基于芯片電容變化的紙張計(jì)數(shù)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊金糧，趙劍峰，朱志揚(yáng)，朱 瑛

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100）

0 引言

紙張計(jì)數(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中常見的操作，相關(guān)企業(yè)為了準(zhǔn)確掌握貨品的庫存情況，需要對紙張進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，研究出一種新的基于高效、無噪聲、對紙張基本無損害的紙張自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)顯得尤為重要。目前，在紙張計(jì)數(shù)方式、紙張計(jì)數(shù)算法等方面，國外的研究成果大部分以專利形式呈現(xiàn)出來［1-2］。國內(nèi)也做了較多研究，李榮旺［3］根據(jù)筆尖劃過一疊錯(cuò)開的紙的邊緣時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一組聲音脈沖，利用單片機(jī)AT89S52針對聲音脈沖組進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此來確定紙張數(shù)目。楊丹君等［4］從板紙圖像的列灰度特征出發(fā)，找到紙張間隙灰度變化的跳變點(diǎn)，根據(jù)所找到的跳變點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)。胡名雨［5］從紋理圖像分析的角度來進(jìn)行研究，將層疊紙張邊棱條紋看作條紋紋理，對紙張邊棱的傾斜校正進(jìn)行研究。單片機(jī)是一種智能控制器件，可實(shí)現(xiàn)弱電之間的互聯(lián)通信，信號傳輸。自20世紀(jì)90代以來，單片機(jī)技術(shù)得到長足發(fā)展，目前已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本方案提出以電容的變化代替紙張數(shù)量的變化，并將其轉(zhuǎn)化為頻率信號返回至單片機(jī)，通過輸出頻率來計(jì)量紙張數(shù)量。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于低功耗、低成本且高分辨率的電容式傳感，由于放入紙張數(shù)量的不同，其相應(yīng)的電容大小也會(huì)有所區(qū)別，特選定以電容的變化代替紙張數(shù)量的變化的設(shè)計(jì)方案。利用電容變化明顯、精度較高的FDC2214驅(qū)動(dòng)芯片可測出電極鐵片上的電容，選用具有完善的保護(hù)電路、電流限制及熱關(guān)斷電路且不受環(huán)境影響的穩(wěn)壓芯片LM2596給驅(qū)動(dòng)供電，將5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V，然后給驅(qū)動(dòng)供電并測出電極鐵片上的電容，并將其轉(zhuǎn)化為頻率信號返回至單片機(jī)，計(jì)算輸出得到輸出頻率，通過XS128單片機(jī)開發(fā)環(huán)境和CodeWarrior平臺編程設(shè)計(jì)相應(yīng)算法，以此來計(jì)量放入兩極板之間的紙張數(shù)量。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電容測量單元電路設(shè)計(jì)

本單元電路主要是基于FDC2214驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電容測量。首先，將兩極板所對應(yīng)的電容值通過導(dǎo)線并依循IIC通信連接至芯片讀取端口。其次，利用均值濾波以減少誤差，進(jìn)而判斷出放入不同紙張數(shù)量時(shí)的電容變化。最后，以頻率形式輸出到抗干擾較好的XS128單片機(jī)，選用LCD1602字符型液晶顯示器顯示紙張數(shù)量。給FDC2214串口轉(zhuǎn)接模塊供電后，若模塊紅色指示燈亮，說明芯片已經(jīng)配置成功，此時(shí)則可通過單片機(jī)的串口讀取數(shù)據(jù)。FDC2214電容傳感器電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

2.2 變壓穩(wěn)壓單元電路設(shè)計(jì)

為使測量數(shù)據(jù)更加可靠與穩(wěn)定，同時(shí)考慮到FDC2214驅(qū)動(dòng)的最佳工作電壓為3.3 V，而單片機(jī)的輸出電壓為5 V，故選用具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷路等優(yōu)點(diǎn)的LM2596芯片調(diào)整電壓。使用穩(wěn)壓LM2596芯片，不僅可使FDC2214驅(qū)動(dòng)處于最佳工作狀態(tài)，還可避免測量數(shù)據(jù)因供電電源不穩(wěn)定而發(fā)生波動(dòng)的情況發(fā)生。變壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

2.3 功能模塊的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 按鍵模塊設(shè)計(jì)

采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)鍵單獨(dú)占有一個(gè)I/O接口線，每個(gè)I/O口的工作狀態(tài)互不影響，鍵盤采用端口直接掃描方式。編程時(shí)采用鍵盤掃描函數(shù)，不僅容易實(shí)現(xiàn)，且電路設(shè)計(jì)簡單。

