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基于单芯片方案的电子秤系统设计 电子秤技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
电子秤中模数转换电路现在主要有两种实现电路:由分立元件组成的积分电路和单个模数转换(ADC)芯片。积分电路构成的系统外围电路复杂,对个别元器件要求高,存在功耗大、可靠性不高、温度性能差的缺点;而单个ADC芯片构成的系统具有高精度、低功耗、高稳定性的特点,且外围电路简单有利于生产及维护。因此,现在大部分电子秤厂家偏向于使用单个ADC的方案。

随着技术的发展,生产和应用要求更加简单、精度更高、成本更低、功耗更低的解决方案,电子秤电路不断向着更高集成化的方向发展。CSU1221是芯海科技公司自主研发的集成高精度ADC的CMOS单芯片MCU,是国内首创的一款应用于商用电子秤的SoC芯片。

CSU1221芯片技术特性

CSU1221是一个8位CMOS单芯片MCU,内置4K×16位一次性可编程(OTP)ROM,256B数据存储器(RAM),有17个双向I/O口,带有2通道24位全差分输入或4通道24位单端输入的Σ-ΔADC,工作电压为2.4V~3.6V,工作电流小于3mA。

如图1所示,CSU1221内部集成稳压源,可配置输出四种不同电压值,为传感器供电,通过对内部寄存器的操作来打开或关闭稳压源的输出,此电压同时作为CSU1221内部ADC的参考电压。CSU1221内置1MHz时钟振荡器,内置一个8位定时器,CPU周期较快可达到500KHz,同时内置蜂鸣器驱动。CSU1221有四个中断源:1个ADC中断、2个外部中断、1个定时中断。


图1:CSU1221芯片功能结构图

CSU1221内置ADC的输出速率可以配置为3.8~488Hz,ADC前端的低噪声可编程增益放大器(PGA)可以配置为1、64、128、256等四种不同倍率的增益,以满足各种信号量场合。在PGA为128时,ADC的有效精度达到17.5位。


使用CSU1221内置ADC与MCU,因此MCU与ADC之间的通讯都在芯片内部完成,避免外界环境对ADC的影响,可靠性比基于单个ADC芯片的应用系统更高,且高集成度带来明显的高性价比优势;CSU1221内部集成稳压电源,方便于传感器供电。使用CSU1221设计电子计价秤的功耗比当前主流的单个ADC方案更低,提高电池的续航能力。

电子秤系统设计

图2是基于CSU1221的电子计价秤原理框图。从图中可看出此系统主要包含电源电路、主控制芯片、模拟信号输入、存储电路、电压测量电路、按键扫描,下面将对这些电路的设计进行分析。

电源系统 在CSU1221中,数字电路与模拟电路是分别供电的,为了简化电源电路,两路电源仍用一片稳压电路提供,两电源之间用滤波电感隔开,以减少数字电源中因数字电路产生的杂波干扰对模拟电路的影响。

模拟信号输入 传感器输出的模拟差分信号经过两个LC滤除器滤除输入模拟信号中的高频干扰信号之后,再分别输入到CSU1221的AIN0、AIN1引脚。传感器激励端的电压由CSU1221内部LDO输出提供,带负载能力可达到15mA,有四种输出电压可选择,可以通过控制CSU1221内部寄存器控制LDO开关及输出电压值(2.2V、2.5V、2.8V、3V),方便于传感器供电控制。

存储电路 由于CSU1221内部没有E2PROM ,所以必须外部扩展串行接口的E2PROM,如用I2C总线结构的24C02。如用PT3[3]、PT3[4]作为I2C通讯接口,PT3引脚有上拉电阻可选,所以通讯线不需要外接上拉电阻。

电压测量 在各种电池供电的装置中,都希望监视电池电压,以便能够及时对电池进行充电或更换。CSU1221有五个模拟输入端,通过多路器与ADC连接,利用空余的模拟输入端分时测量电池电压值唾手可得。具体接法是:用电阻网络对电池电压分压,AIN3、AIN4作为电压输入端接到采取电阻两端,通过测量此电阻两端电压,再根据采样电阻阻值对于电阻网络的比率值计算出电池的电压值。测量电压的时机为两个时间:一是刚开机进行一次电压测量;二是开机后的电压测量均是在重量稳定一段时间后再进行一次。每次测量都必须切换ADC通道,PGA = 1,AD速率使用125Hz的档位,这样在测量电压时,AD值较稳定且耗时很短,测试结束之后,必须还原之前的ADC设置,还原后必须丢掉3个AD值。

