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基于單芯片方案的電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子秤技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-30    來(lái)源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
電子秤中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在主要有兩種實(shí)現(xiàn)電路:由分立元件組成的積分電路和單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片。積分電路構(gòu)成的系統(tǒng)外圍電路復(fù)雜,對(duì)個(gè)別元器件要求高,存在功耗大、可靠性不高、溫度性能差的缺點(diǎn);而單個(gè)ADC芯片構(gòu)成的系統(tǒng)具有高精度、低功耗、高穩(wěn)定性的特點(diǎn),且外圍電路簡(jiǎn)單有利于生產(chǎn)及維護(hù)。因此,現(xiàn)在大部分電子秤廠家偏向于使用單個(gè)ADC的方案。

隨著技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)和應(yīng)用要求更加簡(jiǎn)單、精度更高、成本更低、功耗更低的解決方案,電子秤電路不斷向著更高集成化的方向發(fā)展。CSU1221是芯??萍脊咀灾餮邪l(fā)的集成高精度ADC的CMOS單芯片MCU,是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的一款應(yīng)用于商用電子秤的SoC芯片。

CSU1221芯片技術(shù)特性

CSU1221是一個(gè)8位CMOS單芯片MCU,內(nèi)置4K×16位一次性可編程(OTP)ROM,256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),有17個(gè)雙向I/O口,帶有2通道24位全差分輸入或4通道24位單端輸入的Σ-ΔADC,工作電壓為2.4V~3.6V,工作電流小于3mA。

如圖1所示,CSU1221內(nèi)部集成穩(wěn)壓源,可配置輸出四種不同電壓值,為傳感器供電,通過(guò)對(duì)內(nèi)部寄存器的操作來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉穩(wěn)壓源的輸出,此電壓同時(shí)作為CSU1221內(nèi)部ADC的參考電壓。CSU1221內(nèi)置1MHz時(shí)鐘振蕩器,內(nèi)置一個(gè)8位定時(shí)器,CPU周期較快可達(dá)到500KHz,同時(shí)內(nèi)置蜂鳴器驅(qū)動(dòng)。CSU1221有四個(gè)中斷源:1個(gè)ADC中斷、2個(gè)外部中斷、1個(gè)定時(shí)中斷。


圖1:CSU1221芯片功能結(jié)構(gòu)圖

CSU1221內(nèi)置ADC的輸出速率可以配置為3.8~488Hz,ADC前端的低噪聲可編程增益放大器(PGA)可以配置為1、64、128、256等四種不同倍率的增益,以滿(mǎn)足各種信號(hào)量場(chǎng)合。在PGA為128時(shí),ADC的有效精度達(dá)到17.5位。


使用CSU1221內(nèi)置ADC與MCU,因此MCU與ADC之間的通訊都在芯片內(nèi)部完成,避免外界環(huán)境對(duì)ADC的影響,可靠性比基于單個(gè)ADC芯片的應(yīng)用系統(tǒng)更高,且高集成度帶來(lái)明顯的高性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì);CSU1221內(nèi)部集成穩(wěn)壓電源,方便于傳感器供電。使用CSU1221設(shè)計(jì)電子計(jì)價(jià)秤的功耗比當(dāng)前主流的單個(gè)ADC方案更低,提高電池的續(xù)航能力。

電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是基于CSU1221的電子計(jì)價(jià)秤原理框圖。從圖中可看出此系統(tǒng)主要包含電源電路、主控制芯片、模擬信號(hào)輸入、存儲(chǔ)電路、電壓測(cè)量電路、按鍵掃描,下面將對(duì)這些電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

電源系統(tǒng) 在CSU1221中,數(shù)字電路與模擬電路是分別供電的,為了簡(jiǎn)化電源電路,兩路電源仍用一片穩(wěn)壓電路提供,兩電源之間用濾波電感隔開(kāi),以減少數(shù)字電源中因數(shù)字電路產(chǎn)生的雜波干擾對(duì)模擬電路的影響。

模擬信號(hào)輸入 傳感器輸出的模擬差分信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)LC濾除器濾除輸入模擬信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)之后,再分別輸入到CSU1221的AIN0、AIN1引腳。傳感器激勵(lì)端的電壓由CSU1221內(nèi)部LDO輸出提供,帶負(fù)載能力可達(dá)到15mA,有四種輸出電壓可選擇,可以通過(guò)控制CSU1221內(nèi)部寄存器控制LDO開(kāi)關(guān)及輸出電壓值(2.2V、2.5V、2.8V、3V),方便于傳感器供電控制。

