利用压力传感器设计的电子秤

　　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。

　　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最小重量引起的电压值之比，最小重量可以定义为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，电子秤精度越高，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，那最小要处理的信号为3mV/（3000X10）=0.1μV。而ΣΔ24所能处理的最小信号值大约为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芯片其所能达到的最大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工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划。
　　（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）最高可达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。

　　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。
　　PCB电路图：
　　
　　3.2电路说明
　　3.2.1 芯片ADC说明
　　Load Cell输入电压由内置稳压器2.4V输出供给VDDA，ADC内部的PGA放大32倍，Gain放大4倍，参考电压由VDDA –VSS供给，FRB［0］设置［1］，则ΔVR_I=1.2V ，由于ΣΔ24具有良好的温漂特性，整体的温度曲线约略为±10PPM，所以只要选择低温漂系数Load Cell，就可以达到温度漂移的要求。
　　
　　3.2.2 矩阵键盘说明
　　在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样一个端口（如PT2埠8PIN）就可以构成4X4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出1键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
　　矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的MCU的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下。
　　矩阵按键识别方法：
　　（A）行扫描法：
　　行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，
　　如上图所示键盘，介绍过程如下。
　　（1）判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
　　（2）判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
　　（B）高低电平翻转法：
　　（1）首先让PT2口高四位为1，低四位为0。若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。
　　（2）然后让PT2口高四位为0，低四位为1。若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。
　　最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。
　　3.2.3 LCD Driver电路说明
　　
　　LCD驱动电路
　　MCU通过IIC与LCD driver通讯，电路简单，操作方便，只须将数据发送给LCD driver HY2613，MCU就可以处理其它事情，且更新数据方便。
　　3.3软件说明
　　整体程序流程图
　　
　　3.3.1程序功能简介
　　（1）上电后除了MCU的初始化，对LCD初始化，读取0g校正值、标准重量校正值和标准重量值，且抓取ADC的0点ADC值。初始化过程LCD显示00.000g，待初始化完成会进入ADC称重，LCD显示重量格式为XX.XXXg。
　　（2）矩阵按键操作
　　
　　（3）ADC校正操作：
　　此操作只在称重模式下有效，操作流程如图所示。
　　图ADC校正模式工作流程
　　3.3.2 ADC数据处理
　　ADC设置为对输入信号？SI放大128倍，数据输出率为ADC-CK/32768，每秒输出10笔数据，最终取有效位数为16Bit。截取原始数据16Bit，进行平均滑动滤波处理。每8笔数据做一次平均值，得到的平均值再截取高16Bit作为ADC最终转换值。平均滑动滤波实现如图所示。启动ADC后，丢弃前2笔数据，第3笔数据开始存储。
　　由于小讯号放大到128倍，ADC的输出Bit只能达到±15 Bit，如果使用软件平均方式可以再将ADC的分辨率提升1~2Bit。将新的ADC值与7个ADC Buffer值相加除以8输出到ADC OUT如图，此目的是将8笔ADC做平均输出，这可以将Noise平均提高信号输出的Bit数。
　　
　　当ADC平均输出后，将新值移到Buffer 1 ，Buffer 1移到Buffer 2…Buffer6移到Buffer 7，如图。
　　
　　由于平均输出的反应时间比较慢，当有较大的ADC值变化时，需要跳过此平均程序。当ADC新值大于ADC 平均值超过0X200时，先记录此新ADC值，但不加入平均值运算，如果下一次的ADC值还是超过0X200，将新值取代所有ADC的Buffer并输出;如果下一次的ADC值没有超过，可回到平均流程。
　　ADC校正信息：
　　此操作只在称重模式下有效，操作流程如图所示。
　　
　　图ADC校正模式工作流程
　　3.3.3矩阵按键处理
　　
　　3.4.3 LCD显示处理
　　MCU与LCD Driver通过IIC通讯协议，兼容EEPROM的读写通讯协议，所以LCD Driver可以与EEPROM等其它IIC通讯协议的组件可共享一条IIC BUS。LCD Driver的设备地址为0X7C，根据MSB的最高位是0或1决定下一个Byte是发送命令还是数据。
　　LCD Driver操作步骤：
　　（01）初始化开始条件并启动I2C。
　　（02）发送Slaver Address。
　　（03）发送命令或地址，根据数据的最高位为0或1决定下1个Byte是发送数据还是命令。
　　通过命令可以设置相关的LCD 功能，包括功耗模式、Reset、关闭/打开显示、背光功能及设置Duty及Bias，以适应不同的LCD显示屏。
　　1. 实验纪录