基于單片機(jī)的紙張計(jì)數(shù)顯示裝置設(shè)計(jì)

胡輝

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，河南 商丘 476000）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)印刷制品的需求也在不斷增強(qiáng)，促使印刷行業(yè)快速發(fā)展，大量的紙張需要準(zhǔn)確快速地進(jìn)行計(jì)數(shù)。傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)方式多以電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置或者人工的方式來(lái)進(jìn)行，這種方式在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)造成各種成本的提高，不適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。市場(chǎng)上最新的計(jì)數(shù)方式是圖像識(shí)別計(jì)數(shù)，但實(shí)現(xiàn)難度比較大，環(huán)境會(huì)影響到計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性。采用一種極板電容傳感器作為紙張計(jì)數(shù)的檢測(cè)元件，利用51單片機(jī)控制，可將紙張計(jì)數(shù)裝置的經(jīng)濟(jì)成本大幅降低，電路的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，不會(huì)造成紙張的損傷。只需要將紙張放在電容傳感器極板之間，計(jì)數(shù)裝置通過(guò)測(cè)量電路采集信息，送到信號(hào)放大電路和振蕩電路，保持振蕩頻率的穩(wěn)定，使單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)控制時(shí)能夠快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和頻率的轉(zhuǎn)換，就能快速計(jì)算出紙張的數(shù)量，并通過(guò)數(shù)碼管將紙張的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)[1]。

2 系統(tǒng)方案

本裝置主要解決紙張數(shù)量計(jì)數(shù)，要在各種環(huán)境下將紙張的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確即時(shí)顯示出來(lái)，電路由傳感器、信號(hào)檢測(cè)電路、脈沖整形電路、單片機(jī)控制電路、數(shù)碼顯示電路、語(yǔ)音提醒電路及按鍵控制電路，其中單片機(jī)控制是整個(gè)裝置的核心部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選擇

采用兩塊銅板作為電容傳感器的兩個(gè)極板，根據(jù)電容傳感器的特性，，從式子中可以看出，平行板式電容傳感器的容量C與介電常數(shù)ε成正比，極板面積保持不變，靜電力常數(shù)k和極板間距d與傳感器容量成反比。這幾個(gè)參數(shù)的變化將直接影響傳感器容量的大小，紙張計(jì)數(shù)裝置利用這一原理，將紙張放入兩極板間，增加了電容傳感器的間距，使電容量發(fā)生改變，而檢測(cè)電路根據(jù)容量變化的大小與紙張數(shù)量變化多少進(jìn)行電量比例的轉(zhuǎn)換[2]。

3.2 脈沖產(chǎn)生電路論證與選擇

信號(hào)采集電路有多種方案，其中選用NE555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波，電容傳感器兩個(gè)極板之間放入紙張數(shù)量的不同，改變電容量的大小，使555多諧振蕩器產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)，但由于該電路產(chǎn)生波形不穩(wěn)定，仿真與實(shí)際相差較大等因素，因此放棄使用此方案。

第二種方案是采用電壓比較器LM393作為核心部件來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，輸入端將電阻參數(shù)變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳遞給電壓比較器的同相輸入端，這個(gè)變化的電壓信號(hào)與反相輸入端的基準(zhǔn)電壓信號(hào)相比較，當(dāng)同相端電壓信號(hào)高于反相端電壓信號(hào)時(shí)，輸出端為高電平信號(hào)，此時(shí)位于反相端的電容開始充電；隨著電容兩端電壓的升高，同相端電壓信號(hào)逐漸低于反相端電壓信號(hào)，輸出端為低電平，此時(shí)電容開始放電，如此反復(fù)形成一個(gè)矩形波，再將輸出端的方波通過(guò)74LS393進(jìn)行分頻，然后矩形波輸入到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后通過(guò)顯示電路得出結(jié)果。輸出的方波較穩(wěn)定，但是改變紙張數(shù)量后方波周期變化不明顯，對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量工作加大了難度，而且產(chǎn)生的誤差會(huì)很大，所以此方案不可行。

