智能纸张测量系统设计

田泽豪，余晨阳，王宇丰

智能纸张测量系统设计

田泽豪，余晨阳，王宇丰

（武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070）

系统以STM32F407单片机为控制核心，结合电容传感器检测电路、显示电路、键盘输入电路和蜂鸣器电路，实现了对两极板间的纸张数量进行计数并显示的功能。主控单元通过I2C接口循环读取FDC2214的转换值，键盘输入电路将实时数据存储到单片机中，利用最小二乘法拟合曲线，然后通过比较来检测当前的纸张数。整个装置采用直线滑轨结构，稳定性好、精度高、功耗低，具有较高的性能指标。

STM32单片机；纸张测量；最小二乘法；自动控制

在人们的日常生活学习中，离不开纸张，在生产制造、学习时用到作业本以及笔记本，需要对其质量进行把关，以防缺页少张的不合格产品流入市场，使企业形象大打折扣，阻碍产业的发展。因此，纸张的计数测量显得尤为重要。通常，人们采用直接拍摄纸张的侧面，根据侧面显示页与页之间的边缘线的数量来计算纸张的数目，但这种方法对摄像头像素具有极高的要求，而且经过图像处理后计数的准确性较低，达不到检测的要求。

鉴于此，本设计提供了一种纸张测量装置，可以有效解决相关问题。本系统以STM32F407单片机为控制核心，结合电容传感器检测电路、显示电路、键盘输入电路和蜂鸣器电路，实现了对两极板间的纸张数量进行计数并显示的功能。整个装置采用直线滑轨结构，具有较高的性能指标，有广泛的应用价值。

1 系统功能模块设计

1.1 主控模块

主控模块采用STM32F407单片机，该单片机拥有较高的主频和丰富的资源，并能够快速进行较高要求的多浮点运算。主控模块通过I2C接口与电容传感器连接，能实时地检测电容传感器得到的数据，快速测量出电容，并计算出纸张数目。

1.2 电容传感器模块

电容传感器模块使用TI公司生产的FDC2214芯片，FDC2214分辨率高达28位，精度高，有多通道抗噪且抗EMI的特点，设计资源丰富。传感器模块与两极板相连，测出两极板间的电容值，并传递给主控模块处理。

1.3 显示模块

显示模块采用OLED液晶屏。OLED重量轻、性能好、响应时间短、显示内容丰富、驱动程序简单，可以实时显示文字及数据。采用OLED显示屏，能够实现自适应和功能切换等多个功能，更加方便、易于调整。显示模块能够显示出极板间的电容值以及纸张数，并能够在自适应过程中切换纸张数量和工作模式。

2 系统总体方案设计

本系统需要具备数据采集部分、数据处理部分和输出部分三个部分。数据处理部分选用STM32单片机作为主控芯片，实现对各个其他模块的控制；数据采集部分选用FDC2214电容传感器模块，通过检测电容变化来判断纸张的数量；输出部分则采用显示模块显示系统各个参数值以及纸张的数量。此外，通过按键来进行数据的确认和调整，通过蜂鸣器来标志数据的存入。

系统的总体方案原理如图1所示。

图1 系统总体框图

3 理论分析与计算

设传感器所得参数为sensor，即电容极板和电感所组成的LC谐振回路的谐振频率。根据FDC2214数据手册，可得：

式（1）中：x为第通道传感器读数；sensor为电容极板和电感所组成的谐振回路的谐振频率。

为电路中的固定电感，为总电容，则：

设0为FDC2214电容传感器上的固定电容，X为极板间的电容。根据式（1）（2），可以得出极板电容：

电容定义式为：

得出极板间距与传感器读数之间的关系为：

由式（3）可以看出，在其他变量保持一定时，极板间电容的大小与极板间距成反比。将电容值取倒数，可得厚度函数与纸张数成正相关关系。利用SPSS软件对电容的倒数（厚度函数）进行回归分析，得到拟合曲线结果和相关系数结果，如图2所示[1]。

