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采用电容传感器的廉价高精度单片电子秤芯片

作者:葱爆羊肉时间:2009-08-31

  一个电子秤要求它的精度比台式商业用计价用秤还高,而它的成本被限制在20元左右,要求两个五号电池用一年的。要求传感器的装配工艺简单、取消复杂的精度调整。要求这个电子秤使用简单、具有自动的零点跟踪、电路上不用高精度的运算放大器、简单的零点调整方法。这个芯片已试制了五次,已经全部实现了上述功能,即将成为一个实用的商品化芯片。

  一般情况下,一台电子秤的成本列表如下:

  1.传感器 40元2.单片机 10-16元3.A/D转换器 8元

  4.其他元件 5-10元5.液晶板 5元6.外壳五金件5元

  7.装配人工 5元8.总数 80元

  采用 5y6芯片时,整个电子秤体积可以缩得很小,不用那么大的液晶板和外壳,整个产品的成本得到了大幅度的降低,估计的成本清单如下:

  1.传感器 1-2元2.ASIC芯片 10元3.其他元件 2元

  4.液晶板 3元5.外壳五金件3元6.装配人工 2元

  8.总数 22元

  到今天为止,我已完全证明这个设想,从第一次投片开始,芯片中最关键的设计:A/D 转换部分成功,其灵敏度、分辨率都不错,尤其是线性度,看上去几乎是直线。

  第一次投片根本不打算它成功,目的是证明线性补偿的方法是否可行,逻辑上没有做超量程限制,设计的量程是“999”, 做出来的芯片并没有 999以上的限制,样品一直测到“7999”,线性度仍然是直线, “7999”以上传感器被压坏了,弹不回原来的位置了。另一个问题是振荡器的同步整定作用,以致分辨率表现为跳跃显示,不连贯。其他的情况是:耗电量达到要求、显示器正常、控制逻辑正常、清零电路正常。总之,第一次投片的结果非常理想,最主要的是线性补偿的方法被证明、并且额外的了解了振荡器的同步整定作用对精度的影响和具体的影响量。

  第一次投片很成功,各方面的设计要求都达到了,但这不是一个实用的芯片,显示的数字只有“999”三位,很多的逻辑功能没有加上。

  第二版的设计将量程改成“9995”,加强了振荡器的隔离,增加了低电压检测电路。

  第三版的设计增加了校零功能,取消了电子秤产品生产过程中最基本的也是比较麻烦的校零工艺。

  第四版的设计克服了上一次投片产生了振荡器谐频锁定现象引起的数字跳跃问题。

  …………

  上一次投片是以商品化芯片为目的的,但做出来的芯片有一个小小的问题:已经成功的清零电路清不到零,总有一个小小的余数。

  这一次投片的目的是做出一个成功的商品化芯片,尽管有风险,但我还是要做下去,这是个每年利润千万以上的产品,值得我去冒风险。你知道街上买的那种手提秤,也就是十几块钱转盘弹簧式的那种,它一年的销售量吗?3500万到4000万!你说我该不该冒这个风险?况且我已经做了5版,好象已经站在成功的边缘、闻到胜利的味道了。

  今天的现在,1999年 2月18日2:52,我在此向各位说:“这个芯片成功了,它的型号是:5Y6”。

  下一个芯片的型号: 5Y7,将增加的功能是:零点跟踪。这个芯片从应用上来说,与 5Y6是兼容的,可以直接代换 5Y6。芯片上的基准电源也可能有所改动,改成只需要一个管腿的低精度电压检测器,因为在这个芯片上没有必要使用高精度的基准电源。这个芯片预计在1999年 7 月开始设计。

  单片电子秤芯片介绍

  设计思路:这个芯片的重要的要求是精度,而更重要的要求我把它定为降低成本,有几个地方含有大量的成本潜力可挖:

  采用电容传感器。

  把所有的数字和模拟电路全部集成。

  降低整机工艺要求、减少调整点、降低装配人工。

  具体设计时采用了如下方法:

  采用普通钢片做传感器,使传感器的成本降低到一、二元左 右。

  电路中增加清零电路,以克服传感器的蠕变,免去了传感器 装配的调整工作量。

  采用了一种稀奇古怪的硬件加算法的补偿方法,提高了测量 范围的线性度。

  在版图上优化,以提高测量的稳定性,

  采用差分的方法,免去温度补偿的要求。

  芯片自带基准电源,免去了电源稳压的要求。

  5y6集成电路芯片原理分析

  本芯片RC振荡器作为 A/D转换器,传感器采用可变电容,电容量对应于秤量的重量,因此频率也对应于重量。逻辑电路将频率转换为相应的数字,通过显示器显示出来。具体设计考虑的问题较复杂,简单地说要注意振荡器的稳定性和重复性、版图设计时注意震荡器的抗干扰性能、转换电路要注意线性度。

  

 

  5y6集成电路芯片技术指标

  直流特性:

  工作电压:直流3V。

  工作电流:小于0.5MA。

  待机电流:小于1UA。

  芯片耐压:6V。

  交流特性:

  振荡频率128KC。

  信号处理:

  数字电路补偿方式,在规定的量程范围内,线性度基本上是直线。

  液晶显示输出:

