基于STM32F407單片機的紙張計數裝置設計

韋創煒，陳世龍，周曉倩，馮劍英，李偉源，龐壽全

（玉林師范學院，廣西玉林，537000）

0 引言

在造紙行業或者印刷行業,每天都需要清點大量的紙張，紙張計數的速率和準確率，會大大影響工作效率。目前使用最多的紙張計數裝置依然是傳統的機械式計數器，如常見的點鈔機。傳統的機械式紙張計數器有著無法避免的固有缺點，如對紙張的材質和尺寸有不同要求,計數速度有限,紙面會受磨損,計數精度不高，這些缺點給生產管理帶來了諸多不便。現在國內外較新穎的紙張計數方式是紋理圖像識別的方式，但該方法對設備要求較高，設備成本較高，并且環境光線會影響計數的精度。因此,研制出一種高效精準的紙張計數設備有重大意義[1]。

1 系統總體設計

本裝置采用電容極板壓縮的方式對紙張進行精準的測量。裝置的主控為STM32F407單片機，同時采用了FDC2214電容檢測模塊、TFTLCD液晶屏顯示模塊、電源模塊和自動升降裝置。測量紙張前，可進行自校準，測量時便能得到精確的數據。當紙張放入裝置中并按下測量鍵后，電容傳感器的上極板會隨著升降裝置推桿的運動而改變自身的高度，從而改變與電容傳感器下極板之間的距離。當上極板往下壓時，一旦到了設定壓力的閾值就會停止壓縮，此時電容傳感器采集到的電容值通過IIC通信接口向單片機發送數據，并由單片機處理分析，最后所得紙張數據通過TFT液晶屏顯示，并由語音播報出來。裝置總體設計框圖如圖1所示，裝置設計簡化模型如圖2所示。

圖1 總體設計框圖

圖2 裝置設計簡化模型

2 硬件設計

■2.1 主控模塊

本裝置為了實現高精準測量紙張數量，需要運算能力較高的主控模塊，現采用32位單片機STM32F407為主控模塊。該單片機兼容于STM32F2系列產品，集成了新的DSP和FPU指令，采用了ST的ART加速器，最高主頻具有168MHz的高速性能，能夠實現高速采樣計算，實時對裝置的檢測模塊進行采樣顯示以及計算處理。STM32F407芯片上外設豐富，定時器多達14個或17個，PWM功能強大，其ADC精度也達到12位，還有實時時鐘、DA模塊，較高檔次的還有浮點運算單元，同時它的外部接口也很豐富，多個串口USB控制、SPI、I2C等一應俱全，因此可以勝任本裝置的設計要求[2]。

■2.2 檢測模塊

本裝置的檢測核心為FDC2214電容傳感器。FDC2214經過優化，分辨率高達28位，支持250nF超大電容輸入，能夠配合使用遠程傳感器并跟蹤環境隨時間、溫度和濕度的變化情況，并且FDC2214的采樣速率高達13.3ksps，可以實現使用快速移動目標的應用。由于FDC2214電容傳感器面向接近感測和液位感測應用[3]，適用于所有液體類型，而人手存在非導電液位感測應用存在干擾，所以使用集成有源屏蔽驅動器的FDC2214芯片，其內部簡化電路原理圖如圖3所示。裝置通過電容傳感器檢測紙張厚度產生的電容量在芯片內部產生振蕩頻率，通過IIC協議與主控芯片進行通信，經單片機內部算法比較振蕩頻率與電容值的關系，可以計算出準確的電容值。

圖3 FDC2214內部簡化電路圖

■2.3 驅動模塊

本裝置通過L298N驅動模塊控制升降裝置進而控制極板的運動。L298N是一款接受高電壓的電機驅動器，直流電機和步進電機都可以驅動，而本裝置的升降裝置為直流電機。一片驅動芯片可同時控制兩個直流減速電機做不同動作，在6~46V的電壓范圍內，提供2A的電流，并且具有過熱自斷和反饋檢測功能。L298N可對電機進行直接控制，通過主控芯片的I/O輸入對其控制電平進行設定，就可為升降裝置的電機進行正轉反轉驅動，實現升降運動，操作簡單、穩定性好，可以滿足直流電機的大電流驅動條件。L298N電機驅動模塊電路原理圖如圖4所示，主控芯片通過壓力傳感器模塊的檢測，判斷極板是否夾緊，執行中斷請求,如果沒有中斷請求則保持原狀態，如果有中斷請求則調控PWM進行停止或者升降運動。