存儲(chǔ)電路 由于CSU1221內(nèi)部沒(méi)有E2PROM ,所以必須外部擴(kuò)展串行接口的E2PROM,如用I2C總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的24C02。如用PT3[3]、PT3[4]作為I2C通訊接口,PT3引腳有上拉電阻可選,所以通訊線(xiàn)不需要外接上拉電阻。

電壓測(cè)量 在各種電池供電的裝置中,都希望監(jiān)視電池電壓,以便能夠及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電或更換。CSU1221有五個(gè)模擬輸入端,通過(guò)多路器與ADC連接,利用空余的模擬輸入端分時(shí)測(cè)量電池電壓值唾手可得。具體接法是:用電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)電池電壓分壓,AIN3、AIN4作為電壓輸入端接到采取電阻兩端,通過(guò)測(cè)量此電阻兩端電壓,再根據(jù)采樣電阻阻值對(duì)于電阻網(wǎng)絡(luò)的比率值計(jì)算出電池的電壓值。測(cè)量電壓的時(shí)機(jī)為兩個(gè)時(shí)間:一是剛開(kāi)機(jī)進(jìn)行一次電壓測(cè)量;二是開(kāi)機(jī)后的電壓測(cè)量均是在重量穩(wěn)定一段時(shí)間后再進(jìn)行一次。每次測(cè)量都必須切換ADC通道,PGA = 1,AD速率使用125Hz的檔位,這樣在測(cè)量電壓時(shí),AD值較穩(wěn)定且耗時(shí)很短,測(cè)試結(jié)束之后,必須還原之前的ADC設(shè)置,還原后必須丟掉3個(gè)AD值。

按鍵掃描 假設(shè)按鍵掃描陣列為4×6,PT1[5]、PT1[6]、PT1[7]、PT2[0]、PT2[1] 、PT2[2]為回掃線(xiàn),PT2[3]、PT26]、PT3[5]、PT3[6]為驅(qū)動(dòng)線(xiàn)。按鍵陣排列如圖4,在本例中,為了節(jié)省元件,未在驅(qū)動(dòng)線(xiàn)中串聯(lián)隔離元件,如果同時(shí)按下與同一回掃線(xiàn)(輸入口)連接的兩個(gè)按鍵,就會(huì)通過(guò)兩條相關(guān)的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)造成兩個(gè)輸出端短路。此時(shí)可以使用如下方式法避免:初始化時(shí),接通所有上拉電阻,連接按鍵的各I/O口均設(shè)置為輸入口,當(dāng)需要進(jìn)行按鍵掃描時(shí),只需將其需要驅(qū)動(dòng)的那一個(gè)I/O口設(shè)置為輸出口并輸出低電平,回檢讀口后立刻將該I/O恢復(fù)為輸入口,如此反復(fù),即同一時(shí)刻只有一條線(xiàn)為輸出口,就不會(huì)造成故障。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

CSU1221內(nèi)部集成1MHz時(shí)鐘,CPU的時(shí)鐘周期可選擇為:62.5K、125K、250K、500KHZ,選擇500KHz以縮短每次大循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間。

CSU1221內(nèi)部集成的ADC,速率選擇范圍3.8~488Hz。在測(cè)量電壓時(shí)使用125Hz;在測(cè)量傳感器時(shí)使用15HZ,每個(gè)AD值的周期約為67ms,保證在AD值更新之前,程序的大循環(huán)已經(jīng)結(jié)束(根據(jù)程序大循環(huán)運(yùn)行的時(shí)間不同,可以適當(dāng)調(diào)整),為了得到更穩(wěn)定的重量,首先對(duì)AD值進(jìn)行2次算術(shù)平均,然后再進(jìn)行8次的滑動(dòng)平均。在測(cè)量電壓結(jié)束之后,必須丟掉3個(gè)AD值的時(shí)間為200ms,在重量穩(wěn)定的情況下察覺(jué)不到跳動(dòng)或反應(yīng)遲鈍的現(xiàn)象。

為了提高電子秤的線(xiàn)性,可增加ADC內(nèi)部運(yùn)放的偏置電流,增加100%時(shí)為較佳。使用CSU1221直接驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器時(shí),必須串一個(gè)100歐的電阻,避免快速按鍵時(shí)影響AD值的跳動(dòng)。在每個(gè)大循環(huán)結(jié)束之后,可以使用HALT指令使CPU處于暫停狀態(tài),直到新的中斷(如AD中斷)產(chǎn)生才恢復(fù)正常,這樣可以降低功耗CSU1221運(yùn)行功耗。

