智能紙張測量系統(tǒng)設(shè)計

田澤豪，余晨陽，王宇豐

智能紙張測量系統(tǒng)設(shè)計

田澤豪，余晨陽，王宇豐

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

系統(tǒng)以STM32F407單片機為控制核心，結(jié)合電容傳感器檢測電路、顯示電路、鍵盤輸入電路和蜂鳴器電路，實現(xiàn)了對兩極板間的紙張數(shù)量進行計數(shù)并顯示的功能。主控單元通過I2C接口循環(huán)讀取FDC2214的轉(zhuǎn)換值，鍵盤輸入電路將實時數(shù)據(jù)存儲到單片機中，利用最小二乘法擬合曲線，然后通過比較來檢測當(dāng)前的紙張數(shù)。整個裝置采用直線滑軌結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好、精度高、功耗低，具有較高的性能指標(biāo)。

STM32單片機；紙張測量；最小二乘法；自動控制

在人們的日常生活學(xué)習(xí)中，離不開紙張，在生產(chǎn)制造、學(xué)習(xí)時用到作業(yè)本以及筆記本，需要對其質(zhì)量進行把關(guān)，以防缺頁少張的不合格產(chǎn)品流入市場，使企業(yè)形象大打折扣，阻礙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，紙張的計數(shù)測量顯得尤為重要。通常，人們采用直接拍攝紙張的側(cè)面，根據(jù)側(cè)面顯示頁與頁之間的邊緣線的數(shù)量來計算紙張的數(shù)目，但這種方法對攝像頭像素具有極高的要求，而且經(jīng)過圖像處理后計數(shù)的準(zhǔn)確性較低，達不到檢測的要求。

鑒于此，本設(shè)計提供了一種紙張測量裝置，可以有效解決相關(guān)問題。本系統(tǒng)以STM32F407單片機為控制核心，結(jié)合電容傳感器檢測電路、顯示電路、鍵盤輸入電路和蜂鳴器電路，實現(xiàn)了對兩極板間的紙張數(shù)量進行計數(shù)并顯示的功能。整個裝置采用直線滑軌結(jié)構(gòu)，具有較高的性能指標(biāo)，有廣泛的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

1.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F407單片機，該單片機擁有較高的主頻和豐富的資源，并能夠快速進行較高要求的多浮點運算。主控模塊通過I2C接口與電容傳感器連接，能實時地檢測電容傳感器得到的數(shù)據(jù)，快速測量出電容，并計算出紙張數(shù)目。

1.2 電容傳感器模塊

電容傳感器模塊使用TI公司生產(chǎn)的FDC2214芯片，F(xiàn)DC2214分辨率高達28位，精度高，有多通道抗噪且抗EMI的特點，設(shè)計資源豐富。傳感器模塊與兩極板相連，測出兩極板間的電容值，并傳遞給主控模塊處理。

1.3 顯示模塊

顯示模塊采用OLED液晶屏。OLED重量輕、性能好、響應(yīng)時間短、顯示內(nèi)容豐富、驅(qū)動程序簡單，可以實時顯示文字及數(shù)據(jù)。采用OLED顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)和功能切換等多個功能，更加方便、易于調(diào)整。顯示模塊能夠顯示出極板間的電容值以及紙張數(shù)，并能夠在自適應(yīng)過程中切換紙張數(shù)量和工作模式。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分和輸出部分三個部分。數(shù)據(jù)處理部分選用STM32單片機作為主控芯片，實現(xiàn)對各個其他模塊的控制；數(shù)據(jù)采集部分選用FDC2214電容傳感器模塊，通過檢測電容變化來判斷紙張的數(shù)量；輸出部分則采用顯示模塊顯示系統(tǒng)各個參數(shù)值以及紙張的數(shù)量。此外，通過按鍵來進行數(shù)據(jù)的確認和調(diào)整，通過蜂鳴器來標(biāo)志數(shù)據(jù)的存入。

系統(tǒng)的總體方案原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 理論分析與計算

設(shè)傳感器所得參數(shù)為sensor，即電容極板和電感所組成的LC諧振回路的諧振頻率。根據(jù)FDC2214數(shù)據(jù)手冊，可得：

式（1）中：x為第通道傳感器讀數(shù)；sensor為電容極板和電感所組成的諧振回路的諧振頻率。

為電路中的固定電感，為總電容，則：

設(shè)0為FDC2214電容傳感器上的固定電容，X為極板間的電容。根據(jù)式（1）（2），可以得出極板電容：

電容定義式為：

得出極板間距與傳感器讀數(shù)之間的關(guān)系為：

由式（3）可以看出，在其他變量保持一定時，極板間電容的大小與極板間距成反比。將電容值取倒數(shù)，可得厚度函數(shù)與紙張數(shù)成正相關(guān)關(guān)系。利用SPSS軟件對電容的倒數(shù)（厚度函數(shù)）進行回歸分析，得到擬合曲線結(jié)果和相關(guān)系數(shù)結(jié)果，如圖2所示[1]。

