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智能体脂秤方案——基于4位单片机体脂秤方案设计_西城微科
发布时间 : 2019-07-04 浏览次数 : 77
智能体脂秤又称健康秤,能测出不同时间人体的脂肪和水分等所占比例,从而反映出人体在不同时间的健康状况。由于测试人体电阻时,需要人体和测试电极直接接触,所以脂肪秤产品要有很强的抗ESD静电干扰性能,本文介绍基于4位单片机SH66P58的智能体脂秤方案设计,并对量产设计可能发生的问题做了相关说明。

智能体脂秤方案系统硬件设计



本方案选用中颖开发的4位单片机SH66P58作为主控芯片,实现控制和信号采集处理功能。SH66P58是一款CMOS 4位单片机,该器件集成了SH6610D CPU内核、RAM、ROM、定时器、LCD驱动器、I/O端口、16位Σ-ΔADC、升压及稳压电路、蜂鸣音发生器、PWM,而且内建PLL以及看门狗定时器,低电压复位和低电压检测电路。

主系统硬件架构主要由电池、LCD屏、按键、压力传感器、测脂电路和EEPROM数据存储器组成。外围电路非常简单,既节约了成本,又增强了可靠性。LCD玻璃、按键、压力传感器和EEPROM芯片直接与SH66P58的管脚连接。测人体电阻电路由运放和部分电阻电容组成,此电路需要的激励方波信号由SH66P58内部集成的PWM模块产生,节省了信号发生电路。

智能体脂秤方案系统软件设计



本文仅列出主要功能的流程图,如图所示。软件中很重要的一个环节就是计算脂肪比例,下面简单介绍科学家Lukaski和Bolonchuk研究的脂肪含量计算公式。
智能体脂秤方案
主程序流程图

人体总水分 = 0.372(S2÷R) + 3.05(Sex)+0.142(W)-0.069(Age)

脂肪质量 = 体重-人体总水分÷0.73

其中,S表示身高(厘米),R表示测量的人体电阻(欧姆),W表示体重(千克),Sex表示性别(男=1,女=0),Age表示年龄。

ESD抗干扰措施

因为居家脂肪秤需要和人体频繁直接或间接接触,所以ESD静电防护成为设计中一个重要的部分。接触点主要分两部分:一是电极和人体直接接触;二是按键和机壳等和人体间接接触。一般来说,IC的I/O管脚很难达到很高的抗ESD静电干扰级别(比如8kV),因此产品设计中就要在IC外围电路中增加相关的抗干扰措施。

电极处理

分别在两个电极的接入点(一定要选择在电路板的边缘,以减少对电路板其他器件的静电耦合)增加二极管、电阻和电容保护电路,如图3所示。
智能体脂秤方案
电极静电保护电路

按键处理

由于芯片对按键信号的上升及下降沿的时间允许范围较大,所以可以在按键输入脚对地加0.1μF电容。电容对尖脉冲有一个先充电再放电的过程,以达到抑制静电脉冲的作用。如果要求更高的抗静电级别,还可以在按键和SH66P58芯片之间增加100欧姆左右的电阻,电阻可以降低静电脉冲的幅值,部分静电能量被转化为热能释放。

智能体脂秤量产设计注意事项



SH66P58内部有2块稳压电路,一块给ADC模块供电,一路给参考电压及传感器供电。在两个稳压输出脚上需要接4.7μF的电容,待机模式下这两个电压不输出,以节约功耗。

当开启稳压输出时,输出脚上的电容会瞬间充电,此时如果VDD上没有较大电容,且VDD上串一个电阻(可以增强抗静电特性),VDD上将会出现一个负脉冲,很容易导致IC复位等问题。所以VDD上不可以串电阻,且适当加大VDD对地的电容(比如47μF)。另一方面在开两个稳压输出之间延时1个毫秒,降低瞬间大电流。

电池可采用一节3V或2节3V,如果是1节3V电池供电,需要开启SH66P58内部的升压电路,以保证3V参考电压的稳定输出;如果是2节3V电池供电,则需要在芯片外部加一个LDO芯片,把电压降为3.6V等,这样既能降低功耗又能保证3V参考电压的稳定输出。

目前已有厂家采用SH66P58设计脂肪秤,且实现量产,产品性能良好,稳定可靠,产品出口到多个国家和地区。SH66P58除了可以应用于体重秤、脂肪秤,还可以应用于耳温枪等产品。

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