基于單片機(jī)的紙張計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)

安曉莉

(西安思源學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710038)

0 引言

本文采用52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款紙張計(jì)數(shù)裝置，該裝置前端的兩塊50 mm×50 mm的平行板分別通過(guò)導(dǎo)線a和導(dǎo)線b連接到測(cè)量顯示電路，它可測(cè)量并顯示置于極板間的紙張的數(shù)量。

1 設(shè)計(jì)思路

從設(shè)計(jì)任務(wù)可知，前端的兩塊50 mm×50 mm的平行板構(gòu)成平行板電容器。改變兩塊板之間的紙的張數(shù)(電容器極板中間的介質(zhì)發(fā)生改變)，就會(huì)引起電容容量改變[1]。如果將此電容接到555定時(shí)器上構(gòu)成多諧振蕩器，電容量的改變就可以改變多諧振蕩器輸出脈沖的頻率。

如果采用52單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)200 m/s時(shí)間內(nèi)對(duì)555定時(shí)器輸出的振蕩脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算就可獲得振蕩脈沖的頻率。通過(guò)測(cè)試，將每增加一張紙所對(duì)應(yīng)的振蕩脈沖的頻率記錄下來(lái)，列成表格，在程序中通過(guò)取表的辦法獲得紙的張數(shù)并顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，得出設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1 電路功能模塊

單片機(jī)工作時(shí)鐘由晶振電路產(chǎn)生；復(fù)位電路完成單片機(jī)的初始化；555定時(shí)器用來(lái)輸出矩形波，該矩形波的寬度隨紙張數(shù)變化而變化；按鍵由啟動(dòng)測(cè)量按鍵和較準(zhǔn)按鍵組成；24C02存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)每增加一張紙所對(duì)應(yīng)的矩形波的頻率值；數(shù)碼管顯示電路顯示紙張數(shù)；蜂鳴器用于電容兩極板短路時(shí)的報(bào)警和啟動(dòng)鍵按下后，給出測(cè)量結(jié)果時(shí)的鳴叫提示。

2.2 電路功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.2.1 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

平行板的一個(gè)極板接555定時(shí)器的2腳和6腳，另一個(gè)極板接地；555的7腳和6腳之間接200 K的電阻和二級(jí)管1N5817；8腳和4腳連在一起；8腳(4腳)經(jīng)200 K電阻和7腳相連；1腳接地、5腳通過(guò)0.01 μF的電容接地；3腳輸出矩形波[2]，如圖2所示。

圖2 多譜振蕩器示意圖

本設(shè)計(jì)選擇R1和R2為200 kΩ，原因是此時(shí)數(shù)碼管顯示的數(shù)不龐大，且能反映出紙張的變化。

2.2.2 24C02存儲(chǔ)器

24C02是容量為256個(gè)字節(jié)的串行EEPROM存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)中紙張數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率值為int型，在存儲(chǔ)時(shí)占兩個(gè)字節(jié)。除去兩極板短路時(shí)的頻率0外，可存儲(chǔ)127個(gè)頻率值，但是，隨著紙張數(shù)的增加，頻率的變化會(huì)越來(lái)越小，因此，本系統(tǒng)只能識(shí)別30張以?xún)?nèi)的紙的數(shù)量，誤差在一張以?xún)?nèi)。

2.2.3 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式實(shí)現(xiàn)紙張數(shù)的顯示。由PO口輸出的字段數(shù)據(jù)經(jīng)74LS245后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼8個(gè)字段；P2.2、P2.3、P2.4接74LS138譯碼器A、B、C端，74LS138譯碼器的八路輸出作為選通信號(hào)接8位數(shù)碼管的公共端。采用“逐位點(diǎn)亮，輪流顯示”的方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顯示紙張數(shù)[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器0定時(shí)200 m/s,在此期間，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器1對(duì)矩形波個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，當(dāng)200 m/s定時(shí)時(shí)間到，停止定時(shí)/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值除以200 m/s即為頻率值。

為了使測(cè)量更準(zhǔn)確，采用一秒鐘采集5次頻率(每200 m/s采集一個(gè)頻率數(shù)據(jù))，把5個(gè)頻率數(shù)據(jù)加權(quán)平均，將其作為當(dāng)前紙張所對(duì)應(yīng)的頻率值。

