电子秤应用中颖SH79F085

只看该作者 · 2020-8-10 19:26

本文介绍了基于中颖SH79F085单片机的电子秤设计方案，给出了硬件电路结构模块，并作出详细分析。本系统采用集成高精度Σ-ΔADC的单片机作主控，外接显示驱动芯片，电路结构简单，抗干扰能力强，工作稳定。本文着重介绍了SH79F085作主控芯片的硬件电路设计，以及应用中的注意事项和要点。
关键字：中颖电子 SH79F085 单片机电子秤电子衡器计价秤高精度ADC、可编程增益放大器（PGA）

引言：

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产品。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有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12bit，不能满足电子秤应用，因此逐暂被市场淘汰。

高精度模数转换器（ADC）一般采用Σ-Δ型转换器，通常分辨率在16-bit以上。Σ-Δ转换器又称为过采样转换器，这种转换器由Σ-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。Σ-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Σ-Δ码，然后将Σ-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Σ-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。Σ-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。

电子秤分类等级：

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，见下表。应用zui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，由于中颖SH79F085 内建20 位Σ-Δ模数转换器（ADC）、内建1~200 倍的可编程增益放大器（PGA），很适合电子秤应用。由于SH79F085 内建资源丰富，既能节省外围电路，又方便系统调试，而且也能有效提高系统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。下图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 模数转换器（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-bit 分辨率，16-bit 以上的有效精度。一般而言，商业衡器的分辨率在1/3000，zui高达1/10000。为了确保称重时的稳定性与度，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 内建ADC 的可用有效输出码达26 万以上，因此，ADC 精度性能完全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 是一种高速率8051 兼容单片机。在同样振荡频率下，较之传统的8051 芯片它具有运行更快速，性能更优越的特性。

SH79F085 保留了标准8051 芯片的大部分特性。内建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 不仅集成EUART 标准通讯模块，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）。为了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，提供了2 种低功耗省电模式。

SH79F085内建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，zui低系统功耗仅3uA。在掉电模式下，可通过设定定时器3（timer3）来作时钟唤醒，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，此应用能有效节约系统功耗。因此，SH79F085单片机很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：

下图为本方案的电路原理图，可以看到选用本方案电路结构精简，用到的外围器件很少。SH79F085单片机工作电压为3.0V～5.5V，内建LDO稳压源输出2.7V电压（VDDR）提供给传感器供电。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。另外，SH79F085内建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印制电路板布局时，zui重要的是模拟部分和数字部分分开，避免数字电路的高频噪声对模拟电路的干扰，在本设计中，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，可提高系统抗干扰性能和稳定性。

结束语：

本文给出了基于中颖SH79F085单片机为核心的电子称设计方案，充分利用了该芯片内建高精度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，具备较高的设计参考价值，适合商业衡器和衡器方案推广使用。由于SH79F085内建高精度模数转换器（ADC）和可编程增益放大器（PGA），同样也适合工业温控仪表等小信号采集设备应用。