按键扫描 假设按键扫描阵列为4×6,PT1[5]、PT1[6]、PT1[7]、PT2[0]、PT2[1] 、PT2[2]为回扫线,PT2[3]、PT26]、PT3[5]、PT3[6]为驱动线。按键阵排列如图4,在本例中,为了节省元件,未在驱动线中串联隔离元件,如果同时按下与同一回扫线(输入口)连接的两个按键,就会通过两条相关的驱动线造成两个输出端短路。此时可以使用如下方式法避免:初始化时,接通所有上拉电阻,连接按键的各I/O口均设置为输入口,当需要进行按键扫描时,只需将其需要驱动的那一个I/O口设置为输出口并输出低电平,回检读口后立刻将该I/O恢复为输入口,如此反复,即同一时刻只有一条线为输出口,就不会造成故障。

设计要点及注意事项

CSU1221内部集成1MHz时钟,CPU的时钟周期可选择为:62.5K、125K、250K、500KHZ,选择500KHz以缩短每次大循环的运行时间。

CSU1221内部集成的ADC,速率选择范围3.8~488Hz。在测量电压时使用125Hz;在测量传感器时使用15HZ,每个AD值的周期约为67ms,保证在AD值更新之前,程序的大循环已经结束(根据程序大循环运行的时间不同,可以适当调整),为了得到更稳定的重量,首先对AD值进行2次算术平均,然后再进行8次的滑动平均。在测量电压结束之后,必须丢掉3个AD值的时间为200ms,在重量稳定的情况下察觉不到跳动或反应迟钝的现象。

为了提高电子秤的线性,可增加ADC内部运放的偏置电流,增加100%时为较佳。使用CSU1221直接驱动无源蜂鸣器时,必须串一个100欧的电阻,避免快速按键时影响AD值的跳动。在每个大循环结束之后,可以使用HALT指令使CPU处于暂停状态,直到新的中断(如AD中断)产生才恢复正常,这样可以降低功耗CSU1221运行功耗。

由于模拟信号极易受到外界的电磁干扰,所以实际设计中应注意以下细节:1)在PCB布板时接口传感器输入端至AIN0、AIN1的距离尽可能短,滤波电容的接地端要直接接到铺地铜箔上;2)模拟信号的两引线与铁氧体均平行布线,滤波电容紧密平行排列。

由于I2C的时钟频率比较高,为了避免干扰内置的ADC,需远离模拟端的I/O引脚。CSU1221的模拟地AGND应与数字DGND分开来,同时回到稳压芯片(HT7130)的地端,而HT7130的地端与电池的地端相连接。并且其它的元器件,如E2PROM (HT24C02)、液晶驱动芯片(HT1621)的地端并不一定要与DGND相连,如果这些元器件的地端与电池的地端相近,可直接将这些地连接到电池的地端。地线连接应遵循下面的原则:非CSU1221模拟地的地线,不能与CSU1221模拟地部分相连,以避免其它元器件产生的干扰信号流经CSU1221模拟地,影响稳定性。

上电开机后对CSU1221进行初始化时,建议采取如下顺序以提高软件可靠性:a.上电后,延迟30ms;b.初始化CSU1221数字部分;c.延迟30ms后,初始化CSU1221模拟部分;d.延迟60ms后,初始化所有RAM。

本文小结

CSU1221是一款内置ADC的高精度、低功耗、高可靠性的单芯片MCU,外围电路非常简单,应用方便,非常适合用于高精度、小信号测量产品,如高精度电子秤、气压计、血压计,等等。该产品目前已经获得若干衡器及其它行业的批量应用。

近年来针对化工厂爆炸的特大新闻已经不是一次两次,安全生产时时刻刻跟我们在敲响警钟。所以有客户基于自己公司的生产性质,一般会在买“电子秤”的时候也会涉及到要不要防爆这一块。

