基于單片機的紙張計數裝置的設計

安曉莉

(西安思源學院 電子信息工程學院， 陜西 西安 710038)

0 引言

本文采用52單片機設計了一款紙張計數裝置，該裝置前端的兩塊50 mm×50 mm的平行板分別通過導線a和導線b連接到測量顯示電路，它可測量并顯示置于極板間的紙張的數量。

1 設計思路

從設計任務可知，前端的兩塊50 mm×50 mm的平行板構成平行板電容器。改變兩塊板之間的紙的張數(電容器極板中間的介質發生改變)，就會引起電容容量改變[1]。如果將此電容接到555定時器上構成多諧振蕩器，電容量的改變就可以改變多諧振蕩器輸出脈沖的頻率。

如果采用52單片機的定時/計數器實現200 m/s時間內對555定時器輸出的振蕩脈沖進行計數，通過計算就可獲得振蕩脈沖的頻率。通過測試，將每增加一張紙所對應的振蕩脈沖的頻率記錄下來，列成表格，在程序中通過取表的辦法獲得紙的張數并顯示。

2 系統硬件設計

根據上述設計思路，得出設計框圖，如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

2.1 電路功能模塊

單片機工作時鐘由晶振電路產生；復位電路完成單片機的初始化；555定時器用來輸出矩形波，該矩形波的寬度隨紙張數變化而變化；按鍵由啟動測量按鍵和較準按鍵組成；24C02存儲器用于存儲每增加一張紙所對應的矩形波的頻率值；數碼管顯示電路顯示紙張數；蜂鳴器用于電容兩極板短路時的報警和啟動鍵按下后，給出測量結果時的鳴叫提示。

2.2 電路功能模塊實現

2.2.1 555定時器構成的多諧振蕩器

平行板的一個極板接555定時器的2腳和6腳，另一個極板接地；555的7腳和6腳之間接200 K的電阻和二級管1N5817；8腳和4腳連在一起；8腳(4腳)經200 K電阻和7腳相連；1腳接地、5腳通過0.01 μF的電容接地；3腳輸出矩形波[2]，如圖2所示。

圖2 多譜振蕩器示意圖

本設計選擇R1和R2為200 kΩ，原因是此時數碼管顯示的數不龐大，且能反映出紙張的變化。

2.2.2 24C02存儲器

24C02是容量為256個字節的串行EEPROM存儲器。本設計中紙張數所對應的頻率值為int型，在存儲時占兩個字節。除去兩極板短路時的頻率0外，可存儲127個頻率值，但是，隨著紙張數的增加，頻率的變化會越來越小，因此，本系統只能識別30張以內的紙的數量，誤差在一張以內。

2.2.3 數碼管顯示電路

數碼管采用動態顯示方式實現紙張數的顯示。由PO口輸出的字段數據經74LS245后驅動數碼8個字段；P2.2、P2.3、P2.4接74LS138譯碼器A、B、C端，74LS138譯碼器的八路輸出作為選通信號接8位數碼管的公共端。采用“逐位點亮，輪流顯示”的方法實現穩定顯示紙張數[3]。

3 系統軟件設計

本系統采用單片機的定時/計數器0定時200 m/s,在此期間，啟動定時/計數器1對矩形波個數計數，當200 m/s定時時間到，停止定時/計數器1計數。計數值除以200 m/s即為頻率值。

為了使測量更準確，采用一秒鐘采集5次頻率(每200 m/s采集一個頻率數據)，把5個頻率數據加權平均，將其作為當前紙張所對應的頻率值。

主函數流程圖如圖3所示。

圖3 主函數流程圖

要能根據頻率范圍得出紙張數，需事先將每增加一張紙所對應的頻率值存儲進24C02，在這里把這個過程叫校準 。校準按鍵接在P3.3引腳上，該鍵按下時，CPU跳轉到外部中斷1中斷服務程序。在中服程序中，將頻率的高八位存入低位地址中，頻率的低八位存入高位地址中，每存完一個頻率，地址值加2。

程序代碼如下。

首先定義按鍵，聲明紙張計數變量。

sbit KeySure=P3^3; //定義按鍵

u16 NumOfTest = 0;//計數起始位

//外部中斷1的中斷函數

void Int1() interrupt 2

{

delay(3 000); //延時消抖

if(KeySure==0)

{

At24c02Write(NumOfTest,Freq_array[5]/255);

NumOfTest++;

delay(2 000);

At24c02Write(NumOfTest,Freq_array[5]%255);

NumOfTest++;

delay(2 000);

}

}

啟動測量按鍵接在P3.2上，按下該鍵后，CPU跳轉到外部中斷0中斷服務程序，在該中服程序中調用一個計算紙張數函數，實現根據頻率值計算出紙張數，并將結果送數碼管顯示，啟動蜂鳴器報警，提示一次測量結束[4]。

程序代碼如下。

//外部中斷0中斷函數

void Int0() interrupt 0

{

delay(1 000); //延時消抖

if(KeyAddNum==0)

{

Num = CalPNum(Freq_array[5]);

//數碼管顯示

DisplayData[7]=smgd[Num/10];

DisplayData[6]=smgd[Num%10];

//蜂鳴器報警

}

}

計算紙張數函數流程圖如圖4所示。

圖4 計數流程

程序代碼如下。

char Num = 0; //當前紙張數量

#define AllNUM 60 //30張紙，需要60個字節存儲空間

sbit KeyAddNum=P3^2; //定義按鍵K

張數計算函數

unsigned char CalPNum(u16 frequence)

{

char i;

int freq1,num11,num12;//n-1 張紙時的頻率

int freq2,num21,num22;//n 張紙時的頻率

int freq3,num31,num32;//n+1 張紙時的頻率

unsigned char PNum;

for(i=2; i

{

num11 = At24c02Read(i-2);

delay(1000);

num12 = At24c02Read(i-1);

delay(1000);

freq1 = num11*255 + num12; //取出n-1張紙的頻率

num21 = At24c02Read(i);

delay(1000);

num22 = At24c02Read(i+1);

delay(1000);

freq2 = num21*255 + num22; //取出n張紙的頻率

num31 = At24c02Read(i+2);

delay(1000);

num32 = At24c02Read(i+3);

delay(1000);

freq3 = num31*255 + num32; //取出n+1張紙的頻率

//在頻率表內查該頻率對照的紙張數

if(

(freq2 -(0.4) * (freq2 - freq1) <= frequence)

&& (frequence < freq2 + (0.6)*(freq3 - freq2))

)

{

PNum = i/2;

return PNum;

}

}

return 0;

}

由于本設計只能識別30張紙，即對應的頻率只占60字節，在判斷框中設置上限為60-3，是為了防止n+1張紙對應的頻率超出地址上限而出錯[5]。

頻率落在n張紙對應得頻率范圍是依據試驗得來的公式如下。

freq2-0.4(freq2-freq1)≤f≤freq2+0.6(freq3-freq2)

4 總結

本設計能夠完成30張以內的紙的張數的測量與顯示，具有校準、啟動測量和蜂鳴器提示報警功能。不足之處是測試的紙張數較少，原因主要是52單片機運算能力不夠。如果將52單片機更換為STM32，則測量速度和測量張數將會大幅度提高。