智能體脂秤又稱健康秤，能測(cè)出不同時(shí)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(shí)間的健康狀況。由于測(cè)試人體電阻時(shí)，需要人體和測(cè)試電極直接接觸，所以脂肪秤產(chǎn)品要有很強(qiáng)的抗ESD靜電干擾性能，本文介紹基于4位單片機(jī)SH66P58的智能體脂秤方案設(shè)計(jì)，并對(duì)量產(chǎn)設(shè)計(jì)可能發(fā)生的問題做了相關(guān)說明。
智能體脂秤方案系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本方案選用中穎開發(fā)的4位單片機(jī)SH66P58作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)控制和信號(hào)采集處理功能。SH66P58是一款CMOS 4位單片機(jī)，該器件集成了SH6610D CPU內(nèi)核、RAM、ROM、定時(shí)器、LCD驅(qū)動(dòng)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(shí)器，低電壓復(fù)位和低電壓檢測(cè)電路。
主系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要由電池、LCD屏、按鍵、壓力傳感器、測(cè)脂電路和EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成。外圍電路非常簡(jiǎn)單，既節(jié)約了成本，又增強(qiáng)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(cè)人體電阻電路由運(yùn)放和部分電阻電容組成，此電路需要的激勵(lì)方波信號(hào)由SH66P58內(nèi)部集成的PWM模塊產(chǎn)生，節(jié)省了信號(hào)發(fā)生電路。
本文僅列出主要功能的流程圖，如圖所示。軟件中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是計(jì)算脂肪比例，下面簡(jiǎn)單介紹科學(xué)家Lukaski和Bolonchuk研究的脂肪含量計(jì)算公式。
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(cè)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?yàn)榫蛹抑境有枰腿梭w頻繁直接或間接接觸，所以ESD靜電防護(hù)成為設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的部分。接觸點(diǎn)主要分兩部分：一是電極和人體直接接觸；二是按鍵和機(jī)殼等和人體間接接觸。一般來說，IC的I/O管腳很難達(dá)到很高的抗ESD靜電干擾級(jí)別(比如8kV)，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)中就要在IC外圍電路中增加相關(guān)的抗干擾措施。
電極處理
分別在兩個(gè)電極的接入點(diǎn)(一定要選擇在電路板的邊緣，以減少對(duì)電路板其他器件的靜電耦合)增加二極管、電阻和電容保護(hù)電路，如圖3所示。
電極靜電保護(hù)電路
按鍵處理
由于芯片對(duì)按鍵信號(hào)的上升及下降沿的時(shí)間允許范圍較大，所以可以在按鍵輸入腳對(duì)地加0.1μF電容。電容對(duì)尖脈沖有一個(gè)先充電再放電的過程，以達(dá)到抑制靜電脈沖的作用。如果要求更高的抗靜電級(jí)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。
智能體脂秤量產(chǎn)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
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(gè)穩(wěn)壓輸出腳上需要接4.7μF的電容，待機(jī)模式下這兩個(gè)電壓不輸出，以節(jié)約功耗。
當(dāng)開啟穩(wěn)壓輸出時(shí)，輸出腳上的電容會(huì)瞬間充電，此時(shí)如果VDD上沒有較大電容，且VDD上串一個(gè)電阻(可以增強(qiáng)抗靜電特性)，VDD上將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖，很容易導(dǎo)致IC復(fù)位等問題。所以VDD上不可以串電阻，且適當(dāng)加大VDD對(duì)地的電容(比如47μF)。另一方面在開兩個(gè)穩(wěn)壓輸出之間延時(shí)1個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)脂肪秤，且實(shí)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(gè)國(guó)家和地區(qū)。SH66P58除了可以應(yīng)用于體重秤、脂肪秤，還可以應(yīng)用于耳溫槍等產(chǎn)品。