电子秤防爆已经不是一个新课题,市面上的防爆产品主要有两种,一种是本安型防爆,也就是本质安全型。还有一种是隔爆型防爆。

 

防爆电子秤的特点

1、防爆电子秤适用于IIBT4(IICT6)

本产品防爆电子秤属本质安全型电器设备,适用于爆炸性物质和危险场所的称重计量,整机设备(包括秤台、传感器、称重仪表)均可置于易爆危险区。

2、防爆电子秤低功耗设计

采用LCD显示,高阻抗称重传感器,内置防爆电池盒,直流供电,4节1号普通干电池可用200小时(高性能碱性电池可用500小时)。

3、防爆电子秤功能丰富,操作简单

9种用户参数、11钟系统参数和48钟内部参数设定,功能丰富,适用面广;键盘标定,操作使用简单方便。

4、防爆电子秤状态指示,功能自检

零位、去皮、稳定、电池不足和秤功能停止状态指示;自动进行功能检测,并将检查出的异常情况显示出来,提示用户正常使用,便于故障排除。

5、防爆电子秤不锈钢外壳,全密封设计

称重仪表采用不锈钢外壳,全密封设计,具有防尘防水防爆功能;150kg以下电子台秤采用不锈钢罩壳,外观新颖美观。

防爆秤的类型及适用

1、复合本质安全型防爆电子秤(ExibIIBT4)

适用范围:秤体、称重传感器、接线盒在易燃易爆1、2类危险区,称重仪表置于安全区,中间采用关联设备安全栅连接的台秤、地上衡、汽车衡、称重模块(料斗秤)、皮带秤、自动装料秤等各种称重系统。是目前为昔遭的防爆形式。供电:交流220v。

配置如下:称重传感器——本质安全型防爆传感器。防爆型式一般为:ExibIIBT4。

接线盒——本质安全型防爆接线盒。防爆型式一般为:ExiaIICT6。

安全栅——本质安全型齐纳安全栅。防爆型式一般为:Ex(ia)IIC。

称重仪表与打印机——非防爆型式称重仪表。

2、本质安全型防爆电子秤(ExibIIBT4)

适用范围:秤体、接线盒、称重传感器、称重仪表均在易燃易爆1(10)、2(11)类危险区的防爆电子秤。供电方式:直流6v(4节1#干电池内置防爆电池盒)或24V直流,

系统配置如下:称重传感器——本质安全型防爆传感器,防爆型式一般为:ExibIIBT4。

接线盒——本质安全型防爆接线盒。防爆型式一般为:ExiaIICT6。

称重仪表——本质安全型防爆称重仪表。内置本安型防爆电池盒。防爆型式一般为:ExibIIBT4(气体)DIPDTT13(粉尘)

3、隔爆型防爆电子秤(ExdIIBT4)

适用范围:秤体、称重传感器、称重仪表均在易燃易爆1、2类危险区的防爆电子台秤、电子地上衡、电子汽车衡与称重模块(料斗秤等)系统。供电方式:交流220V

系统配置如下:称重传感器——本质安全型防爆传感器。防爆型式一般为:ExibIIBT4。

接线盒——本安防爆型式一般为:ExibIIBT4。

隔爆仪表箱——内置安全栅、称重仪表。箱体防护型式一般为:ExidIIBT4

4、粉尘防爆电子秤(DIPA21T5.DIPB22T4)(DIPDTT13)

适用范围:秤体、称重传感器、称重仪表、打印机均在易燃易爆粉尘21、22类危险区的防爆电子台秤、电子地上衡、电子汽车衡与称重模块(料斗秤等)系统。供电方式:交流220V

系统配置如下:称重传感器——本质安全型防爆传感器。防爆型式一般为:ExibIIBT4。

接线盒——EF/SCS-B,本安防爆型式一般为:ExibIIBT4。

隔爆仪表箱——内置安全栅、称重仪表。箱体防护型式一般为:IP6X尘密封外壳

买防爆电子秤要明白的注意事项

1.首先确定使用场合的危险介质及其所处的区域

2.依次确定防爆电子秤形式,类别,级别和温度组别

3.气体防爆与粉尘防爆是完全不同的;煤矿防爆与常规防爆是完全不同的

4.防爆电子秤的安装与使用必须严格按照施工规范进行

电子秤故障排除及解决办法

一、电子秤无法充电或充电指示灯不亮或没反应?

