基于電容傳感器的紙張計數(shù)儀設(shè)計①

白彩波，余紅英，庾 虔

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

印刷業(yè)和包裝業(yè)需要對大量紙張進行精確計數(shù)，快捷、精確的紙張計數(shù)方法可以大大提高工廠生產(chǎn)效率。目前工業(yè)生產(chǎn)中，普遍采用的計數(shù)方法是人工計數(shù)法和機械設(shè)備計數(shù)法。人工計數(shù)法主要有人工點數(shù)和電子磅稱重，人工點數(shù)速度慢、效率低，電子磅稱重誤差大；機械設(shè)備計數(shù)采用機械結(jié)構(gòu)自動翻頁計數(shù)，典型應(yīng)用如驗鈔機，提高了效率和準確性，但易造成紙面磨損、且設(shè)備體積龐大、計數(shù)過程中噪音較大。隨著計算機等行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于圖像處理或者機器視覺的紙張計數(shù)新方法，該方法采用非接觸方式進行測量，測量精度較高，但技術(shù)難度大、成本較高，目前沒有被大規(guī)模推廣使用[1-3]。為了實現(xiàn)紙張快速、無損、精確計數(shù)，利用紙張厚度和電容之間的關(guān)系，設(shè)計了一種基于電容傳感器的紙裝計數(shù)裝置，旨在為紙張快速、精確、無損計數(shù)提供一種新的方法。

1 紙張計數(shù)儀設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與檢測原理

紙張計數(shù)儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含亞克力支架、電容傳感器、單片機、語音模塊等。電容傳感器下極板銅片固定在亞克力板上置于裝紙盒內(nèi)，上極板銅片固定在活動亞克力板上，活動亞克力板厚5mm，測量時用于壓緊被測紙張。

圖1 紙張計數(shù)儀結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括單片機控制模塊、電容傳感器、電源模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等。

測試時將已知張數(shù)n(n=1,2,3，…)的紙張，裝入亞克力盒內(nèi)，蓋上上極板，使兩塊極板銅片構(gòu)成平行極板電容器，經(jīng)FDC2214電容傳感器芯片檢測后，利用I2C總線傳輸至STM32F103單片機，進行數(shù)據(jù)分析和處理，并將獲得的紙張標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲在W25Q128存儲模塊；標(biāo)定完成后，放入未知數(shù)量的紙張后，采集電容傳感器數(shù)值，并與標(biāo)定的數(shù)據(jù)作比較測量，從而得到準確的紙張數(shù)量；計數(shù)儀的信號顯示和輸入模塊采用TFT液晶觸摸屏，用于計數(shù)儀功能選擇和紙張數(shù)量顯示；YS-SYN6288合成語音模塊用于紙張數(shù)量語音播報，相比文字交互方式更加方便快捷。

圖2 紙張計數(shù)儀模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 信號檢測關(guān)鍵模塊設(shè)計

1.2.1 平行極板電容器設(shè)計

紙張計數(shù)儀采用平行極板電容傳感器，它由兩塊平行金屬板組成，尺寸為50mm×50mm。金屬板采用導(dǎo)電性好、溫度系數(shù)較小的紫銅，為減小邊緣效應(yīng)，銅板厚度僅為0.8mm。兩個極板分別引出兩條導(dǎo)線用于和電容傳感模塊連接，為避免共模干擾和分布電容的影響，平行極板采用差分方式接入，導(dǎo)線選用同軸屏蔽電纜[4,5]。

當(dāng)兩極板間置于不同數(shù)量紙張時，極板間距離發(fā)生改變，構(gòu)成變極距型電容傳感器。如圖3所示，A為可動上極板，B為固定下極板，ε0為真空介電常數(shù)，εr為紙張的介電常數(shù)。當(dāng)可動上極板因紙張數(shù)量變化而上下移動時，兩極板之間的距離d隨即改變，從而使電容量C0發(fā)生變化[6]。設(shè)當(dāng)兩極板距離為d時，則

(1)