圖2 LM393電壓比較器

第三種方案采用變壓器反饋式振蕩電路，又稱互感耦合振蕩電路，它是利用變壓器耦合獲得適量的正反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)自激振蕩，本方案采用共基極接法，發(fā)射極為輸入端，集電極為輸出端，反饋電路和發(fā)射極通過(guò)電容C2耦合，電容C2起隔直作用，該電路對(duì)三極管β要求不高，只要變壓器同名端接線正確，便不難起振，變壓器耦合，更容易滿足阻抗匹配要求。用三極管9018和中周組成振蕩電路，集電極接中周初級(jí)，基極接中周次級(jí)。在電容式傳感器兩極板間放入紙張觀察周期變化，集電極與電容C5和CD4069串聯(lián)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)非門進(jìn)行整形濾波，最后信號(hào)輸入到74LS393進(jìn)行16分頻，由Q3輸出的方波進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行紙張計(jì)數(shù)，最后通過(guò)顯示電路得出結(jié)果。在Q值足夠高和忽略分布參數(shù)影響的條件下，振蕩電路的振蕩頻率就是LC回路的諧振頻率，即：。如圖3所示電路中，A、B為兩極板構(gòu)成的可變電容，通過(guò)改變紙張數(shù)量使電容值發(fā)生改變，因而電路的頻率也會(huì)發(fā)生改變[3]。

圖3 變壓器反饋式振蕩電路

綜合三種方案電路測(cè)試結(jié)果，采用變壓器反饋式振蕩電路輸出的信號(hào)最穩(wěn)定而且周期變化比較明顯，因此選用變壓器反饋電路作為信號(hào)采集和脈沖產(chǎn)生電路。

3.3 控制與顯示電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由單片機(jī)與數(shù)碼顯示電路構(gòu)成。單片機(jī)選用常見(jiàn)的AT89C51作為主控芯片，這種單片機(jī)具有價(jià)格便宜、燒寫程序方便快捷、資源豐富、可用多種語(yǔ)言編程等諸多優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)依據(jù)接收到信號(hào)的周期長(zhǎng)短的不同輸出數(shù)據(jù)送至數(shù)碼管顯示出紙張數(shù)量，達(dá)到紙張計(jì)數(shù)的目的。紙張顯示數(shù)據(jù)比較簡(jiǎn)單，選用驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的8位共陰極數(shù)碼管顯示電路，利用單片機(jī)的串行口移位寄存器工作方式，使用74HC595芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。74HC595自帶鎖存功能，與單片機(jī)連接的線少，占用單片機(jī)資源少。輸入共陰極數(shù)碼管，顯示需要的數(shù)據(jù)[4]。而且它能夠鎖存數(shù)據(jù)，更符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 整體電路

整體電路如圖4所示，振蕩電路通過(guò)極板A與極板B構(gòu)成的電容進(jìn)行充放電后產(chǎn)生頻率約為2M的高頻振蕩信號(hào)，為使信號(hào)便于單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù)，將輸出信號(hào)進(jìn)行通過(guò)CD4069進(jìn)行整形，轉(zhuǎn)化為削去負(fù)半周的同頻方波信號(hào)。由于信號(hào)頻率過(guò)高，且AT89C51的運(yùn)行速度有限，為得到更加穩(wěn)定且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，將經(jīng)過(guò)CD4069整形后的信號(hào)輸入74LS393進(jìn)行16分頻處理，再將信號(hào)輸入單片機(jī)測(cè)量端口，單片機(jī)經(jīng)過(guò)內(nèi)部信號(hào)處理，經(jīng)兩路分別輸出信號(hào)到語(yǔ)音提醒電路和數(shù)碼顯示電路顯示出紙張測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4 整體電路

4 程序的設(shè)計(jì)

程序分為計(jì)數(shù)部分、校準(zhǔn)部分和顯示部分，單片機(jī)接收到脈沖信號(hào)以后，啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為20ms，當(dāng)定時(shí)器發(fā)生一次溢出中斷以后，單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式，記錄接收到的脈沖個(gè)數(shù)。正式測(cè)試之前，首先進(jìn)行校準(zhǔn)，放入15張紙測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，將得到的脈沖個(gè)數(shù)與自己設(shè)置的15張紙脈沖個(gè)數(shù)相比較得出差值，即校準(zhǔn)完成。正式測(cè)試將測(cè)試部分得到的脈沖值與校準(zhǔn)部分得到的差值相加，所得值與已存的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，最后由數(shù)碼管顯示。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

