基于頻率測控技術的多功能紙張檢測系統設計

摘? 要：針對文印等行業的紙張計量問題，設計了以單片機及變介質電容式傳感系統為控制核心的多功能紙張檢測系統并應用于多諧振蕩電路，系統首先采用了中值濾波算法對初始頻率進行濾波來實現頻率的粗定位，然后對中值濾波算法進行了改進，通過對頻率的粗定位區間進行二次求中值并進行判斷來實現頻率的精準定位，同時該系統還配置了藍牙、語音播報、自校準等功能。實驗表明該系統可實時檢測紙張數量且工作穩定，為紙張類材料提供了新的計量方法。

關鍵詞：頻率測控;多諧振蕩;紙張測量;單片機

中圖分類號：TM935;TP368 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）07-0139-03

Design of Multi-functional Paper Detection System Based on

Frequency Measurement and Control Technology

GAO Tianxue

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou? 253034，China）

Abstract：In view of the paper measurement problems in the paper printing and other industries，A multi-functional paper detection system based on single chip microcomputer and variable dielectric capacitance sensor system is designed and applied to the multi harmonic oscillation circuit. The system first uses the median filter algorithm to filter the initial frequency to realize the rough positioning of frequency，and then improves the median filter algorithm. It is realized through the secondary median value of the rough positioning interval of frequency and judgment. At the same time，the system is also equipped with Bluetooth，voice broadcast，self calibration and other functions. The experimental results show that the system can detect the number of paper in real time and work stably，which provides a new measurement method for paper materials.

Keywords：frequency measurement and control;multivibrator;paper measurement;microcontrollers

0? 引? 言

紙質類薄片的計量準確、快速等問題在銀行、文印等場所尤為重要，傳統的紙張計量方法多采用卡尺測量或電子傳動式計數方式來完成，其存在效率低、誤差大、破損率高等問題。國內外對紙張計數有一定的研究基礎，但在基于電容式傳感器計數方面的應用研究和文獻較少。筆者基于學校科技計劃項目對紙張計數系統進行了設計與開發，實現了紙張快速計量及語音播報等功能，可以檢測不同材質的紙張，特別是對普通印刷紙的計數具有高效、穩定等特點。該系統可應用于紙質類材料需求較多的辦公場所，例如在文印公司中可以快速計算出顧客打印紙張的數目及應付款，無需人為觀測，高效快捷。

1? 變介質電容傳感器技術

隨著電容傳感器技術的發展，變介質電容傳感器越來越多地應用于傳感電路，其主要由上下兩塊平行極板及中間介質組成，其產生的電容值隨著電極材料上所加介質的改變而改變，當兩個極板間的介質均勻變化時可構成一種可變式電容傳感器。變介質電容傳感器結構及等效電路如圖1所示，其電容計算公式：

C=

其中C為兩極板間的電容，ε0為真空介電常數，εr為該材料的相對介電常數，當其他參數不變且只有兩極板間的距離d變化時，兩塊極板之間可以看作開放的電容結構，在夾緊的情況下可以看作介電常數不變，通常通過極板距離d的變化來表征電容數值的變化。

當sε0εr不再改變時，電容的大小只與d有關，所以：C（面積s，單位：m2）正比于1/d，令ε=ε0εr，當有一個極小的d變化時：

2? 硬件系統設計

2.1? 系統組成

系統利用變介質電容傳感器技術，采用單面覆銅板設計了上下兩個極板并將其連接在多諧振蕩電路中，當向兩極板間加入紙質類介質并將其壓緊時，兩極板間的電容量會隨之發生改變，通過LM555多諧振蕩電路把微小的電容變化轉化為較大的頻率變化，對該頻率進行處理后建立紙張數量的模型關系達到測量紙張的效果。經過大量實驗測試，該系統借助于LM555多諧振蕩電路的某個振蕩頻段，把微小的電容變化量轉化為單片機可檢測的頻率變化量，通過對頻率分析及處理來得到所測紙張的數量，實驗結果顯示該方法確實可行，系統以單片機為控制核心，由多諧振蕩系統、液晶屏、藍牙模塊、語音模塊等組成，系統的整體框圖如圖2所示。

