電容式薄膜計(jì)數(shù)器

相釗，蔡耘韜，陳志明

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山，528231）

0 引言

隨著電子設(shè)備的智能化，人機(jī)交互計(jì)數(shù)成為當(dāng)前電子信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的重要方向。在傳統(tǒng)的測(cè)量的方法中，有人工計(jì)數(shù)薄膜的測(cè)量方法，但是該方法效率低下，不適合大規(guī)模的測(cè)量，隨著的增加，出錯(cuò)率也會(huì)增加，還有一種是直接側(cè)面拍照法，它是通過對(duì)所測(cè)的側(cè)面進(jìn)行拍照，然后依據(jù)頁(yè)與頁(yè)的邊緣線數(shù)量來計(jì)算數(shù)量，不僅取決于所選攝像頭的像素高低，還與圖像處理技術(shù)有很大關(guān)系，往往測(cè)量的準(zhǔn)確度達(dá)不到測(cè)量要求。為了實(shí)現(xiàn)更高精度與更快時(shí)間的要求，本設(shè)計(jì)采用一種基于FDC2214電容傳感器數(shù)量測(cè)量的系統(tǒng)。由電容傳感器芯片采集不同數(shù)量的電容值信息,將數(shù)字化頻率值通過I2C送入STM32F4單片機(jī)中進(jìn)行處理,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的模型,進(jìn)行數(shù)字處理，從而將電容值信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)量,實(shí)現(xiàn)測(cè)量不同數(shù)量的功能。

1 項(xiàng)目概述

計(jì)數(shù)器，其核心部分為電容值得測(cè)量，根據(jù)研究的初期方法，測(cè)量電容值的方法采取的是全波整流電路，其中全波整流電路是自主設(shè)計(jì)的，各元器件參數(shù)均要通過理論分析與實(shí)際測(cè)量得出，電容測(cè)量的性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)電路密切有關(guān)，設(shè)計(jì)電路抗干擾能力越好，則輸出結(jié)果越準(zhǔn)確。隨著研究的不斷深入及發(fā)展，電容式薄膜計(jì)數(shù)器要求電容采集模塊高精度、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、與單片機(jī)通訊方式簡(jiǎn)單，因此目前制作電容式計(jì)數(shù)器大多數(shù)都采用TI公司的FDC2214 電容值測(cè)量模塊來測(cè)量電容值得變化。此FDC2214模塊具有多通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可對(duì)噪聲和干擾進(jìn)行高度抑制，同時(shí)在高速條件下提供高分辨率。

壓薄膜方案則采用25mm厚輕透明亞克力板上固定雙面覆銅板，上層亞克力板給予固定壓力，利用 FDC2214 測(cè)量不同數(shù)兩極板之間電容值。 經(jīng)過擠壓，與之間空腔消失，且不會(huì)受到放置方式和輕微變形的影響，同時(shí)重塊壓制后的數(shù)據(jù)變化明顯，規(guī)律明顯。通過軟件構(gòu)建數(shù)學(xué)模型后，得到準(zhǔn)確的回歸方程。

圖2 LM2596S-ADJ電源模塊原理圖

數(shù)據(jù)分析處理模塊則選擇單片機(jī)來與電容檢測(cè)模塊通訊，將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對(duì)極間電容值與相應(yīng)數(shù)量通過軟件構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，得到電容值與數(shù)量的函數(shù)關(guān)系式及圖像。

目前電容式計(jì)數(shù)器作品是較為成熟，但是能夠同時(shí)滿足其他薄膜領(lǐng)域測(cè)量的并不多，因此電容式薄膜計(jì)數(shù)器會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

■ 2.1 電源設(shè)計(jì)

項(xiàng)目降壓模塊使用LM2596S-ADJ作為降壓芯片，參照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際需要進(jìn)行器件的選型，通過電位器實(shí)現(xiàn)電壓值的輸出調(diào)節(jié)，該模塊可實(shí)現(xiàn)2 07~22 3V穩(wěn)定電壓輸出，使用LED燈的亮滅表示該降壓模塊是否處于工作狀態(tài)。

圖3 LM2596S-ADJ電源模塊PCB

■2.2 傳感器FDC2214模塊設(shè)計(jì)

FDC2214模塊具有多通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可對(duì)噪聲和干擾進(jìn)行高度抑制，同時(shí)在高速條件下提供高分辨率。其傳感平面，即為導(dǎo)體材質(zhì)，當(dāng)薄膜接近該導(dǎo)體傳感平面時(shí)，傳感端的電容發(fā)生了變化，這就會(huì)導(dǎo)致LC電路振蕩頻率的變化，進(jìn)而可用于對(duì)極板間一定數(shù)量的薄膜進(jìn)行電容檢測(cè)，從而反映出薄膜的變化，以及數(shù)量的判定。

圖4 FDC2214模塊原理圖

圖5 FDC2214模塊PCB圖

■ 2.3 程序設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是通過I2C建立與STM32F4內(nèi)核的通信，利用串口通信進(jìn)行電腦與單片機(jī)的聯(lián)系，首先，初始化FDC硬件，I2C，和串口等設(shè)施，然后讀取FDC硬件的地址為0x7E和0x7F的ID，判斷FDC2214與STM32通信是否正常，如正?？砷_始讀取通道數(shù)據(jù)，通過讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，然后手動(dòng)測(cè)試增加薄膜數(shù)量后的電容值的數(shù)據(jù)，并記錄到數(shù)組中進(jìn)行匹配。其設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)流程圖

