基于STM32F407單片機(jī)的紙張計(jì)數(shù)裝置設(shè)計(jì)

韋創(chuàng)煒，陳世龍，周曉倩，馮劍英，李偉源，龐壽全

（玉林師范學(xué)院，廣西玉林，537000）

0 引言

在造紙行業(yè)或者印刷行業(yè),每天都需要清點(diǎn)大量的紙張，紙張計(jì)數(shù)的速率和準(zhǔn)確率，會大大影響工作效率。目前使用最多的紙張計(jì)數(shù)裝置依然是傳統(tǒng)的機(jī)械式計(jì)數(shù)器，如常見的點(diǎn)鈔機(jī)。傳統(tǒng)的機(jī)械式紙張計(jì)數(shù)器有著無法避免的固有缺點(diǎn)，如對紙張的材質(zhì)和尺寸有不同要求,計(jì)數(shù)速度有限,紙面會受磨損,計(jì)數(shù)精度不高，這些缺點(diǎn)給生產(chǎn)管理帶來了諸多不便?，F(xiàn)在國內(nèi)外較新穎的紙張計(jì)數(shù)方式是紋理圖像識別的方式，但該方法對設(shè)備要求較高，設(shè)備成本較高，并且環(huán)境光線會影響計(jì)數(shù)的精度。因此,研制出一種高效精準(zhǔn)的紙張計(jì)數(shù)設(shè)備有重大意義[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本裝置采用電容極板壓縮的方式對紙張進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。裝置的主控為STM32F407單片機(jī)，同時(shí)采用了FDC2214電容檢測模塊、TFTLCD液晶屏顯示模塊、電源模塊和自動升降裝置。測量紙張前，可進(jìn)行自校準(zhǔn)，測量時(shí)便能得到精確的數(shù)據(jù)。當(dāng)紙張放入裝置中并按下測量鍵后，電容傳感器的上極板會隨著升降裝置推桿的運(yùn)動而改變自身的高度，從而改變與電容傳感器下極板之間的距離。當(dāng)上極板往下壓時(shí)，一旦到了設(shè)定壓力的閾值就會停止壓縮，此時(shí)電容傳感器采集到的電容值通過IIC通信接口向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并由單片機(jī)處理分析，最后所得紙張數(shù)據(jù)通過TFT液晶屏顯示，并由語音播報(bào)出來。裝置總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，裝置設(shè)計(jì)簡化模型如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 裝置設(shè)計(jì)簡化模型

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控模塊

本裝置為了實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)測量紙張數(shù)量，需要運(yùn)算能力較高的主控模塊，現(xiàn)采用32位單片機(jī)STM32F407為主控模塊。該單片機(jī)兼容于STM32F2系列產(chǎn)品，集成了新的DSP和FPU指令，采用了ST的ART加速器，最高主頻具有168MHz的高速性能，能夠?qū)崿F(xiàn)高速采樣計(jì)算，實(shí)時(shí)對裝置的檢測模塊進(jìn)行采樣顯示以及計(jì)算處理。STM32F407芯片上外設(shè)豐富，定時(shí)器多達(dá)14個(gè)或17個(gè)，PWM功能強(qiáng)大，其ADC精度也達(dá)到12位，還有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、DA模塊，較高檔次的還有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，同時(shí)它的外部接口也很豐富，多個(gè)串口USB控制、SPI、I2C等一應(yīng)俱全，因此可以勝任本裝置的設(shè)計(jì)要求[2]。

■2.2 檢測模塊

本裝置的檢測核心為FDC2214電容傳感器。FDC2214經(jīng)過優(yōu)化，分辨率高達(dá)28位，支持250nF超大電容輸入，能夠配合使用遠(yuǎn)程傳感器并跟蹤環(huán)境隨時(shí)間、溫度和濕度的變化情況，并且FDC2214的采樣速率高達(dá)13.3ksps，可以實(shí)現(xiàn)使用快速移動目標(biāo)的應(yīng)用。由于FDC2214電容傳感器面向接近感測和液位感測應(yīng)用[3]，適用于所有液體類型，而人手存在非導(dǎo)電液位感測應(yīng)用存在干擾，所以使用集成有源屏蔽驅(qū)動器的FDC2214芯片，其內(nèi)部簡化電路原理圖如圖3所示。裝置通過電容傳感器檢測紙張厚度產(chǎn)生的電容量在芯片內(nèi)部產(chǎn)生振蕩頻率，通過IIC協(xié)議與主控芯片進(jìn)行通信，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部算法比較振蕩頻率與電容值的關(guān)系，可以計(jì)算出準(zhǔn)確的電容值。

圖3 FDC2214內(nèi)部簡化電路圖

■2.3 驅(qū)動模塊

本裝置通過L298N驅(qū)動模塊控制升降裝置進(jìn)而控制極板的運(yùn)動。L298N是一款接受高電壓的電機(jī)驅(qū)動器，直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以驅(qū)動，而本裝置的升降裝置為直流電機(jī)。一片驅(qū)動芯片可同時(shí)控制兩個(gè)直流減速電機(jī)做不同動作，在6~46V的電壓范圍內(nèi)，提供2A的電流，并且具有過熱自斷和反饋檢測功能。L298N可對電機(jī)進(jìn)行直接控制，通過主控芯片的I/O輸入對其控制電平進(jìn)行設(shè)定，就可為升降裝置的電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動，操作簡單、穩(wěn)定性好，可以滿足直流電機(jī)的大電流驅(qū)動條件。L298N電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖如圖4所示，主控芯片通過壓力傳感器模塊的檢測，判斷極板是否夾緊，執(zhí)行中斷請求,如果沒有中斷請求則保持原狀態(tài)，如果有中斷請求則調(diào)控PWM進(jìn)行停止或者升降運(yùn)動。