2.2? 基于多諧振蕩技術的電容式檢測電路

系統測量紙張的關鍵技術是測量紙張引起的板間電容量，由于目前市場上對電容的直接測量器件價格昂貴，故該系統通過LM555多諧振蕩器將電容數值的變化轉換為頻率的變化，進而得到紙張的數量，結構簡單且制作方便，其設計電路如圖3所示。LM555作為使用率極高的芯片可靠性強，且工作頻率可以通過電阻值（圖3中R3及R4）及電容值（即圖3中的極板）的變化來調整。

已知多諧振蕩器的振蕩頻率計算公式如下所示，實際應用時控制電阻值不變，振蕩頻率與電容呈倒數關系：

f=

由公式可知，電容變化會對振蕩頻率產生影響，將紙質材料放入兩極板后，隨著兩極板間的距離變化會產生微小的電容變化，故可通過振蕩電路系統轉化為較大的頻率變化，檢測系統的上下兩個電容極板由筆者自行設計，經過大量測試后，由兩片完全重合的長50 mm寬35 mm的覆銅板組成，其連接線采用了直徑1 mm的純銅線，考慮到電動勢平衡問題，該連接線采用了完全連接的方式并進行了鍍錫處理（如圖4所示），最后將兩極板嵌于平滑木板后配以重物，確保上下兩極板在測量時完全對稱且能將極板間所測介質壓緊，經定標處理后得到準確的頻率數據庫。

系統使用單片機的計數器功能對電容式檢測電路的輸出頻率進行采樣并分析，通過大量測試性實驗后選取了20～180 kHz頻率范圍進行了定標并在單片機內部建立了頻率數據庫（由于空間問題，只列舉局部），使用中值濾波算法對頻率進行濾波后并使用改進型中值濾波算法進行精準定位，進而得到與頻率對應的紙張數目并將其顯示在液晶屏，同時進行語音播報提醒及藍牙傳輸等動作。

unsignedlongshuzu[]={0，28 700，35 700，41 600，46 600，51 400，56 200，61 000，64 700，69 000，73 600，76 600，80 300，83 500，86 900，90 100，92 900，95 600，98 100，100 800，103 200，105 600，107 800，109 900，111 900，113 900，…};//頻率庫，單位為Hz

2.3? 改進型中值濾波算法

實際實驗過程中發現，由于環境因素（如氣流、溫度、震動等）的影響，多諧振蕩系統的輸出頻率會存在波動，對系統的準確性及穩定性帶來很大影響，故需要單片機內部對數據進行數字濾波處理。系統根據實際需要，首先采用了中值濾波算法對初始頻率進行濾波來實現頻率的粗定位，然后對中值濾波算法進行了改進，通過對頻率的粗定位區間進行二次求中值并進行判斷實現了頻率的精準定位，實驗發現該方法準確度理想，其主要編程思路如下所示。

int zhongzhilvbo（ ）

{? ? ?for（i=0;i<200;i++）

{if（（Freq>=shuzu[i]）&&（Freq

{k=（shuzu[i]+shuzu[i+1]）/2;//計算頻段中值，實現精準定位

if（Freq<=k） return i;//中值以左

else return i+1;//中值以右 } }

}

3? 實驗測試與分析（頻率、紙張、電容數據等分析）

選取210 mm*297 mm，70 g/m2的A4紙張在20～180 kHz頻率范圍進行了實驗測試，圖3中多諧振蕩電路的R6及R9分別取50 kΩ、100 kΩ，系統模型如圖5所示，當將紙張靠近裝置時，升降臺會將上極板升起，升降臺落下后系統會自動進行測量并顯示相關數據。其實測頻率及對應的紙張數量部分數據情況如表1和圖6所示。

4? 結? 論

本文對基于電容式傳感器的紙張計數系統進行了研究，設計了一種采用高速單片機及變介質電容傳感器來檢測紙張數目并通過顯示模塊、語音模塊來進行有效提醒的紙張計量裝置，并在軟件程序中采用頻率測控技術與改進型中值濾波算法來提高檢測數據的精確性，極大地縮短檢測和系統處理時間。實驗測試表明，本系統傳輸速率快、準確性高、功耗低、成本低，而且模塊化設計，便于功能擴展，能夠滿足快速準確的對紙張計數的效率需求，為紙張測量技術提供了相關設計新思路，具有一定的實用價值。

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作者簡介：高天學（1991—），男，漢族，山東濟南人，碩士研究生，主要研究方向：射頻信號的獲取與處理。