  四位,七路两分割动态显示方式,两个COM端。液晶显示器的工作

  电压为1.5V、和3V,由芯片内部产生。

  按钮开关的特性:

  按钮开关有防抖和记数电路,20MS以下的信号被忽略,间隔不大于

  1秒的按钮被记数,间隔大于1秒的按钮将清除以前的记数清零。按

  钮记数值被用作芯片的工作状态控制。

  连续工作方式:

  连续工作时每次测量的间隔为 0.5秒。

  5y6集成电路芯片应用指南

  主要应用本芯片主要应用于特别廉价的手提电子秤、案秤等秤具的生产。但 廉价并不等于精度低!廉价方面是以家庭用的手提秤为目标的,而高精度方 面是以商业用秤为目标的。

  管脚排列

  VCF: 备用电源

  CF3: 传感器3 ,

  CF2: 传感器2 ,

  CF1: 传感器1 ,

  GCF: 备用接地线

  VRD: 基准电源

  VR: 基准电源

  VR1: 基准电源

  GND: 地

  LBOFN: 低压检测关闭,当此端接地时,芯片禁止低电压检测功能。芯片内部有上拉电阻。

  MODEN: 模式设置,当此端接地时,芯片将连续检测,没有自动停机功能。芯片内部有上拉电阻。

  COM1: 液晶显示公共端1

  DD0: 液晶显示驱动端

  DD1: 液晶显示驱动端

  DC0: 液晶显示驱动端

  DC1: 液晶显示驱动端

  DB0: 液晶显示驱动端

  DB1: 液晶显示驱动端

  DA0: 液晶显示驱动端

  DA1: 液晶显示驱动端

  COM2: 液晶显示公共端2

  POPN: 复位端,与地之间接一个电容,就可实现上电复位功能芯片内部有上拉电阻。

  VXT: 备用电源2

  XT3: 时针振荡器3 ,

  XT2: 时针振荡器2 ,

  XT1: 时针振荡器1 ,

  GXT: 备用接地线2

  PSET1: 小数点设置1 ,

  PSET2: 小数点设置2 。 5Y6芯片的显示小数点与测量结果无关,小数点的位置是由PSET1和PSET2来设置的,根据PSET1和 PSET2的状态小数点有如下四种位置:

  00: 99.95

  01: 9.995

  10: .9995

  11: 999.5

  VDD: 3V电源

  DIRN: 显示数字的方向 芯片内部有上拉电阻。

  ANIN: 按钮开关 芯片内部有上拉电阻。

  LCD: 附加液晶符号驱动端

  DA2: 液晶显示驱动端

  DA3: 液晶显示驱动端

  DB2: 液晶显示驱动端

  DB3: 液晶显示驱动端

  DC2: 液晶显示驱动端

  DC3: 液晶显示驱动端

  SEG2: 液晶显示驱动端

  SEG1: 液晶显示驱动端

  TEST: 测试端 芯片内部有上拉电阻。

  典型电路图

  

 

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  5y6线路板及安装图纸

  

 

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  5y6配套的传感器

  一、材料问题

  作为秤重传感器弹性体的材料,它的特性对秤具的精度起着决定性的作用,我是这样理解的,普通弹簧钢的弹性、强度、耐疲劳程度、温度特性都不比传感器专用材料(一种铝合金)差,但它的稳定性差,把一条笔直的钢材静止的放置一年,并把它的形状拍成电影,然后用几分钟的时间快速重放,就会发现这条钢材在那儿扭来扭去,远不如传感器专用材料稳定。但是,这种扭动不会发生在几个小时内,因此,经常的清零,跟踪它的扭动,就可以解决这个问题。传感器专用材料耐腐蚀,普通钢材会生锈,使弹力产生变化,这可以通过电镀,涂复等方法解决。

  二、超量程问题

  这个问题较小,设计传感器时不要采用应力集中的结构,不要将行程设计得过大,使弹性体的工作范围远离变形区,并在活动部件的两端加上限位。

  三、装配紧固问题

  装配紧固可能是一个较易疏忽的问题,一般的紧固以牢固为准,而传感器紧固只要有一点觉察不到的松动,都会给秤量造成误差。因此,传感器部分的紧固件,要特别加料。

  其他

  如果需要订购以上的这些芯片,首先应该考虑重新设计、制版、流片,因为我的这些芯片有的是不计成本、电路和版图都没有经过压缩和优化的功能性能验证型的设计;有的是挤在其他芯片的版图的测试图形中的;有的是多芯片投片的,其掩膜版和制成的圆片在试制完成后就送给了中学做教学模型;还有的掩膜版其生产的流水线早已停产。所以,如果你需要定货,应该在我的这些芯片的基础上重新提出你的要求,重新进行一个对电路和芯片面积都进行优化的设计,重新制制作完整的掩膜版,重新流片,以得到最适合于你的商业化芯片。



评论

EEPW网友 · 2011-09-10 19:30:00

本公司对此介绍非常感兴趣,想着产品中应用。但不知哪儿能买到此芯片。请告知。QQ:1012446619

EEPW网友 · 2011-12-22 08:54:14

求购100000---60000的单片机13543317333

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