基于单片机的纸张计数显示装置设计

胡辉

（商丘职业技术学院机电系，河南 商丘 476000）

1 引言

随着社会的发展，人们生活水平的提高，对印刷制品的需求也在不断增强，促使印刷行业快速发展，大量的纸张需要准确快速地进行计数。传统的计数方式多以电机驱动机械装置或者人工的方式来进行，这种方式在工业生产中会造成各种成本的提高，不适应现代化工业生产。市场上最新的计数方式是图像识别计数，但实现难度比较大，环境会影响到计数准确性。采用一种极板电容传感器作为纸张计数的检测元件，利用51单片机控制，可将纸张计数装置的经济成本大幅降低，电路的实现比较简单，不会造成纸张的损伤。只需要将纸张放在电容传感器极板之间，计数装置通过测量电路采集信息，送到信号放大电路和振荡电路，保持振荡频率的稳定，使单片机在实现控制时能够快速准确实现数据和频率的转换，就能快速计算出纸张的数量，并通过数码管将纸张的数据显示出来[1]。

2 系统方案

本装置主要解决纸张数量计数，要在各种环境下将纸张的数据准确即时显示出来，电路由传感器、信号检测电路、脉冲整形电路、单片机控制电路、数码显示电路、语音提醒电路及按键控制电路，其中单片机控制是整个装置的核心部分。

图1 系统结构框图

3 硬件设计

3.1 传感器选择

采用两块铜板作为电容传感器的两个极板，根据电容传感器的特性，，从式子中可以看出，平行板式电容传感器的容量C与介电常数ε成正比，极板面积保持不变，静电力常数k和极板间距d与传感器容量成反比。这几个参数的变化将直接影响传感器容量的大小，纸张计数装置利用这一原理，将纸张放入两极板间，增加了电容传感器的间距，使电容量发生改变，而检测电路根据容量变化的大小与纸张数量变化多少进行电量比例的转换[2]。

3.2 脉冲产生电路论证与选择

信号采集电路有多种方案，其中选用NE555组成的多谐振荡器产生矩形波，电容传感器两个极板之间放入纸张数量的不同，改变电容量的大小，使555多谐振荡器产生不同频率的脉冲信号，但由于该电路产生波形不稳定，仿真与实际相差较大等因素，因此放弃使用此方案。

第二种方案是采用电压比较器LM393作为核心部件来产生脉冲信号，输入端将电阻参数变化转换成电压信号传递给电压比较器的同相输入端，这个变化的电压信号与反相输入端的基准电压信号相比较，当同相端电压信号高于反相端电压信号时，输出端为高电平信号，此时位于反相端的电容开始充电；随着电容两端电压的升高，同相端电压信号逐渐低于反相端电压信号，输出端为低电平，此时电容开始放电，如此反复形成一个矩形波，再将输出端的方波通过74LS393进行分频，然后矩形波输入到单片机进行计数，最后通过显示电路得出结果。输出的方波较稳定，但是改变纸张数量后方波周期变化不明显，对数据测量工作加大了难度，而且产生的误差会很大，所以此方案不可行。

图2 LM393电压比较器

第三种方案采用变压器反馈式振荡电路，又称互感耦合振荡电路，它是利用变压器耦合获得适量的正反馈来实现自激振荡，本方案采用共基极接法，发射极为输入端，集电极为输出端，反馈电路和发射极通过电容C2耦合，电容C2起隔直作用，该电路对三极管β要求不高，只要变压器同名端接线正确，便不难起振，变压器耦合，更容易满足阻抗匹配要求。用三极管9018和中周组成振荡电路，集电极接中周初级，基极接中周次级。在电容式传感器两极板间放入纸张观察周期变化，集电极与电容C5和CD4069串联，经过两个非门进行整形滤波，最后信号输入到74LS393进行16分频，由Q3输出的方波进入单片机进行纸张计数，最后通过显示电路得出结果。在Q值足够高和忽略分布参数影响的条件下，振荡电路的振荡频率就是LC回路的谐振频率，即：。如图3所示电路中，A、B为两极板构成的可变电容，通过改变纸张数量使电容值发生改变，因而电路的频率也会发生改变[3]。