圖2 電容值的倒數(shù)隨紙張變化曲線擬合圖像

由圖2可知，對數(shù)函數(shù)擬合厚度函數(shù)效果最好，回歸參數(shù)2可達0.997。

對于本系統(tǒng)的抗干擾性，系統(tǒng)受到的干擾來源于機械結(jié)構(gòu)的松動造成的極板正對面積的變化以及外界信號干擾造成的電容測量變化。因此用滑軌與滑塊作為極板的活動支撐，滑塊只能朝平行于導(dǎo)軌方向運動，可以在很大程度上防止極板左右移動，保證了正對面積的恒定。對于外界信號干擾，可在極板到傳感器的連接上使用SMA線，并對采集到的原始數(shù)據(jù)進行限幅平滑濾波，以減小誤差、提高抗干擾性。

4 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

由上述理論，設(shè)計了一套以滑軌和滑塊為主體搭建的機械結(jié)構(gòu)。其中最上方和最下方的滑塊為固定滑塊，用來代表移動邊界，中間的滑塊為移動滑塊，且與滑軌連接光滑。兩極板分別固定在中間滑塊和下方滑塊上，紙張放置在極板之間，這樣將中間滑塊與下方滑塊貼合就可以測量紙張的數(shù)目了。此外設(shè)計了一個底座來固定滑塊和滑軌，使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和抗干擾性[2]。

此機械結(jié)構(gòu)能夠保證兩極板間接觸面積恒定，且能夠保證與紙張完全壓緊，更換紙張數(shù)目也很簡便，具有較高可行性和精確性。

系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—滑塊；2—滑軌；3—極板；4—底座。

5 硬件電路設(shè)計

MCU外圍電路包括復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路、時鐘電路等。測量傳感器電路主要由FDC2214電容傳感器芯片、外部有源晶振電路以及抗EMI電磁干擾電路組成。其中FDC2214芯片通過I2C接口與STM32單片機通信實現(xiàn)FDC2214寄存器配置以及STM32數(shù)據(jù)讀取。將兩極板分別接上FDC2214模塊一個通道的兩個端口上連上極板的兩個端口。

此外，為了防止感應(yīng)板與FDC2214芯片的引線過長產(chǎn)生EMI，電路中設(shè)計了抗電磁干擾電路，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

初始化各個模塊，隨后判斷極板的短路情況，然后選擇功能。如果進入自校準(zhǔn)模式，則采集多組數(shù)據(jù)進行擬合，得到紙張數(shù)目隨傳感器測量值的變化曲線，然后返回到任務(wù)選擇部分。如果再選擇測量紙張模式，則首先會判斷是否已自校準(zhǔn)，如果已經(jīng)校準(zhǔn)，則利用計算的擬合曲線對傳感器輸入量進行判定，得出紙張數(shù)量；如果還沒有校準(zhǔn)，就不進入測量模式，而是繼續(xù)選擇任務(wù)。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

其中在學(xué)習(xí)模式下，首先抽取不同數(shù)量的紙張，在單片機中存儲不同數(shù)量紙張對應(yīng)的測量值，對該值進行函數(shù)擬合，即可得到一條紙張數(shù)與測量值之間的函數(shù)曲線。由于誤差的存在，計算出的紙張數(shù)通常為小數(shù)，此時可以將該值分別向上和向下取整，比較測量值與兩個計算出的值的接近程度，選擇更接近的傳感器數(shù)值對應(yīng)的紙張數(shù)目，即可判定紙張數(shù)目[3]。

7 結(jié)語

通過系統(tǒng)測試，本系統(tǒng)成功實現(xiàn)了紙張計數(shù)的功能。在通過自校準(zhǔn)后，可以快速穩(wěn)定識別紙張數(shù)目，并可以蜂鳴提示及在OLED屏幕中顯示。同時，在識別過程中，還可實時檢測極板短路情況，并給出提示。在測量紙張數(shù)過大時，發(fā)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)間隔越來越小，分辨力降低。但是采用加固機械結(jié)構(gòu)、使用屏蔽線等措施，大大提高了信噪比，使在紙張數(shù)較多時仍然能夠分辨，減少了誤判的可能性。經(jīng)檢驗，整個裝置穩(wěn)定性好、精度高、功耗低，具有較高的性能指標(biāo)，能廣泛投入市場并應(yīng)用。

［1］王李冬，安康，徐瑋，等.單片機與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2018.

［2］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

［3］張洋，劉軍，嚴漢宇，等.精通STM32F4［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.027

2095－6835（2019）19－0068－03

田澤豪（2000—），男，湖北孝感人，本科在讀，研究方向為通信工程。

〔編輯：嚴麗琴〕