基于FDC2214的紙張計數顯示裝置的設計與實現

蔣志偉

【摘 要】本設計以STM32F407單片機為控制核心，通過電容傳感器FDC2214實時檢測兩塊電極板所組成的電容器的電容，與已錄入單片機的電容值進行比對，達到測量出此時兩極板內所夾的紙張數量的目的，同時將紙張數量測試結果顯示在液晶屏上，具有準確度高，結構簡單，制作成本低等特點。

【關鍵詞】紙張計數;FDC2214

中圖分類號： TH693.5文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）31-0079-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.036

Design and Implementation of Paper Counting Display Device Based on FDC2214

JIANG Zhi-wei

（Kangda College Of Nanjing Medical University，Lianyungang Jiangsu 222000，China）

【Abstract】This design takes STM32F407 as the control core， detects the capacitance of capacitors composed of two electrode boards in real time by capacitance sensor FDC2214， and compares the capacitance value with the capacitance value of the input single chip computer， so as to achieve the purpose of measuring the quantity of paper in the two electrode boards at this time.At the same time， the paper quantity test results show that On the LCD screen，it has the characteristics of high accuracy，simple structure and low production cost.

【Key words】Paper count;FDC2214

1 紙張計數工作原理

1.1 紙張數與電容值的關系

根據電極板所組成的電容決定式：

C=εS/4πkd

其中ε為介電常數，S為極板正對面積，k是靜電力常量，d是極板間距離。每放入極板間一張紙，兩極板間的距離就會增加，電容就會減小，每加一張紙所測得電容都不同，因此可以根據電容的測量值來判定紙張的數量。

1.2 FDC2214電容傳感器

FDC2214是TI公司設計的一款高精度電容傳感器，分辨率高達28位，具有抗噪聲、高分辨率、高速等多種特性，可以用于接近傳感、手勢識別、液位檢測等多種應用場景[1]。它具有四個通道，可以同時采樣四路電容數據，并通過IIC接口與單片機相連。筆者通過FDC2214的單通道測量不同數量紙張做介質時電容數據如表1所示（注：不同環境下所測數據可能有所不同）。

如表1所示，滿足紙張數量越大電容值越小的規律，并且在紙張數量達到50張時電容值仍然具有較好的區分度，完全可以滿足紙張數量測量的要求。

2 系統結構

2.1 總體設計

圖1 紙張計數顯示裝置的組成

系統結構如圖1所示，兩塊平行極板（極板A、極板B）分別通過導線a和導線b連接到電容傳感器，再通過IIC接口與開發板相連，開發板自帶電源模塊連接到5V電源即可。開發板帶有液晶顯示模塊，通過下載到開發板中的程序可測量并顯示置于極板A與極板B之間的紙張數量。

2.2 硬件設計

兩平行極板均采用尺寸為50×50×0.8mm紫銅板組成，紫銅板各引出一根導線到FDC2214的通道1上，導線a和導線b均采用0.5mm單芯單股導線。將FDC2214通過兩根杜邦線作為IIC總線與STM32相連，由于開發板自帶降壓模塊直接連接到5V電源即可。

表1 紙張數量與電容值的關系

特別需要說明的是，因為對于紙張測量來說，電容值的測量精度要求很高，所以需要特別設計機械壓緊機構。機械壓緊機構的設計要求包括：①保證兩極板平行壓緊，每次增加紙張必然要移動測量極板，此時必須保證每次移動后兩極板的固定位置不能變化，否則會造成兩極板的正對面積發生變化而形成系統誤差;②要有一定的重量和壓力能夠壓緊所測紙張，不會造成紙張數量增加后紙張中間存在空氣間隙而造成誤差。

按照以上的要求設計的機械壓緊機構如圖2所示。筆者在測量過程中還注意到存在如下現象：當紙張放入兩極板中間，放下極板后，測量電容的瞬時值會逐漸增大，等待一段時間后顯示測量值才趨于穩定。筆者猜測原因可能是剛放下極板時，兩極板的紙張中間存在空氣間隙，在壓緊過程中隨著空氣被排出，兩極板的距離減小從而電容值增大。這就要求我們必須在極板放下后等待示數穩定后才能讀數，否則會因為電容值還沒穩定造成讀數和判別錯誤。

圖2 機械壓緊機構設計

2.3 軟件設計

采用定時器中斷方式不斷讀取FDC2214的電容值，讀取的FDC2214的電容值事先經過卡爾曼濾波。卡爾曼濾波是當下流行的濾波算法，具有計算量小，易于實現等特點[2]。

數據分類方法采用最近相鄰法。在訓練模式下，對不同紙張數量的電容值進行采樣，通過按鍵錄入預先定義的數組中。在判別模式下，系統實時采樣電容值，判別按鍵按下后，計算當前電容值與已錄入系統的電容值進行比對，找到距離最短的樣本，判別紙張數量，并顯示在液晶屏上。

2.4 測試結果

本設計經過筆者在50張紙以內的連續3次測試，正確率均達到100%，準確性滿足設計要求。

3 總結

本設計通過專門設計的機械壓緊機構，采用FDC2214電容傳感器實時測量兩塊電極板所夾紙張的電容，與已錄入單片機的電容值進行比對，從而測量出兩極板內所夾的紙張數量，同時將紙張數量測試結果顯示在液晶屏上，具有準確度高，結構簡單，制作成本低等優點。

【參考文獻】

[1]黃健.基于電容感測高溫隔離觸控模塊的研制[J].宇航計測技術.2017，37（5）：40～43.

[2]陳陽.基于FDC2214的手勢識別系統設計與實現[J].電子世界，2019（14）：159-160.