由式(1)可知，傳感器輸出的電容值C0與極板之間的距離d有關(guān)，而紙張數(shù)量n與極板距離呈正相關(guān)，由此通過測量極板間電容值C0，可間接得到紙張數(shù)量n。

圖3 變極距式電容傳感器原理圖

1.2.2 傳感芯片的選型及檢測原理分析

與常見采用大量通用器件搭建測量前置電路檢測微小電容相比，采用TI公式的FDC2214芯片進行微小電容檢測，大大的簡化了電路，增強了檢測的準確性。FDC2214的轉(zhuǎn)換速率可達13.3ksps，傳感器激勵頻率范圍為：10kHz到10MHz，分辨率高達28位，而且在高速的狀態(tài)能保持非常高的分辨率，完全可滿足紙張計數(shù)裝置對精度的要求。

FDC2214是基于RLC并聯(lián)諧振電路的原理檢測電容，將電容C0接入作為振蕩回路的一部分，如圖4所示。與被測電容C0相并聯(lián)的電感和電容元件，典型選擇是18μH和33pF，當(dāng)被測量變化使傳感器電容C0改變時，F(xiàn)DC2214內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的諧振頻率(fSENSORx)也隨之改變，如公式(2)所示。

(2)

圖4 電容傳感器原理圖

FDC2214電容傳感器不直接輸出諧振頻率，而是輸出一組28位的數(shù)據(jù)DATAx用Dx表示，單片機通過I2C接口讀取該數(shù)據(jù)，依據(jù)公式即可求出諧振頻率，如公式(3)所示：

(3)

其中：fREFx為通道的參考頻率，為固定值

綜上，即可建立極板間距離d與傳感器輸出值Dx之間的理論關(guān)系如公式(4)所示：

(4)

則

(5)

1.3 算法設(shè)計

在設(shè)計過程中為了得到穩(wěn)定和準確的傳感器響應(yīng)值，系統(tǒng)采用中位值平均濾波法。測試時，利用單片機快速讀取傳感器響應(yīng)值100次，將測量數(shù)據(jù)按大小順序排列，前后各去掉40個數(shù)據(jù)，對中間20個數(shù)據(jù)取平均值，作為該點傳感器響應(yīng)值。該方法可有效消除脈沖干擾所引起的采樣值偏差[7]。

1.4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編程，軟件主程序如圖5所示。程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計，包含：“自校準”模式、“測試”模式、“設(shè)定參數(shù)”模式和“低功耗息屏”模式，通過觸屏選擇系統(tǒng)工作模式。“自校準”模式利用已知數(shù)量n(n=1,2,3……)的紙張對系統(tǒng)進行標(biāo)定，單片機采集傳感器輸出數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理，標(biāo)定n張紙所對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)間，存入數(shù)據(jù)存儲模塊；“測試”階段，測試數(shù)據(jù)與已獲得的標(biāo)定區(qū)間進行匹配得到測量結(jié)果，顯示并語音播報紙張數(shù)量；“設(shè)定參數(shù)”模式，主要功能為更改最大自校準紙張數(shù)；“低功耗息屏”模式，當(dāng)計數(shù)儀暫時不使用時，系統(tǒng)進入息屏狀態(tài)，降低功耗。此外，檢測儀具有短路報警功能，當(dāng)兩極板短路時，通過蜂鳴器和LED燈閃爍進行報警處理，用于紙張計數(shù)儀自檢。

圖5 軟件系統(tǒng)流程圖

2 試驗與結(jié)果分析

紙張數(shù)量不同，平行板電容傳感器的輸出數(shù)據(jù)不同。利用被測電容傳感器輸出與標(biāo)定的已知信號相比較確定被檢紙張數(shù)量。試驗前利用短路報警功能對計數(shù)儀進行自檢，確認系統(tǒng)正常工作。

2.1 傳感器輸出值與紙張數(shù)量關(guān)系研究

已知傳感器輸出值與極板間距之間的關(guān)系如公式5所示，假設(shè)每張紙的厚度均一致為d0，則n張紙的總厚為dn=n×d0，如果將n張紙放置在電容兩極板之間，兩極板的距離為d，理想狀態(tài)下，認為dn=d；但考慮紙張之間有空隙、上極板壓力大小或不同操作者放置紙張等影響因素，紙張總厚度dn和極板間距離d并不相等，無法直接給出兩者數(shù)量關(guān)系。

