2000 Counts太阳能厨房秤应用说明 2000, 生活环境, 太阳能, 环境污染, 气候变化

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1 简介
        随着人们对生活环境的越来越重视，太阳能作为一种清洁环保的能源越来越受到人们的青睐。面对环境问题的日益加剧，为了得到有效的解决对策，人们也一直在努力研究利用太阳能。

        地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。

        随着低碳理念的越来越重视，太阳能电子秤应该是未来电子秤市场的主流，但是现在太阳能应用在电子秤上的一个主要难点是功耗和成本的问题，虽然到达整个地面太阳能非常巨大，但这种能量非常分散，作为能源，它的密度太低了。如果电子秤的功耗高的话太阳能的利用装置必须具有相当大的面积，才能收集到足够的功率。但是，面积大，造价就会高。只有电子秤的功耗满足合理大小的太阳能装置时，才能经济合算的使用这太阳能利用器。针对当前太阳能秤的市场前景，很多厂商也正在投入这块的市场。由于HYCON 的8-Bit RISC-like Mixed Signal Microcontroller 具有低功耗及简单的外围电路的特色，本文使用HY11P13对2000 counts太阳能厨房秤的应用设计。

2 原理介绍
2.1 感测组件
        Load Cell 的原理是在铝制的棒上面贴上一片由桥氏电阻所组成的Strain gauge，俗称应变片。



        因此利用此电压变化的物理量通过ADC 转换为数位讯号，经运算处理由显示器显示出來。但是由于这个电压变化大致为mV 等级的电压讯号(因为ΔR 的变化量远小于R)，要做一个2000 counts的秤，处理的讯号将接近于0.4uV，但是太阳能秤为了满足整体耗电的要求对ADC的输出速度，如果在相较快的输出速度下ADC 的性能(Noise 的处理)无法达到要求，势必要将电压讯号再经过一级OP 的放大，以达到精度要求。但是经过OP 放大所要处理的因素就显的复杂多了，除了OP 本身的性能要求要能达到外，还要考虑外围的电阻组件也要达到温度变化的要求，此作法的成本相对性的要提高很多。又如果要将Load Cell 输出讯号直接转换成数位讯号，除了ADC 本身的分辨率需要达到要求外，最小讯号的处理更要能小于0.4uV 以下，这样才能做出一个真正符合要求的秤。
太阳能厨房秤的Load Cell 内阻R大约1KΩ，而ΔR 的变化量最大也只有1Ω，如果Load Cell两端的电压为2.4V，它的输出讯号V+ - V-的电压也只有2.4mV；如果要做到2000 Counts，内外比为1:3 的厨房秤，那最小要处理的讯号为 =0.4uV。

         对于HY11P13内部的∑△ADC只要设置合理的输出速度和做相应的软件滤波处理,完全能够满足以上规格的分辨率，但是在太阳能厨房秤的特色是尽量做到省电以便节约成本，所以应用方面需要尽可能的减少ADC的量测时间来降低整个系统的功耗。这就要求ADC的输出速度尽可能快，但是ADC速度设置加快时会降低ADC的解析能力。综合这些因素需要在分辨率和量测时间之间找到一个平衡点来满足2000 counts的要求。

2.2 控制芯片
HY11P13 ADC 的特性
 低电压工作 → ADC 最低工作电压2.4V
 ADC Gain 放大 → ×1/4 ~ ×16
 内置预放大电路(PGA) → ×1 ~ ×8
 參考电压设置 → ×1/2 与 ×1
 Offset 设置 → 0、±1/4Vref、±1/2Vref、±3/4Vref
 内置输入讯号切换 →V+ V- , V+短路, V-短路 ,V+ V-交叉4 种模式切换
 多通道讯号输入
 多种输出速率选择 → ADCK / 256 ~ ADCK / 32768
 高分辨率 →18 bits 输出分辨率
 最小分辨电压 →最小分辨电压0.07uV
 Rail To Rail 讯号输入 → 输入讯号最低为VSS – 0.2V, 最高为VDDA
 Gain 低温漂系数 →10 PPM/℃
HY11P13 芯片的特性
 8位加强型精简指令集, 共有69个指令包含硬件乘法指令及查表指令。
 2.2V to 3.6V 工作电压范围，-40℃~85℃工作温度范围。
 外部石英震荡器及内部高精度RC 震荡器，6 种CPU 工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划。
a. 运行模式 300uA＠2MHz；
b. 待机模式 [email=3uA@32KHz]3uA@32KHz[/email]；
c. 休眠模式 1uA；
 内置LCD 驱动 →4×20 点显示压。
 低电压检测 →多段式电源电压检测
 内置多段式稳压输出 →3.3V，2.93V，2.64V，2.4V
 串列SPI 通讯
 PWM/PFD 输出.