主函數(shù)流程圖如圖3所示。

圖3 主函數(shù)流程圖

要能根據(jù)頻率范圍得出紙張數(shù)，需事先將每增加一張紙所對(duì)應(yīng)的頻率值存儲(chǔ)進(jìn)24C02，在這里把這個(gè)過(guò)程叫校準(zhǔn) 。校準(zhǔn)按鍵接在P3.3引腳上，該鍵按下時(shí)，CPU跳轉(zhuǎn)到外部中斷1中斷服務(wù)程序。在中服程序中，將頻率的高八位存入低位地址中，頻率的低八位存入高位地址中，每存完一個(gè)頻率，地址值加2。

程序代碼如下。

首先定義按鍵，聲明紙張計(jì)數(shù)變量。

sbit KeySure=P3^3; //定義按鍵

u16 NumOfTest = 0;//計(jì)數(shù)起始位

//外部中斷1的中斷函數(shù)

void Int1() interrupt 2

{

delay(3 000); //延時(shí)消抖

if(KeySure==0)

{

At24c02Write(NumOfTest,Freq_array[5]/255);

NumOfTest++;

delay(2 000);

At24c02Write(NumOfTest,Freq_array[5]%255);

NumOfTest++;

delay(2 000);

}

}

啟動(dòng)測(cè)量按鍵接在P3.2上，按下該鍵后，CPU跳轉(zhuǎn)到外部中斷0中斷服務(wù)程序，在該中服程序中調(diào)用一個(gè)計(jì)算紙張數(shù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)頻率值計(jì)算出紙張數(shù)，并將結(jié)果送數(shù)碼管顯示，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提示一次測(cè)量結(jié)束[4]。

程序代碼如下。

//外部中斷0中斷函數(shù)

void Int0() interrupt 0

{

delay(1 000); //延時(shí)消抖

if(KeyAddNum==0)

{

Num = CalPNum(Freq_array[5]);

//數(shù)碼管顯示

DisplayData[7]=smgd[Num/10];

DisplayData[6]=smgd[Num%10];

//蜂鳴器報(bào)警

}

}

計(jì)算紙張數(shù)函數(shù)流程圖如圖4所示。

圖4 計(jì)數(shù)流程

程序代碼如下。

char Num = 0; //當(dāng)前紙張數(shù)量

#define AllNUM 60 //30張紙，需要60個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)空間

sbit KeyAddNum=P3^2; //定義按鍵K

張數(shù)計(jì)算函數(shù)

unsigned char CalPNum(u16 frequence)

{

char i;

int freq1,num11,num12;//n-1 張紙時(shí)的頻率

int freq2,num21,num22;//n 張紙時(shí)的頻率

int freq3,num31,num32;//n+1 張紙時(shí)的頻率

unsigned char PNum;

for(i=2; i

{

num11 = At24c02Read(i-2);

delay(1000);

num12 = At24c02Read(i-1);

delay(1000);

freq1 = num11*255 + num12; //取出n-1張紙的頻率

num21 = At24c02Read(i);

delay(1000);

num22 = At24c02Read(i+1);

delay(1000);

freq2 = num21*255 + num22; //取出n張紙的頻率

num31 = At24c02Read(i+2);

delay(1000);

num32 = At24c02Read(i+3);

delay(1000);

freq3 = num31*255 + num32; //取出n+1張紙的頻率

//在頻率表內(nèi)查該頻率對(duì)照的紙張數(shù)

if(

(freq2 -(0.4) * (freq2 - freq1) <= frequence)

&& (frequence < freq2 + (0.6)*(freq3 - freq2))

)

{

PNum = i/2;

return PNum;

}

}

return 0;

}

由于本設(shè)計(jì)只能識(shí)別30張紙，即對(duì)應(yīng)的頻率只占60字節(jié)，在判斷框中設(shè)置上限為60-3，是為了防止n+1張紙對(duì)應(yīng)的頻率超出地址上限而出錯(cuò)[5]。

頻率落在n張紙對(duì)應(yīng)得頻率范圍是依據(jù)試驗(yàn)得來(lái)的公式如下。

freq2-0.4(freq2-freq1)≤f≤freq2+0.6(freq3-freq2)

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)能夠完成30張以?xún)?nèi)的紙的張數(shù)的測(cè)量與顯示，具有校準(zhǔn)、啟動(dòng)測(cè)量和蜂鳴器提示報(bào)警功能。不足之處是測(cè)試的紙張數(shù)較少，原因主要是52單片機(jī)運(yùn)算能力不夠。如果將52單片機(jī)更換為STM32，則測(cè)量速度和測(cè)量張數(shù)將會(huì)大幅度提高。