由于模擬信號(hào)極易受到外界的電磁干擾,所以實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下細(xì)節(jié):1)在PCB布板時(shí)接口傳感器輸入端至AIN0、AIN1的距離盡可能短,濾波電容的接地端要直接接到鋪地銅箔上;2)模擬信號(hào)的兩引線(xiàn)與鐵氧體均平行布線(xiàn),濾波電容緊密平行排列。

由于I2C的時(shí)鐘頻率比較高,為了避免干擾內(nèi)置的ADC,需遠(yuǎn)離模擬端的I/O引腳。CSU1221的模擬地AGND應(yīng)與數(shù)字DGND分開(kāi)來(lái),同時(shí)回到穩(wěn)壓芯片(HT7130)的地端,而HT7130的地端與電池的地端相連接。并且其它的元器件,如E2PROM (HT24C02)、液晶驅(qū)動(dòng)芯片(HT1621)的地端并不一定要與DGND相連,如果這些元器件的地端與電池的地端相近,可直接將這些地連接到電池的地端。地線(xiàn)連接應(yīng)遵循下面的原則:非CSU1221模擬地的地線(xiàn),不能與CSU1221模擬地部分相連,以避免其它元器件產(chǎn)生的干擾信號(hào)流經(jīng)CSU1221模擬地,影響穩(wěn)定性。

上電開(kāi)機(jī)后對(duì)CSU1221進(jìn)行初始化時(shí),建議采取如下順序以提高軟件可靠性:a.上電后,延遲30ms;b.初始化CSU1221數(shù)字部分;c.延遲30ms后,初始化CSU1221模擬部分;d.延遲60ms后,初始化所有RAM。

本文小結(jié)

CSU1221是一款內(nèi)置ADC的高精度、低功耗、高可靠性的單芯片MCU,外圍電路非常簡(jiǎn)單,應(yīng)用方便,非常適合用于高精度、小信號(hào)測(cè)量產(chǎn)品,如高精度電子秤、氣壓計(jì)、血壓計(jì),等等。該產(chǎn)品目前已經(jīng)獲得若干衡器及其它行業(yè)的批量應(yīng)用。

近年來(lái)針對(duì)化工廠爆炸的特大新聞已經(jīng)不是一次兩次,安全生產(chǎn)時(shí)時(shí)刻刻跟我們?cè)谇庙懢姟K杂锌蛻?hù)基于自己公司的生產(chǎn)性質(zhì),一般會(huì)在買(mǎi)“電子秤”的時(shí)候也會(huì)涉及到要不要防爆這一塊。

電子秤防爆已經(jīng)不是一個(gè)新課題,市面上的防爆產(chǎn)品主要有兩種,一種是本安型防爆,也就是本質(zhì)安全型。還有一種是隔爆型防爆。

 

防爆電子秤的特點(diǎn)

1、防爆電子秤適用于IIBT4(IICT6)

本產(chǎn)品防爆電子秤屬本質(zhì)安全型電器設(shè)備,適用于爆炸性物質(zhì)和危險(xiǎn)場(chǎng)所的稱(chēng)重計(jì)量,整機(jī)設(shè)備(包括秤臺(tái)、傳感器、稱(chēng)重儀表)均可置于易爆危險(xiǎn)區(qū)。

2、防爆電子秤低功耗設(shè)計(jì)

采用LCD顯示,高阻抗稱(chēng)重傳感器,內(nèi)置防爆電池盒,直流供電,4節(jié)1號(hào)普通干電池可用200小時(shí)(高性能堿性電池可用500小時(shí))。

3、防爆電子秤功能豐富,操作簡(jiǎn)單

9種用戶(hù)參數(shù)、11鐘系統(tǒng)參數(shù)和48鐘內(nèi)部參數(shù)設(shè)定,功能豐富,適用面廣;鍵盤(pán)標(biāo)定,操作使用簡(jiǎn)單方便。

4、防爆電子秤狀態(tài)指示,功能自檢

零位、去皮、穩(wěn)定、電池不足和秤功能停止?fàn)顟B(tài)指示;自動(dòng)進(jìn)行功能檢測(cè),并將檢查出的異常情況顯示出來(lái),提示用戶(hù)正常使用,便于故障排除。

5、防爆電子秤不銹鋼外殼,全密封設(shè)計(jì)

稱(chēng)重儀表采用不銹鋼外殼,全密封設(shè)計(jì),具有防塵防水防爆功能;150kg以下電子臺(tái)秤采用不銹鋼罩殼,外觀新穎美觀。

防爆秤的類(lèi)型及適用

1、復(fù)合本質(zhì)安全型防爆電子秤(ExibIIBT4)