2.3 太阳能电池
        晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上，而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。

        太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

        太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。而且如今太阳能电池是按1瓦为单位计算价格的，所以整个系统功耗的大小直接决定系统的成本。

3 设计规划
3.1 硬体说明
太阳能厨房秤包含以下2个部分组成
 ADC量测电路
 其它周边电路
3.2 ADC模块电路



                                                                               图1
        Load Cell输入电压由芯片内部的LDO模块的 VDDA输出提供 2.4V，厨房秤的Load Cell为 1mV/V 的输出讯号，也就是Full Scale 输出电压为2.4mV。针对这样的小讯号设置ADC内部设置的放大倍数为8*16，參考电压由VDDA-VSS 供给AI2-AI3并VRGN 设置为1(VREF 乘1/2)，
相当于输入參考电压1.2V，这可满足ADC 输出最小解析电压的要求。由于11P13的ADC 具有良好的温度特性，整体的温度曲线约为±10ppm，所以只要选择低温飘系数的Load Cell，这就可以达到温度飘移的要求。AI0-AI1 与AI2-AI3 的输入电容务必要接，这在温度变化时，让ADC 有足够的保持时间。

3.3 周边电路
        由于ADC的參考电压由内部VDDA 供给，所有整个系统的组件只有EEPROM(24C02)、Pull High 电阻2个、电容、LCD面板。所有组件除Load Cell需低温飘外，其它原件并不需要考虑温度的影响，所以成本可以降低。

4 技术规格
         对于2000 counts的厨房秤应用，为了在满足稳定度的前提下，对ADC在不同输出速度进行测试，测试数据如表一所示，测试时2000 counts的秤相当于进行满量程标定，用1000g的砝码在秤盘上，通过ADC性能分析工作采集512笔量测到的重量数据做分析和对比。
表一：



        从这个表一的数据来看设置为244HZ的输出累加8笔做平均的话，1s钟内ADC的开启时间 =123ms，而其他满足稳定度要求的，ADC开启时间会相对较长，为了节省系统的功耗，所以设置为ADC的输出频率为244HZ，采用八笔平均的滤波处理方式。
对于ADC每秒钟开启时间为123ms，load cell 的内阻为1K来计算，系统的平均耗电为
  (1)
其中 =3200uA表示ADC开启进行量测时的耗电量， =20uA表示晶片在Idle状态的耗电流。由（1）可以退出整个系统的耗电流为：


5 结论
        对于2000 counts的太阳能厨房秤，利用HY11P13晶片进行每秒钟ADC开启3次的话，系统的平均耗电量大致可以做到在420uA左右，在这样的一个量测方式下系统的反应时间大概1-2s的样子。现如今太阳能电池的价格大约每瓦￥30-￥40，对于3.0V与420uA的工作系统来说，太阳能电池的成本价格大约￥0.5，所以通过这样的量测方式在满足性能的前提下，相对成本较低。但是作为420uA的功耗需要加蓄电池进行电荷能量保存才能满足功耗的要求，在此分享予各位先进。
6 参考资料
1：HY11P13 DataSheet: http://www.hycontek.com/page2.html
2：APD-SD18007: http://www.hycontek.com/page2.html
3：User’s Guide: http://www.hycontek.com/page2.html