1、请先确定电子秤的110V/220V?电压切换开关是否调到与使用电源一样的电压,并确定充电线已牢固的插在秤上的充电座。

2、检查充电线是否有外力因素而造成断路。

3、检查保险丝是否不良。

4、蓄电池不良。

5、为第4项原因或非上述因素,建议送回经销站处理。

二、电子秤开机后无显示?

1、使用干蓄电池的电子秤,检查电池的电压是否正常(应当6V以上),如果电压不足请给电池请充电。

2、检查电子秤电源线、插座、保险丝是否不良。

3、开关机或按键可能损坏。

4、电子秤电路板有故障。

三、电子秤正常开机显示零点后无法称重或重量不准?

1、查看运送保护装置是否拆下。

2、请依照操作手册上之校正步骤重新校正。

3、若非上述原因,建议送回经销站处理。

标准

四、电子秤按键无动作或动作不正常会自动触发?

1、按键不良。

2、按键插座不良。

五、电子秤屏幕显示不正常?

1、单一字体有断字情形,可能是LCD接触不良或故障。

2、显示不清楚或无法显示可能是电子组件故障。

六、电子秤称重时不能显示无背光?

1、电子秤内部程序的背光功能是否没有设定(请参照操作手册设定)

2、有设定背光功能,秤盘需要放置被秤物(感量9倍以上方可亮)

3、可能电子组件故障。

七、电子秤显示Err警告信息?

异常显示说明-各厂家具体产品可能有所不同

显示:[ OU ]表示称量> 100 % FS + 9 d

显示:[ -FULL- ]表示称量超载> 100 % FS + 30 % FS

显示:[ -OU ]表示称量负溢出,零位太低

显示:[ --OY-- ]表示贮存成功

显示:[ --OY-1 ]表示车号.皮重存入的记录数等于200

显示:[ --OY-2 ]表示称重记录数满 1000

当交替显示:[ -c-d--称重值 -]时,表示电池不足,应及时充电!

显示:[ -OFF- -]表示电池电压低到仪表已不能正常工作,请立即关机充电!

显示:[ Err 1 ]表示A/D值太低(低于 –10 % FS)

显示:[ Err 2 ]表示A/D值太高(大于 100 % FS)

显示:[ Err 3 ]表示E2 PROM出错

1、电子秤的内部程序设定是否正常。

2、电子秤保护螺丝未拆除。

八、电子秤屏幕出现Err信息如何解决?

1、秤盘是否没有放置在电子秤上面。

2、可能受不当外力影响。

九、电子秤会出现电池符号?

1、请用电源线马上对秤充电。

2、可能蓄电池或电子组件故障。

[电子秤维修]

十、电子秤零点不稳或不准?

1、场所是否气流不稳定或面对已开窗户及没有放置平稳区域等等(请参阅操作手册)

2、场所是否会有电磁干扰之物品。

3、电子秤是否被撞击或摔倒。

十一、为何我的电子秤无法秤到满载?

1、电子秤保护螺丝未拆除。

2、电子秤是否有异物渗入造成干涉或撞击、摔伤。

3、电子秤的内部程序设定是否正确(参考操作手册)。

十二、电子秤使用注意事项:

1、严禁雨淋或用水冲洗,若不慎沾水则用干布擦拭干净,当机器功能不正常时要尽速送修。

2、严禁敲打撞击及重压。

3、勿置放在高温及潮湿环境场所(专用防水防腐秤除外)

4、勿让蟑螂或小生物侵入机内,以免造成损坏。

5、电子秤维修电子秤若长期不用时须将机器擦拭干净,放入干燥剂用塑料袋包好,有使用干电池应取出,使用充电蓄电池时,应每隔三个月充电一次,以确电子秤保使用寿命。



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