度好等優(yōu)點(diǎn)。常應(yīng)用于高性能商業(yè)衡器、精密衡器、智能工業(yè)儀表、醫(yī)療電子等領(lǐng)域。

國際法制計(jì)量組織(OIML)把電子秤按不同的分度數(shù)分成I、II、III、IV四類等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)不同準(zhǔn)確度的電子秤和分度數(shù)n的范圍(見表1)。應(yīng)用最為廣泛的商業(yè)衡器對(duì)應(yīng)的衡器等級(jí)為III級(jí)，II級(jí)以上屬于精密衡器和基準(zhǔn)衡器。

硬件設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)方面，中穎電子開發(fā)的SH79F085內(nèi)置20位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和1～200倍的可編程增益放大器(PGA)，非常適合電子秤應(yīng)用。由于SH79F085內(nèi)置資源豐富，既能節(jié)省外圍電路，又方便系統(tǒng)調(diào)試，而且還能有效提高系統(tǒng)的EMI性能。硬件電路主要包括：SH79F085單片機(jī)、電源電路、壓力傳感器、顯示電路、鍵盤電路。圖2為電子秤硬件電路結(jié)構(gòu)。

芯片介紹

SH79F085是上海中穎電子自主研發(fā)的集成20位Σ-Δ ADC的CMOS單芯片MCU，是一款專業(yè)應(yīng)用于商用電子秤的SoC芯片。根據(jù)廠家規(guī)格資料顯示，集成的ADC具有20位分辨率，16位以上的有效精度。一般而言，商業(yè)衡器的分辨率在1/3000，最高達(dá)1/10000。為確保稱重時(shí)的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度，電子秤內(nèi)部的分辨率必須高于外部分辨率一個(gè)數(shù)量級(jí)，通常是5倍以上，也就是內(nèi)碼是外碼的5倍以上。而SH79F085內(nèi)置ADC的可用有效輸出碼達(dá)26萬以上，因此，ADC精度性能完全能滿足中準(zhǔn)確度商業(yè)衡器應(yīng)用，如果在用戶端軟件加以濾波處理，也能滿足高準(zhǔn)確度精密衡器應(yīng)用。

SH79F085是一種高速高效率8051兼容單片機(jī)。在同樣振蕩頻率下，與傳統(tǒng)的8051芯片相比它具有運(yùn)行更快速、性能更優(yōu)越的特性。

SH79F085保留了標(biāo)準(zhǔn)8051芯片的大部分特性。內(nèi)部資源包括適合于程序和數(shù)據(jù)的8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM和4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)UART和外置中斷INT0、INT1、INT2。

SH79F085不僅包含EUART標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊，而且還集成了20位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊(ADC)和可編程增益放大器(PGA)。為達(dá)到高可靠性和低功耗，SH79F085集成了看門狗定時(shí)器，具有低電壓復(fù)位功能，并提供2種低功耗省電模式。

SH79F085內(nèi)置128KHz RC振蕩器和16.6MHz RC振蕩器，系統(tǒng)時(shí)鐘選擇128KHz RC振蕩器時(shí)，系統(tǒng)功耗約30uA；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式時(shí)，最低系統(tǒng)功耗僅3uA。在掉電模式下，可通過設(shè)定定時(shí)器3(timer3)來進(jìn)行時(shí)鐘喚醒，以固定的間隔頻率開啟傳感器供電電源VDDR，采樣傳感器稱重狀態(tài)，如果檢測(cè)到有重量變化，系統(tǒng)進(jìn)入正常稱重計(jì)量模式；否則關(guān)閉VDDR，系統(tǒng)返回到掉電待機(jī)模式，這樣能有效節(jié)省系統(tǒng)功耗。因此，SH79F085單片機(jī)十分適合低功耗系統(tǒng)應(yīng)用，特別是蓄電池和干電池產(chǎn)品應(yīng)用。

電路原理

圖3為本文方案的電路原理圖，可以看到選用該方案電路結(jié)構(gòu)精簡，用到的外圍器件很少。SH79F085單片機(jī)工作電壓為3.0V～5.5V，內(nèi)置LDO穩(wěn)壓源輸出2.7V電壓(VDDR)給傳感器供電。AIN2差分端口為稱重傳感器信號(hào)輸入，AIN0差分端口為電池電壓檢測(cè)輸入。此外，SH79F085內(nèi)置VREF基準(zhǔn)電源，可編程輸出范圍為：0.1V～0.8V，根據(jù)實(shí)際需求可通過寄存器來調(diào)節(jié)輸出范圍。

在PCB布局時(shí)，最重要的是模擬部分和數(shù)字部分分開，以避免數(shù)字電路的高頻噪聲對(duì)模擬電路的干擾，在本文設(shè)計(jì)中，數(shù)字地與模擬地之間采用單點(diǎn)接地方法。另外，稱重傳感器輸出走線應(yīng)盡量短，且走線對(duì)稱，以提高系統(tǒng)抗干擾性能和穩(wěn)定性。

本文小結(jié)

本文描述了基于中穎SH79F085單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì)方案，充分利用了該芯片內(nèi)置的高精度Σ-ΔAD轉(zhuǎn)換器，整體方案具備電路簡單、低功耗、高精度分辨率以及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較高的設(shè)計(jì)參考價(jià)值，適合商業(yè)衡器和精準(zhǔn)衡器方案推廣使用。由于SH79F085內(nèi)置高精度ADC和PGA，同樣也適合工業(yè)溫控儀表等小信號(hào)采集設(shè)備應(yīng)用。