2.3.2 顯示模塊設(shè)計(jì)

從亮度、功耗以及刷新速率等方面考慮，選用當(dāng)前被廣泛使用的LCD1602字符型液晶顯示器作為顯示模塊。該模塊能夠顯示英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字和一般性符號。LCD1602液晶模塊的讀/寫操作、顯示屏和光標(biāo)的操作均可通過指令編程來實(shí)現(xiàn)，LCD1602與單片機(jī)的連接采用直接控制方式。

2.3.3 自校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

考慮到不同種類的紙張厚度或介電常數(shù)等特性可能存在差異，因此，設(shè)計(jì)了自校準(zhǔn)模塊來克服這種誤差。操作步驟如下。

（1）在正式測量紙張數(shù)量之前，按事先程序中所設(shè)計(jì)的按鍵，進(jìn)入自校準(zhǔn)模式。

圖2 電路設(shè)計(jì)原理

（2）在兩極板間放入10張A4復(fù)印紙與需測紙張種類完全一致的紙。

（3）等待2秒，待系統(tǒng)記錄該數(shù)據(jù)后按下確定鍵。（4）退出自校準(zhǔn)模式，進(jìn)入測量模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)分為自校準(zhǔn)模式和測量模式。開機(jī)后，系統(tǒng)首先調(diào)用各個(gè)硬件模塊的初始化程序，進(jìn)行初始化，包括液晶屏幕、單片機(jī)模式以及程序的變量。如果各模塊均正常，按鍵則進(jìn)入自校準(zhǔn)模式，自校準(zhǔn)模式的自校準(zhǔn)量為10張紙的數(shù)據(jù)。若未進(jìn)行初始化操作，則測量的所有數(shù)據(jù)，都是被自校準(zhǔn)量修正過的，倘如進(jìn)行初始化操作，則自校準(zhǔn)量清零，需要進(jìn)入自校準(zhǔn)模式重新進(jìn)行賦值。自校準(zhǔn)完成后，按鍵退出自校準(zhǔn)模式，進(jìn)入測量模式，將所測紙張對齊后放入測量區(qū)（兩極板之間），隨后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)在液晶屏上的同時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲作為提示。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測量及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 理論值

用軟件EWB搭建出所用電路，以數(shù)字示波器MSO2302A代替單片機(jī)接在驅(qū)動(dòng)兩端，可測得輸出端頻率。

4.2 實(shí)物圖

硬件實(shí)物如圖5所示，圖中數(shù)字1表示極板及A4紙的置放處，數(shù)字2表示為XS128單片機(jī)，數(shù)字3表示FDC2214電容傳感器，數(shù)字4、5表示LM2596穩(wěn)壓模塊，其中作用是給電容傳感器穩(wěn)壓以及給單片機(jī)穩(wěn)壓。

4.3 實(shí)測值

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

圖5 硬件實(shí)物

用Altium Designer 10制作電路原理圖（參見圖2、圖3）和PCB，雕刻出電路板；用函數(shù)發(fā)生器DG-4202輸入有效值為5 V、頻率為1 kHz的正弦信號，經(jīng)FDC2214驅(qū)動(dòng)后連接到數(shù)字示波器觀察其頻率值以及波形的穩(wěn)定性，同時(shí)可測得輸出端頻率。

4.4 結(jié)果分析

為了說明設(shè)計(jì)方案的可行性，對40組A4復(fù)印紙紙張數(shù)n與頻率Ω的理論值和實(shí)測值進(jìn)行了比較，如圖6所示。由圖可知，該設(shè)計(jì)方案受環(huán)境的影響較小，雖然剛開始理論值和實(shí)測值最大有一定的誤差，但隨著紙張數(shù)的增加，理論值和實(shí)測值吻合良好，說明本裝置精確度較高，可有效測試出紙張數(shù)量。

5 結(jié)論

（1）本文的算法均在MC9S12XS128單片機(jī)開發(fā)環(huán)境和CodeWarrior平臺編程實(shí)現(xiàn)。整套算法流程計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、魯棒性強(qiáng)。

（2）程序中還含有自校準(zhǔn)功能，可根據(jù)不同紙質(zhì)自行調(diào)較，使結(jié)果更加精確。

（3）在電路出現(xiàn)短路等故障時(shí)，有中斷保護(hù)程序，從而提高了電路的安全性。

（4）設(shè)計(jì)方案受環(huán)境的影響較小，裝置精確度較高，理論值和實(shí)測值吻合良好。

圖6 紙張數(shù)n與頻率Ω的關(guān)系曲線