一種基于FDC2214的紙張測量系統設計

翟文盛 邵明杰 王天宇

摘 要：為了實現多種規格紙張數量的快速測量，設計基于STM32主控制器和FDC2214電容檢測傳感器所組成的紙張測量系統。先介紹裝置的測量原理，再介紹系統的硬件設計與軟件設計。系統通過I2C通信形式從FDC2214傳感芯片讀取一個通道的電容感應值，從而分辨不同數量紙張所產生的電容變化并以此識別紙張數量。采用中值濾波與均值濾波的方法來減少誤差。對紙張數量所引起的電容變化，采用曲線擬合的方法，擬合XY散點圖，模擬出80張紙以后的曲線變化圖，最后將紙張數量結果顯示在OLED屏上。

關鍵詞：紙張測量;FDC2214傳感芯片;中值濾波;均值濾波;誤差測量;曲線擬合

中圖分類號：TP206文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

本文針對紙張測量方法應用的局限性，采用TI公司最新推出的低功耗、低成本、高分辨率的非接觸式電容式傳感器FDC2214進行測量，在STM32中實現不同規格紙張的計數測量，最終將紙張數量由OLED屏顯示出來[1-2]。本系統消除了噪聲和常見的環境干擾[3]，具有成本低、靈活性高、便于攜帶等優點，擁有很好的市場前景。

1 測量原理與測量方法

1.1 測量原理

電容位移傳感器的敏感元件是電容器，其工作原理為當被測物體的位移改變時，電容器極板間距離相應的發生變化并引起電容值的改變。對由兩個平行金屬板組成的電容器，如果忽略邊緣效應，電容值如下：

式中：ε為極板間介質的介電常數;ε0為真空介電常數;

εr為極板間介質的相對介電常數;S為極板相互遮蓋面積;

d為兩金屬平行極板間的距離[4-5]。由上式可知，當保持S和ε不變時，通過改變兩金屬極板間的距離d，從而可以引起電容值的改變。

FDC是一個電容數字轉換器，用于測量LC諧振器的振蕩頻率。該設備輸出一個與頻率成正比的數字量，該頻率測量可以轉換為等效電容。FDC2214通過電容的變化來測得對象的距離，或者對象材質的變化，而電容的變化可以轉換為通過匹配測量電路輸出的電信號[6]。

1.2 測量方案分析

本文對三種不同的方案進行比較。第一種方案為和紙張形狀尺寸接近的長方形亞克力底板、直角長方形亞克力擋板、長方形亞克力覆蓋板，該方案波形較明顯，測量效果誤差比較小;第二種方案為與紙張尺寸接近的玻璃底板和玻璃覆蓋板，波形變化幅度明顯，但干擾較大，誤差較大;第三種方案為正方形亞克力底板，波形變化幅度較小，紙張容易彎曲帶來張力變化，從而造成測量誤差。故選擇第一種方案。為了避免紙張張力引起的電容變化值不準確，通過比較大理石與實木木塊，發現重物壓緊后，長方體形大理石效果更好。

1.3 測量方法

本文所設計的紙張測量裝置在測量時，為了避免電磁對FDC2214的干擾，采取物理屏蔽的方法，即將信號線固定，芯片放在亞克力盒子中[7]。紙張對齊底板的直角，蓋板與底板左上角對齊，用大理石壓緊紙張，按鍵記錄數據。

該裝置在對不同規格紙張數量檢測前，需要對系統進行訓練學習，單片機將同規格的紙張逐張錄入對應的電容數值，并保存作為比對參考量。在進行數量檢測時，因不同紙張的厚度不同，兩極板間的面積不同，從而引起的電容變化值就會不同，因此會不同程度地影響測試區外接極板的外部環境，使得外部極板接收到不同的頻率值。FDC2214傳感器芯片可將頻率值轉換為等效電容值，經I2C通信形式傳遞至

STM32單片機，之后比對單片機數值，并將結果在OLED屏顯示。

經試驗驗證，當波特率設為115 200 b/s時，傳輸速率可達11.25 Kb/s，從而能夠準確地識別出不同紙張數量的電容值，并保證較高的準確率。

2 系統的設計和實現

2.1 硬件設計

紙張測量裝置構造主要包括電容式傳感器芯片（FDC2214）、外接極板（5 cm×5 cm純銅極板）、系統控制模塊（STM32單片機）、OLED顯示模塊以及電源模塊、電源穩壓模塊等。電源（穩壓）模塊為系統供電，維持裝置的正常工作。裝置模塊如圖1所示。

