基于STM32F1的纸张计数显示装置的设计与实现*

2021-01-12江永鑫黄晨江若薇尹序臻

福建轻纺 2021年1期

江永鑫，黄晨，江若薇，尹序臻

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门 361024）

在金融行业和印刷行业中，传统的纸张计数主要采用机械计数设备与物理粗略计算等办法，但采用机械设备计数广泛存在着噪声大、速度有限、精准度不高的缺点，对于纸张的尺寸和厚度以及材质有一定的要求，容易对纸面造成磨损。而采用物理粗略计算，需要许多次测量数据，存在机械误差、人为误差等因素，准确性不高，并且过程耗时耗力。随着传感器技术的不断发展，传感器在生产生活中具有广阔的应用，电容式传感器具有稳定性好、结构简单、灵敏度高等优点。

1 纸张计数原理分析

纸张数与电容值的关系，按照电极板所组成的电容决定式：

式中，C表示电容值，S为两平行极板之间的正对面积，ε是材料的介电常数，d为两平行极板之间的距离，ε0表示自由空间介电常数（8.85×10-12F/m），为静电力常数（9.0×109N·m2/C2）。

依据上述公式，可以推导出随着两平行极板间放入纸张数量的增加（即两平行极板间距d增大），使电容值C减小；随着两平行极板间放入纸张数的减少（即两平行极板间距d减小），电容值将会增大。

首先依次测量并记录1张到30张A4纸在置于装置中时反馈回来的经程序中数学公式计算出来的电容值，自变量为FDC2214电容传感器模块测量反馈回来的电容值，因变量为其相对应的纸张数量，用MATLAB软件进行有理数数据拟合，得出最佳求解纸张数量的数学模型为Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1）形式的函数。

图1 MATLAB数据仿真结果

如图1所示为利用MATLAB软件对30组测量数据进行仿真，通过有理数拟合得出的数学函数模型——Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1）。

式中P1，P2，q1为函数模型的待定系数，自变量χ为电容值，因变量y为纸张数量。根据MATLAB数据仿真结果所示，对Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1）模型多重测定系数R-square数值高达0.9998，近似等于1，表明函数对y轴具有极强解释能力，故可用此方程解析。

2 系统总体设计

本装置的系统设计框图如图2所示。

图2 系统设计框图

该系统以STM32单片机为控制核心，由电容传感器数据采集单元、数据分析处理单元、数据输出显示单元三大部分构成。结合电容式传感器FDC2214、独立按键功能、OLED显示模块、蜂鸣器警报模块等，实现自校准功能、检测两平行极板间是否短路功能、测量装置中纸张数量功能、数据显示和语音播报功能。

该纸张计数装置可以识别不同环境不同规格不同厚度的张纸，利用电容式传感器FDC2214实时采集平行板电容器的两金属极板间的电容值进行记录并保存，从而进行自校准数据拟合曲线的待定系数，实现对纸张的不同数量的测量。

3 硬件设计

3.1 模块选择

3.1.1 STM32F103单片机

该系统中MCU采用STM32F103单片机，集成度较高，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及丰富的外围模块，并且开发编程环境操作简便。在系统中MCU对OLED显示模块进行数据输入、对FDC2214电容传感器模块的数据进行读取，同时对数据和拟合曲线进行计算以得到不同参数下的最终结果。

3.1.2 FDC2214电容传感器

选用FDC2214电容传感器模块采集数据，该模块的原理为：将一个电感和电容与芯片每个检测通道的输入端连接，构成LC振荡电路，产生一个振荡频率，根据该频率值进行数学计算出被测电容值。其精度可达28位，具有抗噪声、高分辨率、高速等多种特性，并且较为稳定易于操作，满足测量纸张的基本要求，将FDC2214电容传感器模块采集的电容数据转换为频率信号通过IIC传输给MCU再计算得出铜板间的电容值。原理图如图3所示。

3.1.3 电源模块

电源方面选择使用稳压电源模块供电，作用是稳定输入电压以减少传感器的读数误差。原理图如图4所示。

图3 FDC2214电容传感器电路原理图

图4 电源模块原理图

3.1.4 OLED显示模块

采用四针OLED显示模块，可以显示文字、数字、图像等信息，具备成本低，规格小巧轻薄，且能耗低的特点。该模块可通过I2C受MCU控制可以较为简单地显示操作界面与测量数据。

4 结构设计

本装置的结构如图5所示。

图5 装置结构图

极板建议采用的是5 mm×5 mm纯铜板，被测纸张载体利用活动式三边结构，可以实现根据纸张大小调整限位实现将被测纸张较好的限位，进行测量不同规格纸张，实现将被测纸张限位。并配置极板限位卡和重物使被测纸张产生一定的形变、被测纸张之间的空气挤出，再通过检测模块得出极板间电容值，进而判断纸张数量。根据电容决定式C=ε0εS/4πkd，可知极板电容的容值受极板间距的影响，在人为取放纸的过程，纸张与纸张之间容易残留空气造成随机误差，如果采用非恒力式排除空气，易造成纸张产生的形变不同造成偶然误差。故采用恒力重物配合极板限位卡来控制极板电容，从何避免偶然误差，在结构上提高测量的精准度。

5 软件设计

5.1 主程序

软件系统主要分为5大部分，分别为主程序、FDC2214数据采集子程序，按键功能选择子程序，OLED显示子程序以及自校准功能子程序。程序流程图如图6。

首先，单片机初始化，进行短路检测，若电路正常，OLED初始化，通过按键进行功能选择，进入自校准功能，单片机发送指令使FDC2214传感器开始采集数据，MCU对所传回的数值进行分析计算，得出极板间电容值。初步判断纸张数量是否符合程序对方程关系式，若正确，算法计算后得出的纸张数量再经过OLED显示模块进行实时显示并语音播报所测得纸张数量。

5.2 自校准功能子程序

由于在湿度温度不同的情况下，材料的介电常数会发生细微的变化，每次读出的电容值必然有所误差，因此在方案中，将得到的电容值与测试纸张的数量建立数学模型，进行拟合，得到两者的关系方程，发现其近似于一个反比例函数。通过测量前依次采集电容值，在自校准子程序中，编写程序对方程关系式中的参数进行校准，对于被测纸张数量的不同范围，通过取不同的数据点数量对该范围内的方程待定系数P1，P2，q1进行校准模型 Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1），使测量的精准度得以保证。自校准子功能程序流程图见图7。