適用范圍:秤體、稱(chēng)重傳感器、接線(xiàn)盒在易燃易爆1、2類(lèi)危險(xiǎn)區(qū),稱(chēng)重儀表置于安全區(qū),中間采用關(guān)聯(lián)設(shè)備安全柵連接的臺(tái)秤、地上衡、汽車(chē)衡、稱(chēng)重模塊(料斗秤)、皮帶秤、自動(dòng)裝料秤等各種稱(chēng)重系統(tǒng)。是目前為昔遭的防爆形式。供電:交流220v。

配置如下:稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為:ExibIIBT4。

接線(xiàn)盒——本質(zhì)安全型防爆接線(xiàn)盒。防爆型式一般為:ExiaIICT6。

安全柵——本質(zhì)安全型齊納安全柵。防爆型式一般為:Ex(ia)IIC。

稱(chēng)重儀表與打印機(jī)——非防爆型式稱(chēng)重儀表。

2、本質(zhì)安全型防爆電子秤(ExibIIBT4)

適用范圍:秤體、接線(xiàn)盒、稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重儀表均在易燃易爆1(10)、2(11)類(lèi)危險(xiǎn)區(qū)的防爆電子秤。供電方式:直流6v(4節(jié)1#干電池內(nèi)置防爆電池盒)或24V直流,

系統(tǒng)配置如下:稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器,防爆型式一般為:ExibIIBT4。

接線(xiàn)盒——本質(zhì)安全型防爆接線(xiàn)盒。防爆型式一般為:ExiaIICT6。

稱(chēng)重儀表——本質(zhì)安全型防爆稱(chēng)重儀表。內(nèi)置本安型防爆電池盒。防爆型式一般為:ExibIIBT4(氣體)DIPDTT13(粉塵)

3、隔爆型防爆電子秤(ExdIIBT4)

適用范圍:秤體、稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重儀表均在易燃易爆1、2類(lèi)危險(xiǎn)區(qū)的防爆電子臺(tái)秤、電子地上衡、電子汽車(chē)衡與稱(chēng)重模塊(料斗秤等)系統(tǒng)。供電方式:交流220V

系統(tǒng)配置如下:稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為:ExibIIBT4。

接線(xiàn)盒——本安防爆型式一般為:ExibIIBT4。

隔爆儀表箱——內(nèi)置安全柵、稱(chēng)重儀表。箱體防護(hù)型式一般為:ExidIIBT4

4、粉塵防爆電子秤(DIPA21T5.DIPB22T4)(DIPDTT13)

適用范圍:秤體、稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重儀表、打印機(jī)均在易燃易爆粉塵21、22類(lèi)危險(xiǎn)區(qū)的防爆電子臺(tái)秤、電子地上衡、電子汽車(chē)衡與稱(chēng)重模塊(料斗秤等)系統(tǒng)。供電方式:交流220V

系統(tǒng)配置如下:稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為:ExibIIBT4。

接線(xiàn)盒——EF/SCS-B,本安防爆型式一般為:ExibIIBT4。

隔爆儀表箱——內(nèi)置安全柵、稱(chēng)重儀表。箱體防護(hù)型式一般為:IP6X塵密封外殼

買(mǎi)防爆電子秤要明白的注意事項(xiàng)

1.首先確定使用場(chǎng)合的危險(xiǎn)介質(zhì)及其所處的區(qū)域

2.依次確定防爆電子秤形式,類(lèi)別,級(jí)別和溫度組別

3.氣體防爆與粉塵防爆是完全不同的;煤礦防爆與常規(guī)防爆是完全不同的

4.防爆電子秤的安裝與使用必須嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行

電子秤故障排除及解決辦法

一、電子秤無(wú)法充電或充電指示燈不亮或沒(méi)反應(yīng)?

1、請(qǐng)先確定電子秤的110V/220V?電壓切換開(kāi)關(guān)是否調(diào)到與使用電源一樣的電壓,并確定充電線(xiàn)已牢固的插在秤上的充電座。

2、檢查充電線(xiàn)是否有外力因素而造成斷路。

3、檢查保險(xiǎn)絲是否不良。

4、蓄電池不良。

5、為第4項(xiàng)原因或非上述因素,建議送回經(jīng)銷(xiāo)站處理。

二、電子秤開(kāi)機(jī)后無(wú)顯示?

1、使用干蓄電池的電子秤,檢查電池的電壓是否正常(應(yīng)當(dāng)6V以上),如果電壓不足請(qǐng)給電池請(qǐng)充電。

2、檢查電子秤電源線(xiàn)、插座、保險(xiǎn)絲是否不良。

3、開(kāi)關(guān)機(jī)或按鍵可能損壞。

4、電子秤電路板有故障。

三、電子秤正常開(kāi)機(jī)顯示零點(diǎn)后無(wú)法稱(chēng)重或重量不準(zhǔn)?

