基于CAV444的紙張計數技術的研究與實現

陳道來 鹿存莉 高爾康 高偉 劉晨

摘要：以CAV444芯片為核心檢測電路，設計了一種以MSP430F149單片機為控制基礎的紙張計數裝置。紙張放置于兩個平行板極間，紙張數量的變化引起電容值的變化，CAV444芯片將容值變化轉變成線性的頻率變化，再通過LM393整波電路輸出穩定的方波，利用MSP430F149單片機片內部的定時器和計數器測量方波頻率，計算后將紙張數量通LCD12864液晶顯示出來。系統具有分析紙張數目及自校準的功能，便于操作，工作穩定。

Abstract： In the paper， CAV444 chip as the core detection circuit， a paper counting device based on MSP430F149 microcontroller is designed. The paper is placed between two parallel plate poles， the change in the number of paper causes the change of capacitance value， the CAV444 chip transforms the tolerance change into a linear frequency change， and then outputs a stable square wave through the LM393 whole wave circuit， using the timer and counter inside the MSP430F149 microcontroller to measure the square wave frequency， after calculation， the amount of paper is displayed through the LCD12864 liquid crystal. The system has the function of analyzing the number of paper and self-calibration， which is easy to operate and stable.

關鍵詞：CAV444;MSP430;紙張計數;LM393

Key words： CAV444;MSP430;paper count;LM393

中圖分類號：TP368.1;TH724? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0203-03

0? 引言

隨著印刷業和造紙業的發展，工廠對紙張計數裝置的渴求越來越高[1]。紙張厚度是紙最基本的性能指標之一，目前紙張厚度的檢測方法總體看來由傳統的接觸式向非接觸式發展，常用的非接觸紙張厚度方法有超聲，射線，微波，近紅外線測厚法、電容測厚法等[2]。超聲反射法從測量精度來說可滿足生產中的要求，但需要耦合劑，被測厚度需要大于2mm。射線法需要放射源，存在需加防護措施，成本高等問題，推廣使用有一定的難度。對于電容傳感器的應用，通常有兩種檢測電路，典型的測量電路有：電橋式電路、調頻法電路、運算放大式電路。另一種是集成電路，例如德國AMG公司的CAV424、CAV444系列[3]。集成電路可以有效減少環境的影響，并具有電路體積小、結構相對獨立原件構成的檢測電路更簡單，便于調試。

1? 系統硬件設計方案

1.1 總體設計方案

系統總體框架如圖1所示。

以CAV444芯片為第一性檢測電路，設計了一種以MSP430F149單片機為控制基礎的紙張計數裝置。電路部分主要包括MSP430F149單片機最小系統、檢測裝置電路、CAV444電容模塊、穩壓供電模塊、LCD12864液晶顯示模塊。

紙張計數顯示裝置涉及的主要就是測頻率值[4]。紙張放置于兩個平行板極間，紙張數量的變化引起電容值的變化，CAV444芯片將容值變化轉變成線性的頻率變化，再通過LM393整波電路輸出穩定的方波，利用MSP430F149單片機片內部的定時器和計數器測量方波頻率，計算后將紙張數量通LCD12864液晶顯示出來。

1.2 CAV444電容模塊

基于CAV444芯片的電容測量電路，將測得的電容變為相應頻率輸出。CAV444是一個多種電容式傳感器信號測量集成電路，根據實際電路測量發現，其電容信號和輸出頻率為線性關系，測量電容規模寬，丈量精密度高[5]。

1.3 波形處理模塊

由LM393組成的施密特觸發器，去除雜波干擾信號，調理到適合單片機讀取的電壓范圍。

1.4 MSP430F149單片機

系統以超低功耗的MSP430F149為數據處理核心，它是具有16位總線的帶FLASH的單片機，在8MHz晶振工作時，指令可達8MIPS，系統工作穩定[6]。

2? 系統軟件設計

系統主程序設計采用了自頂向下的程序設計思想，即模塊化設計。主要的功能模塊有：系統初始化;頻率采集模塊;數據補償計算;定時器模塊。在主程序需要時可以直接調用子程序。系統主程序的流程圖如圖2所示。

對單片機的時鐘、看門狗、定時器/計數器、中斷系統、I/O口等初始化。然后運行系統自檢程序，對檢測儀器的主要部件進行功能測試，如有異常，給出報警信息。系統自檢完成后，采集CAV444頻率，等待用戶的指令。儀器可工作在掃描模式或校正模式。校正模式時，對檢測儀器進行校準。掃描模式時，對紙張進行在線檢測。使用前檢測儀器一般要進行預熱，第一次上電后先校正再測量。檢測的紙張數量通過LCD12864液晶顯示。

3? 系統性能指標及測量結果

通過數據分析可知，如圖3所示，被檢測的兩個極板之間的紙張增加或減少時，影響類似電容的電容量變化，從而利用CAV444芯片的內部及驅動電路，可知紙張數量變化與CAV444頻率輸出大小的關系。

紙張放置于兩個平行板極間，紙張數量的變化引起電容值的變化，當紙張厚度為0.05mm時，極板電容值為0.0013pF，厚度為0.10mm時，極板電容值為0.0024pF，厚度為0.15mm時，極板電容值為0.0120pF，隨著紙張厚度的增加，極板電容值也在依次增加。CAV444芯片將容值變化轉變成線性的頻率變化，輸出頻率隨著容值的增加而增加。

根據表1的測量結果對數據進行分析，紙張厚度與極板電容值和輸出頻率的關系曲線如圖4所示。

從圖4可以看出隨著紙張厚度的增加，極板電容值也在依次增加，輸出頻率也隨著極板容值的增加而增加。即通過頻率的變化可以準確的測量出紙張的厚度。

4? 總結

本文介紹了一種以MSP430F149單片機為控制基礎的紙張計數裝置，電路高度集成、性能穩定，相比傳統的紙張計數器成本低、精度高。實驗結果表明，該系統具有分析紙張數目及自校準的功能，便于操作，工作穩定，可以更好的應用于造紙過程控制系統。

參考文獻：

[1]楊平，王威，等.MSP430系列超低功耗單片機及應用[J].國外電子測量技術，2008，27（12）：48-50.

[2]王曙光，唐浩漾.一種智能紙張厚度計設計[J].傳感器與微系統，2015，34（04）：72-74.

[3]宋美杰.基于CAV444的薄膜厚度測量電容傳感器設計[J]. 桂林航天工業學院學報，2015（004）：471-473.

[4]李紅.基于STC89C52單片機的紙張計數顯示裝置設計[J].信息與電腦（理論版），2019，31（22）：39-41.

[5]趙滿，時海濤.基于CAV444芯片的測量電容的電路系統設計[J].自動化應用，2018（10）：45-46.

[6]雷宇，任文靜，焦新程.一種基于MSP430F149單片機的頻率測量模塊設計[J].石油管材與儀器，2018，4（06）：16-19.

[7]潘猛，王明明，祁高進，等.一種應用于醫藥試劑試紙檢測設備的LED照明驅動裝置.

課題項目：江蘇省大學生創新創業訓練項目（201913571004Z）。

作者簡介：陳道來（2000-），男，安徽六安人，本科在讀，研究方向為物聯網嵌入式、專業電子信息工程。