基于芯片電容變化的紙張計數裝置設計與實現

2020-03-18 16:34:10楊金糧趙劍峰朱志揚

江蘇科技信息 2020年1期

楊金糧，趙劍峰，朱志揚，朱瑛

（河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100）

0 引言

紙張計數是工業生產中常見的操作，相關企業為了準確掌握貨品的庫存情況，需要對紙張進行計數。因此，研究出一種新的基于高效、無噪聲、對紙張基本無損害的紙張自動計數系統顯得尤為重要。目前，在紙張計數方式、紙張計數算法等方面，國外的研究成果大部分以專利形式呈現出來［1-2］。國內也做了較多研究，李榮旺［3］根據筆尖劃過一疊錯開的紙的邊緣時都會產生一組聲音脈沖，利用單片機AT89S52針對聲音脈沖組進行計數，以此來確定紙張數目。楊丹君等［4］從板紙圖像的列灰度特征出發，找到紙張間隙灰度變化的跳變點，根據所找到的跳變點進行計數。胡名雨［5］從紋理圖像分析的角度來進行研究，將層疊紙張邊棱條紋看作條紋紋理，對紙張邊棱的傾斜校正進行研究。單片機是一種智能控制器件，可實現弱電之間的互聯通信，信號傳輸。自20世紀90代以來，單片機技術得到長足發展，目前已被廣泛應用于各個領域。本方案提出以電容的變化代替紙張數量的變化，并將其轉化為頻率信號返回至單片機，通過輸出頻率來計量紙張數量。

1 系統方案設計

基于低功耗、低成本且高分辨率的電容式傳感，由于放入紙張數量的不同，其相應的電容大小也會有所區別，特選定以電容的變化代替紙張數量的變化的設計方案。利用電容變化明顯、精度較高的FDC2214驅動芯片可測出電極鐵片上的電容，選用具有完善的保護電路、電流限制及熱關斷電路且不受環境影響的穩壓芯片LM2596給驅動供電，將5 V轉化為3.3 V，然后給驅動供電并測出電極鐵片上的電容，并將其轉化為頻率信號返回至單片機，計算輸出得到輸出頻率，通過XS128單片機開發環境和CodeWarrior平臺編程設計相應算法，以此來計量放入兩極板之間的紙張數量。系統總體方案如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件電路設計

2.1 電容測量單元電路設計

本單元電路主要是基于FDC2214驅動芯片進行電容測量。首先，將兩極板所對應的電容值通過導線并依循IIC通信連接至芯片讀取端口。其次，利用均值濾波以減少誤差，進而判斷出放入不同紙張數量時的電容變化。最后，以頻率形式輸出到抗干擾較好的XS128單片機，選用LCD1602字符型液晶顯示器顯示紙張數量。給FDC2214串口轉接模塊供電后，若模塊紅色指示燈亮，說明芯片已經配置成功，此時則可通過單片機的串口讀取數據。FDC2214電容傳感器電路設計原理如圖2所示。

2.2 變壓穩壓單元電路設計

為使測量數據更加可靠與穩定，同時考慮到FDC2214驅動的最佳工作電壓為3.3 V，而單片機的輸出電壓為5 V，故選用具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷路等優點的LM2596芯片調整電壓。使用穩壓LM2596芯片，不僅可使FDC2214驅動處于最佳工作狀態，還可避免測量數據因供電電源不穩定而發生波動的情況發生。變壓穩壓電路設計原理如圖3所示。

2.3 功能模塊的實現

2.3.1 按鍵模塊設計

采用獨立式按鍵電路，每個鍵單獨占有一個I/O接口線，每個I/O口的工作狀態互不影響，鍵盤采用端口直接掃描方式。編程時采用鍵盤掃描函數，不僅容易實現，且電路設計簡單。

2.3.2 顯示模塊設計

從亮度、功耗以及刷新速率等方面考慮，選用當前被廣泛使用的LCD1602字符型液晶顯示器作為顯示模塊。該模塊能夠顯示英文字母、阿拉伯數字和一般性符號。LCD1602液晶模塊的讀/寫操作、顯示屏和光標的操作均可通過指令編程來實現，LCD1602與單片機的連接采用直接控制方式。

2.3.3 自校準模塊設計

考慮到不同種類的紙張厚度或介電常數等特性可能存在差異，因此，設計了自校準模塊來克服這種誤差。操作步驟如下。

（1）在正式測量紙張數量之前，按事先程序中所設計的按鍵，進入自校準模式。

圖2 電路設計原理

（2）在兩極板間放入10張A4復印紙與需測紙張種類完全一致的紙。

（3）等待2秒，待系統記錄該數據后按下確定鍵。（4）退出自校準模式，進入測量模式。

3 系統軟件設計

軟件系統分為自校準模式和測量模式。開機后，系統首先調用各個硬件模塊的初始化程序，進行初始化，包括液晶屏幕、單片機模式以及程序的變量。如果各模塊均正常，按鍵則進入自校準模式，自校準模式的自校準量為10張紙的數據。若未進行初始化操作，則測量的所有數據，都是被自校準量修正過的，倘如進行初始化操作，則自校準量清零，需要進入自校準模式重新進行賦值。自校準完成后，按鍵退出自校準模式，進入測量模式，將所測紙張對齊后放入測量區（兩極板之間），隨后系統會進行數據計算，計算結果呈現在液晶屏上的同時，蜂鳴器發出響聲作為提示。軟件設計流程如圖4所示。