2.1.1 FDC2214芯片

電容式傳感應用靈敏度的主要限制因素在于傳感器的噪聲敏感性，與現有電容感測解決方案相比，FDC2214芯片采用創新型抗EMI架構[1]，通過采用基于窄帶的創新型架構，可對噪聲和干擾進行高度抑制，使其不受來自無線電、電源、光照和電機等環境噪聲的影響[8]。同時在高速條件下提供高分辨率，即使在強噪聲環境中也能維持性能不變。在噪聲出現時，FDC2214的性能提升[8]約60倍，在任何環境下均可實現基于低成本電容方式的人體和物體感測。在電容式傳感系統中的傳感可以采用任意金屬或導體，該器件支持寬激勵頻率范圍，可為系統帶來靈活性。

2.1.2 顯示模塊

OLED的SCL與單片機的GPIOPB10連接，SDA與GPIOPB11相連接。由于本系統的模式顯示文字少，故采用0.96 in OLED液晶屏，可在最大程度上減小系統體積。同時OLED相對于LCD12864或TFT彩屏耗電更低，更加節約能源，成本更加低。

2.1.3 STM32F4VET6單片機

STM32F4VET6有多達140個GPIO，6個UART串口，3個I2C接口，提供24個ADC輸入通道，16個DMA通道，有2個I2S接口，支持全雙工，多達1 MB FLASH。其低電壓為1.8～3.6 V，在某些封裝上，可降低至1.7 V，低功耗、性能穩定。STM32F4VET6單片機的GPIOPB8引腳與FDC2214芯片的SCL相連;GPIOPB9引腳與FDC2214芯片的SDA相連，用以發送和接收數據[9]。系統原理圖如圖2、圖3所示。

2.2 軟件設計

2.2.1 算法過程

本次實驗采用單通道法，對兩個極板采樣的電容值進行物理取差，傳入FDC2214電容傳感器，主控芯片采樣傳感器輸出數字量，通過中值濾波和均值濾波的配合去除無效數據[10]，再導入擬合函數判斷紙張數量。程序會自動識別不同的紙張區間并采取對應的算法。開始時系統初始化，定時器中斷循環采集FDC2214數據，通過掃描按鍵操作來切換多級菜單來實現各個功能的切換。程序主流程如圖4所示。

2.2.2 系統執行

裝置測量紙張數量之前，需要錄入一次空值作為基礎初值，該值是對當下環境的實時描述。因為FDC2214芯片對環境變化較為敏感、分辨率較高，因此在不同環境下各通道外接極板的數據接收值會存在較大差異，導致簡單常數通常無法精準表示實時的環境狀況。而通過初值錄入，可最大程度避免此類誤差的出現。

工作模式下，芯片通道引出的對應外接極板可監測到因紙張數量不同而引起的環境變化。單片機將獲得的近百組數據，通過中值濾波和均值濾波的配合，再去除無效數據后，所求得的值即此時紙張數量的特征值，作為工作模式下數據比對的基礎，判斷出紙張數量，并將結果顯示在OLED屏。

3 實驗結果

3.1 模擬結果

80張A4紙逐張先增后減的測量結果散點圖如圖5所示。

3.2 實驗結果

最終采用亞克力板與純銅板的結構：亞克力底板固定兩個磨砂玻璃板，以便更好地支撐和固定亞克力底板。在亞克力板中心打孔，信號線從底部引出，通過FDC2214電容的變化來判斷紙張的數量。通過設置，電路能夠自校準環境所引起的參數變化。80張A4紙的測試結果見表1所列。

系統裝置實物如圖6所示。

4 結 語

本文對基于嵌入式STM32F407VET6芯片的多種規格紙張測量裝置的設計進行了介紹，其內容包括系統的測量原理與測量方法，系統的硬件設計、軟件設計，實驗結果展示等。該系統整體性能優良，經驗證能夠實現預期的功能。今后還要進一步完善本系統，使之成為功能更好、更穩定的產品。通過本次設計，進一步體現了電容式傳感器的結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點。在消費電子領域，如多點觸摸屏、觸摸板、滑動條、智能手機、平板電腦和游戲機等方面，電容式傳感器有著更多的應用，未來在人工智能、無人操控駕駛、3DVR體感游戲等領域，將會有更為廣闊的天地。

參考文獻

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