圖4 驅動模塊電路原理圖

■2.4 人機界面

人機界面主要由TFTLCD液晶顯示屏和矩陣鍵盤組成。TFTLCD液晶顯示屏為顯示模塊，是現階段唯一在功耗、壽命、對比度等綜合性能上全面超過CRT的顯示器件，它的性能優良、顯示質量高、適用范圍廣，可以更好的顯示多種信息。操作模塊為4×4矩陣鍵盤設定的功能按鍵，通過單片機與TFTLCD液晶顯示屏結合，節省了IO口，提高了人機交互的效率。

3 軟件設計

■3.1 校準模式

本設計具有兩種運行模式，分別為校準模式和測量模式。根據電容公式(1)可知，周圍環境情況對于電容值具有一定的影響，而不同場合的環境情況各有不同，因此裝置在測量紙張時需要預先適應校準當前的環境，即先采集處理不同紙張對于當前環境下的電容值并保存，即為校準模式[4]。

■3.2 中值濾波算法

中值濾波是基于排序統計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術。中值濾波的基本原理為，把數字圖像或數字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的值接近于真實值，從而消除孤立的噪聲點。

本裝置中使用到的FDC2214模塊為28位的電容式傳感器，其對于極板間數據的感知非常靈敏，因此也導致采集到的電容值在一定范圍內不斷的跳變，即不穩定。鑒于上述特點，本設計在校準模式時先采集20個電容值，再采用中值濾波算法對這20個數據進行處理得到一個中間值，以此為有效值，存放在數組中；改變紙張數量，以相同的方法采集20個電容值過濾出一個有效值存放在數組中。通過此算法，有效的濾出了有效值，穩定了數據[5]。

■3.3 曲線擬合

經過多次測試分析發現，測量的紙張數量與采集到的電容值存在一種自然對數線性關系。測量記錄多組不同區間范圍的數據，再通過Excel軟件擬合得到紙張數量與電容值的曲線公式(2)，其中C為電容值，X為紙張數。因此，在電容值C已知的情況下，通過公式(3)可反推出對應的紙張數。

■3.4 夾逼算法

夾逼算法，就是將問題的解限制在某一數值范圍內，然后根據題意逐步縮小取值范圍，從而使問題獲解的一種方法。裝置進入測量模式測量紙張時，同樣先采集20個電容值，再經過算術平均濾波算法得到誤差最小的數值，以此為有效值，再使用夾逼算法找到該電容值與校準模式所采集到的數組里最相近的電容值，最后通過公式(3)反推出對應的紙張數。紙張測試流程圖如圖5所示。

圖5 紙張測試流程圖

4 系統測試

對本設計進行數據測試，把放入的紙張數及其測量的電容值與在不同環境下采用分區間測試的曲線擬合理論電容值作對比，結果如圖6所示。

圖6 曲線擬合圖

由檢驗測試知，本設計系統測得的測量值與理論計算值基本一致，進而得知該電容值經換算后可得出精準的紙張數值。為驗證系統穩定性上圖所示數據已經過多次測試，能說明該組數據為偶然性誤差的概率極小，以及本設計系統的穩定性良好。為簡化測量，只繪制了30張紙以內的測量數據，其測量結果與實際值基本一致，但隨著紙張數量的增加，電容值的變化幅度隨之減少，會影響測量準確性。同時，由于極板偏移、電路松動、環境溫濕度以及FDC2214電容傳感器的自身誤差等因素會造成測量誤差，實際測量100張紙內準確率達99%，大于100張會有些許偏差。為了減小誤差，需要裝置的結構更穩定，軟件算法更精準，以及盡量使裝置處于恒定的環境中工作。

5 總結

本文設計的紙張計數裝置結構簡單，操作便捷，且帶有液晶顯示和語音播報功能。程序設計了自校準功能，可根據不同紙質和不同環境自動校準，實現精準紙張計數。本裝置還帶有短路保護，短路時會進入中斷停止工作，提高了裝置的安全性。本裝置可快速測量紙張數目且不損傷紙張，生產成本低，有一定的應用價值，可投入生產使用。