脂肪秤又稱健康秤，能測出不同時間人體的脂肪和水分等所占比例，從而反映出人體在不同時間的健康狀況。由于測試人體電阻時，需要人體和測試電極直接接觸，所以脂肪秤產(chǎn)品要有很強的抗ESD靜電干擾性能，本文介紹基于4位單片機SH66P58的脂肪秤方案設計，并對量產(chǎn)設計可能發(fā)生的問題做了相關說明。
系統(tǒng)硬件設計
本方案選用中穎開發(fā)的4位單片機SH66P58作為主控芯片，實現(xiàn)控制和信號采集處理功能。SH66P58是一款CMOS 4位單片機，該器件集成了SH6610D CPU內(nèi)核、RAM、ROM、定時器、LCD驅(qū)動器、I/O端口、16位Σ-ΔADC、升壓及穩(wěn)壓電路、蜂鳴音發(fā)生器、PWM，而且內(nèi)建PLL以及看門狗定時器，低電壓復位和低電壓檢測電路。
主系統(tǒng)硬件架構如圖1所示，主要由電池、LCD屏、按鍵、壓力傳感器、測脂電路和EEPROM數(shù)據(jù)存儲器組成。外圍電路非常簡單，既節(jié)約了成本，又增強了可靠性。LCD玻璃、按鍵、壓力傳感器和EEPROM芯片直接與SH66P58的管腳連接。測人體電阻電路由運放和部分電阻電容組成，此電路需要的激勵方波信號由SH66P58內(nèi)部集成的PWM模塊產(chǎn)生，節(jié)省了信號發(fā)生電路。
圖 1 系統(tǒng)硬件架構
系統(tǒng)軟件設計
本文僅列出主要功能的流程圖，如圖2所示。軟件中很重要的一個環(huán)節(jié)就是計算脂肪比例，下面簡單介紹科學家Lukaski和Bolonchuk研究的脂肪含量計算公式。
圖 2 主程序流程圖
人體總水分 = 0.372(S2÷R) + 3.05(Sex)+0.142(W)-0.069(Age)
脂肪質(zhì)量 = 體重-人體總水分÷0.73
其中，S表示身高(厘米)，R表示測量的人體電阻(歐姆)，W表示體重(千克)，Sex表示性別(男=1，女=0)，Age表示年齡。
ESD抗干擾措施
因為居家脂肪秤需要和人體頻繁直接或間接接觸，所以ESD靜電防護成為設計中一個重要的部分。接觸點主要分兩部分：一是電極和人體直接接觸；二是按鍵和機殼等和人體間接接觸。一般來說，IC的I/O管腳很難達到很高的抗ESD靜電干擾級別(比如8kV)，因此產(chǎn)品設計中就要在IC外圍電路中增加相關的抗干擾措施。
電極處理
分別在兩個電極的接入點(一定要選擇在電路板的邊緣，以減少對電路板其他器件的靜電耦合)增加二極管、電阻和電容保護電路，如圖3所示。
圖 3 電極靜電保護電路
按鍵處理
由于芯片對按鍵信號的上升及下降沿的時間允許范圍較大，所以可以在按鍵輸入腳對地加0.1μF電容。電容對尖脈沖有一個先充電再放電的過程，以達到抑制靜電脈沖的作用。如果要求更高的抗靜電級別，還可以在按鍵和SH66P58芯片之間增加100歐姆左右的電阻，電阻可以降低靜電脈沖的幅值，部分靜電能量被轉(zhuǎn)化為熱能釋放。
量產(chǎn)設計注意事項
SH66P58內(nèi)部有2塊穩(wěn)壓電路，一塊給ADC模塊供電，一路給參考電壓及傳感器供電。在兩個穩(wěn)壓輸出腳上需要接4.7μF的電容，待機模式下這兩個電壓不輸出，以節(jié)約功耗。
當開啟穩(wěn)壓輸出時，輸出腳上的電容會瞬間充電，此時如果VDD上沒有較大電容，且VDD上串一個電阻(可以增強抗靜電特性)，VDD上將會出現(xiàn)一個負脈沖，很容易導致IC復位等問題。所以VDD上不可以串電阻，且適當加大VDD對地的電容(比如47μF)。另一方面在開兩個穩(wěn)壓輸出之間延時1個毫秒，降低瞬間大電流。
電池可采用一節(jié)3V或2節(jié)3V，如果是1節(jié)3V電池供電，需要開啟SH66P58內(nèi)部的升壓電路，以保證3V參考電壓的穩(wěn)定輸出；如果是2節(jié)3V電池供電，則需要在芯片外部加一個LDO芯片，把電壓降為3.6V等，這樣既能降低功耗又能保證3V參考電壓的穩(wěn)定輸出。
目前已有廠家采用SH66P58設計脂肪秤，且實現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)品性能良好，穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品出口到多個國家和地區(qū)。SH66P58除了可以應用于體重秤、脂肪秤，還可以應用于耳溫槍等產(chǎn)品。
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