該設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控芯片，通過STM32中的I2C通信協(xié)議進(jìn)行測(cè)量，電容采集裝置使用的是FDC2214電容傳感器裝置，通過兩極板測(cè)量不同，我們使用的是多通道的FDC2214，其電容計(jì)算公式如下所示：

其中，C為并聯(lián)傳感器電容。

FDC2214傳感器頻率如下所示：

其中，DATAx為DATA_CHx寄存器的轉(zhuǎn)換值。

I2C通信的寫時(shí)序和讀時(shí)序圖如圖7~圖8所示。

圖7 I2C寫寄存器時(shí)序（來源于FDC2214芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)）

圖8 I2C讀寄存器時(shí)序（來源于FDC2214芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)）

程序設(shè)計(jì)方框圖如圖9~圖10所示。

圖1 項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)框圖

圖9 寫程序框圖

圖10 讀程序框圖

FDC2214通過I2C協(xié)議會(huì)給單片機(jī)進(jìn)行反饋，通過串口顯示到計(jì)算機(jī)屏幕上，然后每當(dāng)放一張薄膜的時(shí)候就記錄多組數(shù)據(jù)，通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控范圍，每次測(cè)量100組數(shù)據(jù)，然后打印出一張薄膜會(huì)出現(xiàn)的范圍，然后去掉頭和尾部的10組數(shù)據(jù)，取最佳范圍依次增加的數(shù)量進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)的范圍，以此類推，當(dāng)?shù)玫较喈?dāng)大的數(shù)據(jù)量后，找出每增加一張的電容值會(huì)變化多少的差值范圍，由于兩極板間硬件的誤差太大，我們于是采用每次增加3張，以此測(cè)出來的效果為最佳。

又因?yàn)槊看畏诺臅r(shí)候，不能保證兩極板間的完全平行，所以實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)誤差，于是我們采用自動(dòng)學(xué)習(xí)功能，每次開機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)分別對(duì)五張，十張，十五張，進(jìn)行校對(duì)參數(shù)，根據(jù)平行板電容器計(jì)算公式 C=εS/4πkd 校準(zhǔn) k 值，于是可以更好的進(jìn)行因?yàn)榉N類等等原因的測(cè)量。然后經(jīng)過測(cè)量出大量的數(shù)據(jù)后，使用軟件繪圖，找出最具概率性的電容差別值。

圖11 程序設(shè)置原理框圖

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過多次測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，共統(tǒng)計(jì)0~50張薄膜各30個(gè)數(shù)據(jù)，處理得出數(shù)據(jù)圖表如表1所示。

表1 處理后測(cè)試數(shù)據(jù)

27361968 27375883 27198793 27333833 27190421 27202290 27214134 27375031 27182904 27333236 27188378 27200067 27235463 07 27375321 97 27188953 03 27333525 93 27189249 8 27201754 33 11 12 13 14 15 16 27458881 27413782 27420553 27421028 27421206 27262307 27404865 27406986 27416184 27420380 27420502 27249688 27434108 1 27411497 23 27416628 37 27420738 87 27420833 17 27255873 47 17 18 19 20 21 22 27449683 27477319 27473718 27473321 27465973 27449657 27447863 27466973 27465922 27472918 27465275 27444865 27448516 1 27467906 1 27472473 27473115 97 27465693 23 27447289 1 23 24 25 26 27 28 27444865 27446812 27448561 27449734 27443911 27211335 27444013 27446338 27445160 27447837 27442840 27208362 27444352 5 27446685 23 27448143 63 27448410 7 27443678 33 27209521 5 29 30 31 32 33 34 27207291 27232572 27262078 27280465 27194324 27426825 27204817 27230649 27249615 27271797 27031051 27426223 27206386 27 27232203 5 27254560 67 27278434 93 27165974 07 27426573 27 35 36 37 38 39 40 27435768 27436915 27432072 27435044 27447037 27441290 27435044 27435320 27271174 27434519 27440368 27440842 27435399 93 27436356 37 27288665 43 27434878 97 27441947 67 27441074 87 41 42 43 44 45 46 27439618 27441739 27438670 27441367 27441265 27441566 27438868 27439964 27438241 27441066 27440816 27440938 27439301 27 27440235 67 27438456 93 27441246 1 27441085 83 27441379 23 47 48 49 50 27441566 27467075 27475640 27440740 27440938 27466550 27473693 27206664 27441379 23 27466820 27474457 97 27432737 47

圖12 整體數(shù)據(jù)圖

圖13 最大值數(shù)據(jù)圖

圖14 最小值數(shù)據(jù)圖

圖15 平均值數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

外界條件是引起測(cè)量誤差的重要因素。外界條件，如測(cè)量極板夾緊程度、溫度、濕度等因素，在一定程度上使得測(cè)量值存在一定的偏差，與之間真實(shí)值存在一定誤差。因此，保持相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境是十分重要的，即每次測(cè)量時(shí)需要將這些外界因素的值控制在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

通過多次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)單次測(cè)量效果好，每種數(shù)量的測(cè)量誤差小，但是略有瑕疵，測(cè)量時(shí)不能使得每次測(cè)量極板的夾緊程度保持一致，在測(cè)量上實(shí)現(xiàn)效果好，但夾持薄膜方面還有待改進(jìn)。