5 測(cè)試結(jié)果及誤差分析

5.1 測(cè)試結(jié)果

脈沖產(chǎn)生電路的振蕩頻率隨紙張數(shù)量的變化而變化，紙張數(shù)量越少，電容容量越大，周期變化越明顯，有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算也就越簡(jiǎn)單；紙張數(shù)量越多，電容容量越小，周期變化越微弱，有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算也就越困難，在距離極板A和極板B約500mm處放置不同數(shù)量的A 4紙進(jìn)行測(cè)量，可獲得一系列的測(cè)量校準(zhǔn)信息。在單位時(shí)間內(nèi)，放入電容傳感器極板間的紙張數(shù)量發(fā)生增加變化，促使電容極板間距變大，容量變小，采集電路中的頻率增大，通過(guò)脈沖整形電路的脈沖信號(hào)的周期將變小，經(jīng)過(guò)振蕩電路產(chǎn)生具有穩(wěn)定周期的方波信號(hào)。方波進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行編譯計(jì)數(shù)，單片機(jī)能夠快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和頻率的轉(zhuǎn)換處理，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)量與校準(zhǔn)部分得到的差值相加，得到的脈沖值與已存的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計(jì)算出特定的紙張數(shù)量，通過(guò)AT89C51芯片的計(jì)算處理，將信號(hào)送到顯示驅(qū)動(dòng)電路，最終數(shù)碼管短時(shí)間內(nèi)顯示紙張的數(shù)量。

當(dāng)極板A和極板B電極之間短路時(shí)，電路很難起振，單片機(jī)基本檢測(cè)不到脈沖，此時(shí)數(shù)碼管顯示“99”。給定1～10張不等的紙張數(shù)，每次在紙板間放入被測(cè)紙張并固定后，一鍵啟動(dòng)測(cè)量，5秒內(nèi)顯示出紙張數(shù)量，并發(fā)出一聲蜂鳴。測(cè)試時(shí)在電容式傳感器兩極板間放置30張A4紙并固定好，輸入5V的直流電壓，觀察示波器上波形的周期，然后抽出5張紙繼續(xù)觀察示波器的變化，將紙張數(shù)量和方波周期分別記錄下來(lái)，如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，紙張數(shù)量與方波周期成反比，根據(jù)紙張數(shù)量與方波周期的對(duì)比值，找出特定紙張之間的差值規(guī)律，對(duì)檢測(cè)電路做好抗干擾處理后，小規(guī)模數(shù)量紙張測(cè)試的準(zhǔn)確率可達(dá)到98%以上。

5.2 誤差分析

檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差主要由以下幾個(gè)方面引起：（1）負(fù)載發(fā)熱引起的誤差：負(fù)載阻值會(huì)隨溫度的升高而發(fā)生一定的變化，從而引起數(shù)值變化給電路帶來(lái)一定的誤差，該誤差影響小，無(wú)法避免。（2）電容極板自身引起的誤差：由于測(cè)試電容兩極板面積小，重量輕，紙本身具有一定的張力引起極板間距離的變化，導(dǎo)致誤差。（3）電路本身的誤差：電路的焊接技巧、元器件排版的不規(guī)范等造成的信號(hào)干擾所造成的誤差。（4）外界干擾引起的誤差：空氣濕度的變化，溫度的高低，以及不同測(cè)試紙張間自身厚度存在的差異，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用比較簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)紙張計(jì)數(shù)功能，利用電容傳感器的參數(shù)的變化，將電容量的變化轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)的變化，通過(guò)波形整形電路把信號(hào)輸送單片機(jī)控制電路來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由數(shù)碼顯示電路顯示紙張數(shù)量并由語(yǔ)音提醒電路提醒；解決了在人工計(jì)數(shù)時(shí)容易出現(xiàn)計(jì)數(shù)不準(zhǔn)的問(wèn)題，提高了工作效率，成本低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。該方案能夠很好地對(duì)小數(shù)量紙張進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，擁有良好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值[5]。