图2 电容值的倒数随纸张变化曲线拟合图像

由图2可知，对数函数拟合厚度函数效果最好，回归参数2可达0.997。

对于本系统的抗干扰性，系统受到的干扰来源于机械结构的松动造成的极板正对面积的变化以及外界信号干扰造成的电容测量变化。因此用滑轨与滑块作为极板的活动支撑，滑块只能朝平行于导轨方向运动，可以在很大程度上防止极板左右移动，保证了正对面积的恒定。对于外界信号干扰，可在极板到传感器的连接上使用SMA线，并对采集到的原始数据进行限幅平滑滤波，以减小误差、提高抗干扰性。

4 系统机械结构设计

由上述理论，设计了一套以滑轨和滑块为主体搭建的机械结构。其中最上方和最下方的滑块为固定滑块，用来代表移动边界，中间的滑块为移动滑块，且与滑轨连接光滑。两极板分别固定在中间滑块和下方滑块上，纸张放置在极板之间，这样将中间滑块与下方滑块贴合就可以测量纸张的数目了。此外设计了一个底座来固定滑块和滑轨，使系统具有更高的稳定性和抗干扰性[2]。

此机械结构能够保证两极板间接触面积恒定，且能够保证与纸张完全压紧，更换纸张数目也很简便，具有较高可行性和精确性。

系统机械结构如图3所示。

1—滑块；2—滑轨；3—极板；4—底座。

5 硬件电路设计

MCU外围电路包括复位电路、JTAG调试电路、时钟电路等。测量传感器电路主要由FDC2214电容传感器芯片、外部有源晶振电路以及抗EMI电磁干扰电路组成。其中FDC2214芯片通过I2C接口与STM32单片机通信实现FDC2214寄存器配置以及STM32数据读取。将两极板分别接上FDC2214模块一个通道的两个端口上连上极板的两个端口。

此外，为了防止感应板与FDC2214芯片的引线过长产生EMI，电路中设计了抗电磁干扰电路，提高了系统稳定性。

6 软件设计

系统软件流程如图4所示。

初始化各个模块，随后判断极板的短路情况，然后选择功能。如果进入自校准模式，则采集多组数据进行拟合，得到纸张数目随传感器测量值的变化曲线，然后返回到任务选择部分。如果再选择测量纸张模式，则首先会判断是否已自校准，如果已经校准，则利用计算的拟合曲线对传感器输入量进行判定，得出纸张数量；如果还没有校准，就不进入测量模式，而是继续选择任务。

图4 系统软件流程图

其中在学习模式下，首先抽取不同数量的纸张，在单片机中存储不同数量纸张对应的测量值，对该值进行函数拟合，即可得到一条纸张数与测量值之间的函数曲线。由于误差的存在，计算出的纸张数通常为小数，此时可以将该值分别向上和向下取整，比较测量值与两个计算出的值的接近程度，选择更接近的传感器数值对应的纸张数目，即可判定纸张数目[3]。

7 结语

通过系统测试，本系统成功实现了纸张计数的功能。在通过自校准后，可以快速稳定识别纸张数目，并可以蜂鸣提示及在OLED屏幕中显示。同时，在识别过程中，还可实时检测极板短路情况，并给出提示。在测量纸张数过大时，发现传感器数据间隔越来越小，分辨力降低。但是采用加固机械结构、使用屏蔽线等措施，大大提高了信噪比，使在纸张数较多时仍然能够分辨，减少了误判的可能性。经检验，整个装置稳定性好、精度高、功耗低，具有较高的性能指标，能广泛投入市场并应用。

［1］王李冬，安康，徐玮，等.单片机与物联网技术［M］.北京：机械工业出版社，2018.

［2］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2017.

［3］张洋，刘军，严汉宇，等.精通STM32F4［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2015.

TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.027

2095－6835（2019）19－0068－03

田泽豪（2000—），男，湖北孝感人，本科在读，研究方向为通信工程。

〔编辑：严丽琴〕