图3 变压器反馈式振荡电路

综合三种方案电路测试结果，采用变压器反馈式振荡电路输出的信号最稳定而且周期变化比较明显，因此选用变压器反馈电路作为信号采集和脉冲产生电路。

3.3 控制与显示电路设计

控制电路主要由单片机与数码显示电路构成。单片机选用常见的AT89C51作为主控芯片，这种单片机具有价格便宜、烧写程序方便快捷、资源丰富、可用多种语言编程等诸多优点，单片机依据接收到信号的周期长短的不同输出数据送至数码管显示出纸张数量，达到纸张计数的目的。纸张显示数据比较简单，选用驱动简单、价格便宜的8位共阴极数码管显示电路，利用单片机的串行口移位寄存器工作方式，使用74HC595芯片驱动数码管。74HC595自带锁存功能，与单片机连接的线少，占用单片机资源少。输入共阴极数码管，显示需要的数据[4]。而且它能够锁存数据，更符合设计要求。

3.4 整体电路

整体电路如图4所示，振荡电路通过极板A与极板B构成的电容进行充放电后产生频率约为2M的高频振荡信号，为使信号便于单片机进行测量计数，将输出信号进行通过CD4069进行整形，转化为削去负半周的同频方波信号。由于信号频率过高，且AT89C51的运行速度有限，为得到更加稳定且准确的数据，将经过CD4069整形后的信号输入74LS393进行16分频处理，再将信号输入单片机测量端口，单片机经过内部信号处理，经两路分别输出信号到语音提醒电路和数码显示电路显示出纸张测量数据。

图4 整体电路

4 程序的设计

程序分为计数部分、校准部分和显示部分，单片机接收到脉冲信号以后，启动定时器，定时时间为20ms，当定时器发生一次溢出中断以后，单片机定时器的计数模式，记录接收到的脉冲个数。正式测试之前，首先进行校准，放入15张纸测量脉冲个数，将得到的脉冲个数与自己设置的15张纸脉冲个数相比较得出差值，即校准完成。正式测试将测试部分得到的脉冲值与校准部分得到的差值相加，所得值与已存的标准值进行比较，最后由数码管显示。程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

5 测试结果及误差分析

5.1 测试结果

脉冲产生电路的振荡频率随纸张数量的变化而变化，纸张数量越少，电容容量越大，周期变化越明显，有关数据计算也就越简单；纸张数量越多，电容容量越小，周期变化越微弱，有关数据计算也就越困难，在距离极板A和极板B约500mm处放置不同数量的A 4纸进行测量，可获得一系列的测量校准信息。在单位时间内，放入电容传感器极板间的纸张数量发生增加变化，促使电容极板间距变大，容量变小，采集电路中的频率增大，通过脉冲整形电路的脉冲信号的周期将变小，经过振荡电路产生具有稳定周期的方波信号。方波进入单片机进行编译计数，单片机能够快速准确实现数据和频率的转换处理，根据单位时间内脉冲数量与校准部分得到的差值相加，得到的脉冲值与已存的标准值进行比较，计算出特定的纸张数量，通过AT89C51芯片的计算处理，将信号送到显示驱动电路，最终数码管短时间内显示纸张的数量。

当极板A和极板B电极之间短路时，电路很难起振，单片机基本检测不到脉冲，此时数码管显示“99”。给定1～10张不等的纸张数，每次在纸板间放入被测纸张并固定后，一键启动测量，5秒内显示出纸张数量，并发出一声蜂鸣。测试时在电容式传感器两极板间放置30张A4纸并固定好，输入5V的直流电压，观察示波器上波形的周期，然后抽出5张纸继续观察示波器的变化，将纸张数量和方波周期分别记录下来，如表1所示。

表1 测试结果

通过测试和验证，纸张数量与方波周期成反比，根据纸张数量与方波周期的对比值，找出特定纸张之间的差值规律，对检测电路做好抗干扰处理后，小规模数量纸张测试的准确率可达到98%以上。

5.2 误差分析

检测数据的误差主要由以下几个方面引起：（1）负载发热引起的误差：负载阻值会随温度的升高而发生一定的变化，从而引起数值变化给电路带来一定的误差，该误差影响小，无法避免。（2）电容极板自身引起的误差：由于测试电容两极板面积小，重量轻，纸本身具有一定的张力引起极板间距离的变化，导致误差。（3）电路本身的误差：电路的焊接技巧、元器件排版的不规范等造成的信号干扰所造成的误差。（4）外界干扰引起的误差：空气湿度的变化，温度的高低，以及不同测试纸张间自身厚度存在的差异，对测量结果产生的误差。

6 结语

本文采用比较简单的电路来实现纸张计数功能，利用电容传感器的参数的变化，将电容量的变化转换成脉冲信号的变化，通过波形整形电路把信号输送单片机控制电路来进行数据处理，最后由数码显示电路显示纸张数量并由语音提醒电路提醒；解决了在人工计数时容易出现计数不准的问题，提高了工作效率，成本低，电路结构简单，容易实现。该方案能够很好地对小数量纸张进行准确计数，拥有良好的市场应用价值[5]。