基于中颖SH79F085单片机的电子秤设计方案

　　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。