圖4 驅(qū)動模塊電路原理圖

■2.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面主要由TFTLCD液晶顯示屏和矩陣鍵盤組成。TFTLCD液晶顯示屏為顯示模塊，是現(xiàn)階段唯一在功耗、壽命、對比度等綜合性能上全面超過CRT的顯示器件，它的性能優(yōu)良、顯示質(zhì)量高、適用范圍廣，可以更好的顯示多種信息。操作模塊為4×4矩陣鍵盤設(shè)定的功能按鍵，通過單片機(jī)與TFTLCD液晶顯示屏結(jié)合，節(jié)省了IO口，提高了人機(jī)交互的效率。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 校準(zhǔn)模式

本設(shè)計(jì)具有兩種運(yùn)行模式，分別為校準(zhǔn)模式和測量模式。根據(jù)電容公式(1)可知，周圍環(huán)境情況對于電容值具有一定的影響，而不同場合的環(huán)境情況各有不同，因此裝置在測量紙張時(shí)需要預(yù)先適應(yīng)校準(zhǔn)當(dāng)前的環(huán)境，即先采集處理不同紙張對于當(dāng)前環(huán)境下的電容值并保存，即為校準(zhǔn)模式[4]。

■3.2 中值濾波算法

中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)。中值濾波的基本原理為，把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的值接近于真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。

本裝置中使用到的FDC2214模塊為28位的電容式傳感器，其對于極板間數(shù)據(jù)的感知非常靈敏，因此也導(dǎo)致采集到的電容值在一定范圍內(nèi)不斷的跳變，即不穩(wěn)定。鑒于上述特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在校準(zhǔn)模式時(shí)先采集20個(gè)電容值，再采用中值濾波算法對這20個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到一個(gè)中間值，以此為有效值，存放在數(shù)組中；改變紙張數(shù)量，以相同的方法采集20個(gè)電容值過濾出一個(gè)有效值存放在數(shù)組中。通過此算法，有效的濾出了有效值，穩(wěn)定了數(shù)據(jù)[5]。

■3.3 曲線擬合

經(jīng)過多次測試分析發(fā)現(xiàn)，測量的紙張數(shù)量與采集到的電容值存在一種自然對數(shù)線性關(guān)系。測量記錄多組不同區(qū)間范圍的數(shù)據(jù)，再通過Excel軟件擬合得到紙張數(shù)量與電容值的曲線公式(2)，其中C為電容值，X為紙張數(shù)。因此，在電容值C已知的情況下，通過公式(3)可反推出對應(yīng)的紙張數(shù)。

■3.4 夾逼算法

夾逼算法，就是將問題的解限制在某一數(shù)值范圍內(nèi)，然后根據(jù)題意逐步縮小取值范圍，從而使問題獲解的一種方法。裝置進(jìn)入測量模式測量紙張時(shí)，同樣先采集20個(gè)電容值，再經(jīng)過算術(shù)平均濾波算法得到誤差最小的數(shù)值，以此為有效值，再使用夾逼算法找到該電容值與校準(zhǔn)模式所采集到的數(shù)組里最相近的電容值，最后通過公式(3)反推出對應(yīng)的紙張數(shù)。紙張測試流程圖如圖5所示。

圖5 紙張測試流程圖

4 系統(tǒng)測試

對本設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，把放入的紙張數(shù)及其測量的電容值與在不同環(huán)境下采用分區(qū)間測試的曲線擬合理論電容值作對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 曲線擬合圖

由檢驗(yàn)測試知，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)測得的測量值與理論計(jì)算值基本一致，進(jìn)而得知該電容值經(jīng)換算后可得出精準(zhǔn)的紙張數(shù)值。為驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性上圖所示數(shù)據(jù)已經(jīng)過多次測試，能說明該組數(shù)據(jù)為偶然性誤差的概率極小，以及本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。為簡化測量，只繪制了30張紙以內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，其測量結(jié)果與實(shí)際值基本一致，但隨著紙張數(shù)量的增加，電容值的變化幅度隨之減少，會影響測量準(zhǔn)確性。同時(shí)，由于極板偏移、電路松動、環(huán)境溫濕度以及FDC2214電容傳感器的自身誤差等因素會造成測量誤差，實(shí)際測量100張紙內(nèi)準(zhǔn)確率達(dá)99%，大于100張會有些許偏差。為了減小誤差，需要裝置的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，軟件算法更精準(zhǔn)，以及盡量使裝置處于恒定的環(huán)境中工作。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的紙張計(jì)數(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，且?guī)в幸壕э@示和語音播報(bào)功能。程序設(shè)計(jì)了自校準(zhǔn)功能，可根據(jù)不同紙質(zhì)和不同環(huán)境自動校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)紙張計(jì)數(shù)。本裝置還帶有短路保護(hù)，短路時(shí)會進(jìn)入中斷停止工作，提高了裝置的安全性。本裝置可快速測量紙張數(shù)目且不損傷紙張，生產(chǎn)成本低，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可投入生產(chǎn)使用。