基于單片機的紙張測量儀設計

康 惠

（山東現代學院，濟南 250104）

1 系統方案論證

本系統主要由測量電路、運算控制和顯示電路兩部分組成，下面分別論證各相關方案的選擇。

1.1 測量電路方案

紙張數目變化表現為板間電容的變化，具有對應關系。各備選方案的區別，關鍵在于測量電容方法不同。采用振蕩器將極板電容轉化為振蕩器頻率。關于振蕩電路的選擇，可以采用文氏橋振蕩電路，或者采用多諧振蕩電路。采用V-I法直接求極板間電容阻抗特性。

采用多諧振蕩電路。電路簡單，振蕩信號為正弦波，便于后級頻率測量，但振蕩頻率不穩定。方案一和二均采用測頻法，選擇合適的電路參數使振蕩信號工作在MHZ范圍，紙張數目變化，極板電容變化，振蕩頻率變化很大，容易測量與區分。

1.2 整體方案描述

綜上所述，采用由7555構成的多諧振蕩電路，將由紙張數目變化引起的極板電容參數的變化轉換成易于測量的諧振回路頻率變化。通過設置合適的電路參數令電路的振蕩頻率范圍在MHZ以上，紙張數目發生變化，頻率變化范圍大，便于程序區分識別。STC12C5A60測量振蕩電路的頻率，對獲取的頻率進一步處理和校準，計算紙張數目和極板是否處于短路狀態?？刂骑@示器顯示并鎖定顯示，驅動蜂鳴器報警。

2 理論分析與計算

2.1 測量原理分析與計算

極板與紙張緊密的結合，極板采用金屬板，則可近似認為以紙張為介質的對稱金屬板構成平行板電容器。此處設空氣介電常數為ε0，A4紙的介電常數為εr，極板面積為S，可知

7555振蕩器的振蕩周期T=KC，d=nd0，d0為1張紙厚度，將（1）式代入T=KC，得到：

由（2）式看出，振蕩器頻率和紙張數目成正比。隨著紙張厚度的增加，極板間電容減小，振蕩頻率增加，通過測量極板間電容變化與紙張數目的對應關系，即可實現紙張計數。極板短路時，振蕩器頻率為一定值，小于有紙張的情況，故可以區分。

多諧振蕩電路可以根據電阻阻值和電容阻抗值的不同產生不同頻率的方波，采用合適的電容阻值，使得振蕩器工作在MHZ范圍，則當振蕩電路的電容發生細微變化時，頻率仍可發生較大的變化，和工作在KHZ范圍的振蕩器相比頻率變化有更大的可區分空間。

通過大量實驗和校正，將紙張數量和振蕩器頻率相互對應。在一定的紙張數量范圍內，振蕩器的頻率變化可以區分和識別。采用數據擬合或者查表，使系統有著較強的識別和計數能力。

2.2 抗干擾和誤差分析

振蕩電路的穩定性，決定頻率是否能夠較好的表征極板間電容的變化情況。通過升高振蕩電路的基礎振蕩頻率，使得紙張數目變化引起的頻率變化范圍較大，有較大的區分空間，相較低頻率振蕩器抗干擾性能有了顯著提高了。

誤差主要來自于由極板不完全對正，導線位置變化，紙張壓緊程度改變所引起的極板間電容變化不穩定?？刹捎煤侠淼姆€定的機械結構，使得每次測量電路特性基本不發生變化，減少了一定的系統誤差。

3 電路設計

圖1 系統原理框圖

使用兩片不導電硬板（25cm×10cm×8mm），板四角開3mm小孔。將極板和導線固定在硬板上下對應位置，有效減少了更換紙張時極板和導線位置變化引起的誤差。用長5cm的M3螺釘固定上下兩片硬板，不使用螺母以方便更換紙張。將合適重量的配重放置于亞克力板上，使得紙張和極板緊密的貼合，保證每次紙張壓緊程度穩定。

單片機接入多諧波振蕩電路波形輸出端口，實時電路頻率進行測量，通過計算和校準轉化為紙張數量或極板短路狀態，液晶屏顯示狀態并報警。

4 測試結果分析

當極板短路和紙張數量小于50張時，測量得到的頻率有很大的區分空間。該范圍內，紙張計數準確穩定。當紙張數目大于50張時，測量的振蕩頻率區分空間變小。由振蕩電路的穩定性和其它誤差原因所產生的頻率波動，使得紙張數目區分變得十分困難，存在無法區分一張或幾張紙數量變化的情況。

在眾多干擾因素下，保持測量電容數值穩定的具體方法有待進一步討論。本文所采取的將電容轉化為頻率測量的方法，在提高振蕩電路穩定性、頻率變化區分度和頻率測量的準確性方面仍有極大的完善空間。