基于單片機的紙張檢測設計

徐昊，何遠綱

（重慶電力高等專科學校，重慶，400053）

0 引言

隨著現代社會科技的不斷發展，印刷業和造紙業衍生出許多的行業。出版、包裝作為加工服務行業，具有一定的文化產業屬性，在現代文化的建設中發揮著重要作用，是經濟組成的重要部分。無論是包裝用紙、印刷用紙、文化用紙還是生活用紙都需要經過工廠加工然后才能進入市場被人們所購買使用。由此可見隨著各種紙張用量的增長，紙張測量的重要性也隨之體現。紙張數量的檢測跟企業經濟效益密切相關。我們都知道采用人工檢測會出現很多問題比如為了確保工作量的完成需要花費大量的時間檢測，同時也使長時間從事這一工作的員工出現視覺疲勞、檢測速度下降等問題。那么準確性就必然會受到影響。這種速度慢、效率低的檢測方式會讓生產廠家流失許多訂單經濟效益就會下降。為了在實現自動化需求的同時降低紙張檢測過程中的噪聲。因此設計出噪聲小、誤差小、方便快捷的自動化紙張檢測裝置。

1 系統設計

本儀器設計主要由等效電容電路、控制電路、顯示電路和單片機組成。其中等效電容電路利用了兩塊極板之間電容值會隨著放入的紙張數量的不同而相應發生的變化。該測量的裝置是用STM32 單片機系統作為主要核心測量控制元件，由NE555 芯片構成振蕩器作為檢測模塊，連接兩個極板來感應紙張數量變化。NE555 振蕩器輸出一個矩形波，該輸出波形會隨著極板內紙張數量的改變而改變。由紙張數量發生改變后(極板中間的介質發生改變)而引起產生的極板電容參數變化信號通過按鍵將電容參數變化錄入STM32 單片機中通過程序運算處理后并根據此計算得到紙張數量，通過顯示模塊顯示測量出的紙張數量。系統的設計總框圖如圖1 所示。

圖1 系統設計框圖

圖2 NE555 模塊電路

2 硬件設計

■2.1 主控模塊

本紙張測量裝置需要能準確測量出紙張數量，這就對于運算能力有一定的要求，主要控制芯片采用低成本、高精度、微型化的STM32F103C6T6 單片機。這個單片機處理器的最大工作頻率可達72MHz，運算能力比較好。主控模塊使用普通的USB 接口供電，由于數據線一般都是5V電源，但是一般單片機都是3.3V 供電所以主控模塊采用STM32F103C6T6 單片機自帶降壓電路可以將5V 電源輸入轉變為3.3V 穩定電壓，不會因為電壓過高燒壞芯片。

■2.2 NE555 檢測模塊

在此次設計中，使用NE555 定時器和外部元件兩個電阻器（R1 和R2）、一個二極管（R3）和一個電容器（C1）組成一個振蕩電路，用于產生脈沖波形。由于該電路沒有穩定狀態，只有兩個瞬態恒定狀態，因此電路不需要外部連接其他觸發信號。平行板的一個極板接NE555 定時器的2 腳和6 腳，另一個極板接地；NE555 的7 腳和6 之間接200k的電阻和二極管1N5817；8 腳和4 腳連在一起；8 腳（4 腳）經200k 電阻和7 腳相連；1 腳接地、5 腳通過0.01μF 的電容接地；3 腳輸出矩形波[2]，該檢測模塊會根據不同的紙張數量從而產生不同的波形。

■2.3 顯示模塊

我們使用的顯示模塊是一個由SSD1306 芯片驅動的0.96 英寸OLED 屏幕。我們所用的顯示模塊是四線的OLED模塊。四根導線包括VCC 電源輸入引腳、GND 接地引腳、SCL 時鐘輸入引腳和SDA 數據輸入/響應輸出引腳，SCL連接單片機的PB6 腳，SDA 連接單片機的PB7 腳。四線OLED 用的是I2C 協議。

I2C 是串行同步通訊總線協議。I2C 串行總線含2 根信號線：串行數據線SDA和串行時鐘線SCL，兩根線都是雙向的，輸出電路用于將數據傳輸到總線，輸入電路用于從總線接收數據。執行數據傳輸時主機和從機的關系不恒定。主機用于啟動總線傳輸數據，產生START起始條件和STOP 停止條件，發送設備地址并產生時鐘信號[2]。當SCL 穩定在高電平時，SDA 從高變低生成起始位，而從低變高生成停止位。啟動位和停止位均由主設備I2C 生成。選擇從設備時，如果從設備使用7 位地址，則傳輸過程開始之前，主設備必須發送1 字節地址信息。前7 位是設備地址，最后1 位是讀寫標志。之后從MSB 開始傳輸數據每次都是1 字節。每個字節傳完后，在SCL 第9 個上升沿到來之前，接收方應該發出1 個ACK 位。SCL 時鐘脈沖由I2C 主控方發出，在第8 個時鐘周期后，主控方會釋放SDA。時序圖如圖3 所示。