1、查看運(yùn)送保護(hù)裝置是否拆下。

2、請(qǐng)依照操作手冊(cè)上之校正步驟重新校正。

3、若非上述原因,建議送回經(jīng)銷(xiāo)站處理。

標(biāo)準(zhǔn)

四、電子秤按鍵無(wú)動(dòng)作或動(dòng)作不正常會(huì)自動(dòng)觸發(fā)?

1、按鍵不良。

2、按鍵插座不良。

五、電子秤屏幕顯示不正常?

1、單一字體有斷字情形,可能是LCD接觸不良或故障。

2、顯示不清楚或無(wú)法顯示可能是電子組件故障。

六、電子秤稱(chēng)重時(shí)不能顯示無(wú)背光?

1、電子秤內(nèi)部程序的背光功能是否沒(méi)有設(shè)定(請(qǐng)參照操作手冊(cè)設(shè)定)

2、有設(shè)定背光功能,秤盤(pán)需要放置被秤物(感量9倍以上方可亮)

3、可能電子組件故障。

七、電子秤顯示Err警告信息?

異常顯示說(shuō)明-各廠家具體產(chǎn)品可能有所不同

顯示:[ OU ]表示稱(chēng)量> 100 % FS + 9 d

顯示:[ -FULL- ]表示稱(chēng)量超載> 100 % FS + 30 % FS

顯示:[ -OU ]表示稱(chēng)量負(fù)溢出,零位太低

顯示:[ --OY-- ]表示貯存成功

顯示:[ --OY-1 ]表示車(chē)號(hào).皮重存入的記錄數(shù)等于200個(gè)

顯示:[ --OY-2 ]表示稱(chēng)重記錄數(shù)滿(mǎn) 1000個(gè)

當(dāng)交替顯示:[ -c-d--稱(chēng)重值 -]時(shí),表示電池不足,應(yīng)及時(shí)充電!

顯示:[ -OFF- -]表示電池電壓低到儀表已不能正常工作,請(qǐng)立即關(guān)機(jī)充電!

顯示:[ Err 1 ]表示A/D值太低(低于 –10 % FS)

顯示:[ Err 2 ]表示A/D值太高(大于 100 % FS)

顯示:[ Err 3 ]表示E2 PROM出錯(cuò)

1、電子秤的內(nèi)部程序設(shè)定是否正常。

2、電子秤保護(hù)螺絲未拆除。

八、電子秤屏幕出現(xiàn)Err信息如何解決?

1、秤盤(pán)是否沒(méi)有放置在電子秤上面。

2、可能受不當(dāng)外力影響。

九、電子秤會(huì)出現(xiàn)電池符號(hào)?

1、請(qǐng)用電源線(xiàn)馬上對(duì)秤充電。

2、可能蓄電池或電子組件故障。

[電子秤維修]

十、電子秤零點(diǎn)不穩(wěn)或不準(zhǔn)?

1、場(chǎng)所是否氣流不穩(wěn)定或面對(duì)已開(kāi)窗戶(hù)及沒(méi)有放置平穩(wěn)區(qū)域等等(請(qǐng)參閱操作手冊(cè))。

2、場(chǎng)所是否會(huì)有電磁干擾之物品。

3、電子秤是否被撞擊或摔倒。

十一、為何我的電子秤無(wú)法秤到滿(mǎn)載?

1、電子秤保護(hù)螺絲未拆除。

2、電子秤是否有異物滲入造成干涉或撞擊、摔傷。

3、電子秤的內(nèi)部程序設(shè)定是否正確(參考操作手冊(cè))。

十二、電子秤使用注意事項(xiàng):

1、嚴(yán)禁雨淋或用水沖洗,若不慎沾水則用干布擦拭干凈,當(dāng)機(jī)器功能不正常時(shí)要盡速送修。

2、嚴(yán)禁敲打撞擊及重壓。

3、勿置放在高溫及潮濕環(huán)境場(chǎng)所(專(zhuān)用防水防腐秤除外)。

4、勿讓蟑螂或小生物侵入機(jī)內(nèi),以免造成損壞。

5、電子秤維修電子秤若長(zhǎng)期不用時(shí)須將機(jī)器擦拭干凈,放入干燥劑用塑料袋包好,有使用干電池應(yīng)取出,使用充電蓄電池時(shí),應(yīng)每隔三個(gè)月充電一次,以確電子秤保使用壽命。



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