為了探討紙張數(shù)量與電容傳感器輸出值之間的關(guān)系，將1～100張標(biāo)準A4紙依次放入裝紙盒，通過單片機TFT液晶屏讀出傳感器響應(yīng)值。實驗可得，紙張數(shù)量和電容傳感器輸出值關(guān)系圖如6所示，其中橫坐標(biāo)為紙張數(shù)量，縱坐標(biāo)為電容傳感器輸出數(shù)據(jù)。由圖6可看出，傳感器輸出數(shù)據(jù)隨被測紙張數(shù)量增加而增加，當(dāng)紙張數(shù)量接近100張時，傳感器響應(yīng)值逐漸接近，傳感器靈敏度下降，故對紙張數(shù)量的區(qū)分度也相應(yīng)地有所降低，故可認為該臺紙張計數(shù)儀的單次有效測量范圍上限為100張紙左右。紙張數(shù)量與電容傳感器的響應(yīng)值沒有明確的函數(shù)關(guān)系，故無法運用擬合算法[8]，因兩者在有效測量范圍內(nèi)，呈正相關(guān)，故采用區(qū)間標(biāo)定法，對儀器進行標(biāo)定后，再進行未知數(shù)量的紙張數(shù)量檢測。

2.2 儀器的標(biāo)定

將設(shè)備上電，確認正常工作后，由同一個人員，將30頁A4紙，放入裝紙盒內(nèi)，在重復(fù)性條件下測量200次，數(shù)據(jù)分析如圖7所示。在試驗中，響應(yīng)值介于平均值中間區(qū)間的最多，頻次為50，測量數(shù)據(jù)集中落在中間區(qū)域塊內(nèi)。可知，該設(shè)備測量結(jié)果穩(wěn)定性較好，主要是隨機誤差影響樣本的數(shù)據(jù)分布情況[9]。

紙張區(qū)間標(biāo)定，在裝紙盒內(nèi)依次放入n(n=1,2,3……130)張紙，系統(tǒng)記錄經(jīng)中位值平均濾波算法處理后得到的數(shù)值Dn，依據(jù)測量結(jié)果將n(n=1,2,3……130)張紙的傳感器響應(yīng)值區(qū)間標(biāo)定為，存入數(shù)據(jù)存儲模塊。

2.3 紙張數(shù)檢測

計數(shù)儀標(biāo)定之后，單片機選擇測量模式即可進行紙張數(shù)量測試。在兩極板之間放入未知數(shù)量的被測紙張，一鍵啟動測量，無任何人工干預(yù)，得到測試結(jié)果如表1所示。

表1 紙張數(shù)測試結(jié)果

圖6 紙張數(shù)量與電容傳感器輸出值的關(guān)系

試驗結(jié)果表明，研制的基于電容傳感器的紙張計數(shù)儀，紙張測量數(shù)量在(1～120)張時，測量精度較高、無誤差，當(dāng)超過120張時誤差在1%以內(nèi)；檢測響應(yīng)時間均小于2s，基本滿足高精度快速測量的設(shè)計要求。

3 結(jié) 語

利用銅片及FDC2214芯片構(gòu)成電容傳感器及檢測電路，采用STM32單片機作為數(shù)據(jù)檢測與處理系統(tǒng)，設(shè)計了基于電容傳感器的紙張計數(shù)儀，提出了一種簡單快捷的紙張檢測計數(shù)的新方法。試驗表明：當(dāng)被測紙張在(1～120)張時，該系統(tǒng)測量精度高，穩(wěn)定性較好；當(dāng)測量紙張數(shù)過大時，傳感器分辨率降低，準確度變差。

后續(xù)對該套裝置的硬件和有效測量范圍之間的關(guān)系以及先進算法應(yīng)用上可做繼續(xù)研究，從而通過硬件設(shè)計及軟件優(yōu)化進一步提升裝置的有效測量范圍和測量準確度。