圖3 I2C 協議時序圖

圖4 程序流程圖

圖5 系統調試實物圖

3 程序設計

由NE555 定時器和電阻、金屬極板及紙張構成的電容組成一個多諧振蕩器輸出矩形波，單片機通過測量矩形波周期得到頻率，通過公式的計算進而得到電容值參數，計算出最終的紙張數目。電容計算公式如下：

其中C為電容值、ε 為極板間的介電常數、k為靜電力常數、d為極板間的距離[5]。紙張的變化改變了d（極板間的距離）因為放的紙張數量的不同，造成了極板間距離的變動。連接電源后,首先需要進行校準，按下按鍵1 進入校準模式,把A4 紙放進檢測裝置里面,獲取電容并且錄入每增加一張紙而產生的數據，數據錄入完成后,按下按鍵2 開始測量程序，通過查表得到當前紙張數量,再通過屏幕顯示紙張數量。程序設計采用了C 語言編寫，便于修改和擴充，而且C 語言編譯可以自動完成變量的存儲單元分配。編譯軟件采用了Keil μVision5 創建HEX 文件。

4 系統調試

在本套設計方案整個過程調試中,需要不斷地重復測試進行大量數據的采樣運算以及各種精確數值計算，才能始終確保所計算出紙張數量結果的絕對正確性。最開始所用的測量模型是木板做成的木盒進行測量，當發現測量不準確時，想到的辦法是在電容模型上放置重物，使模型可以將紙張壓得更準確。但是因為錄入數據的時候，每次放置重物的位置不一樣，而重物并不好固定在模型上，造成了每一次測量出來的數據都不準確，不能更好地測量出具體的紙張數目。后來認為是模型中的兩根導線突出，使兩塊木板不能很好地閉合，想到了在木板上挖出可以放置導線的溝渠，但是在測量過程中木板還是存在不能完全閉合這個問題，測量不準紙張數目。進而改變測量模型，采用了塑料盒模型，利用塑料盒的上下蓋子，來使極板閉合在上方蓋子上放一塊木板重物使模型固定住，經過了多次的模型改進與搭建，最終可以具體地檢測出紙張的數目。

5 誤差分析

由表1 可以看出第一次測量不是很準確無法達到理想效果，這是因為第一次測量的時候采用木板做成的木盒進行測量，由于兩塊木板之間始終存在縫隙，導致兩塊極板始終不能完全嚴絲合縫。而且因為始終存在間隙，極板之間所夾帶的空氣也隨著紙張數量增加逐漸變得越來越多了，所以在每一次錄入數據的時候，都會選擇在上面加重物盡量將里面紙張的空氣排出，但試過很多不同的重物，由于在擠壓紙后紙張壓力增加對紙張介電常數值的產生影響的相對較大，都不能準確地測量具體數值。顯示屏上顯示的數量始終都在兩個數值之間跳動，變化非常明顯，并不能達到很好的效果。后面老師又給我們建議，在木板上修溝渠放導線減小導線對測量的影響，還是始終無法達到我們想要的效果，所以我們認為應該把導線放置在電容模型外，這樣測量的時候導線是在極板外面的不會因為紙張放下而導致測量不準，產生誤差。第二次測量我們就使用了塑料盒模型，把極板的一半的都放置在塑料盒外面，看看會不會使紙張測量得更加精確，因為有了之前失敗的案例，加上誤差分析，第二次塑料盒模型果然并沒有出現之前無法完全閉合的問題，所以我們就測量出來了具體的紙張測量數目。

表1 測量結果表

6 總結

對于印刷、造紙、包裝等許多行業同樣需要進行大量準確的自動清算點的紙張，而鑒于人工檢測為了確保工作量的完成需要花費大量的時間檢測，同時也使長期從事這一工作的員工出現視覺疲勞、檢測速度下降等問題。在此基礎上我們設計制作出了一種高效且準確可靠的自動化的紙張測量裝置，該測量裝置也是完全基于STM32 單片機，該測量裝置是可以快速而且準確地實時顯示計算出裝置當前自動放置的紙張數量。測試實驗結果均表明，本系列紙張計數檢測裝置能夠快速準確地測量紙張，解決人工檢測存在的問題，提高檢測效率。該檢測裝置具有結構簡單、生產方便、價格便宜等優點。該裝置不足之處在于斷電后會自動復位下次再次使用需要重新錄入數據。