基于STM32F103單片機的紙張計數顯示裝置設計

李海 王慧 趙浚堅 周志毅

摘要：紙張計數顯示裝置基于RT-Thread實時操作系統，硬件平臺采用STM32F103單片機為主控制器，以具有抗電磁干擾（EMI）架構的模塊作為電容采集傳感器，通過屏蔽雙絞線連接至兩銅極板，讀取采集的數據并進行相應判斷，應用觸摸屏和語音模塊進行狀態顯示與播報。

關鍵詞：CD4069;卡爾曼濾波;模糊算法;RT-Thread STM32

中圖分類號：TP83 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）06-0008-02

0 引言

紙張計數顯示裝置涉及的主要就是測頻率值，通過CD4069非門構成的非對稱式多諧振蕩器，頻率不會出現范圍跳動，相對穩定，非門構成的非對稱式多諧振蕩器的振蕩頻率理論上可以高達4M，實際我們測的話能達到2M左右，頻率越高，最后測紙數越多的時候它的區分度越好。通過主控芯實現計數功能、計時功能和頻率換算，之后進行算法編程，計算出紙張數量，最終實現人機交互，并由1602顯示[1]。

1 總體方案設計

本系統主要由電容式傳感器模塊、測量方案的論證與選擇、壓力式結構、控制系統組成，以STM32F103單片機為核心，利用單片機的計數定時功能實現頻率計數，并且采用加權平均算法，借鑒于卡爾曼濾波算法。其次，在模糊控制中有多重解模糊的方式：面積平分法、加權平均法（重心法）、平均最大隸屬度法等。根據系統的特性，我們選用平均最大隸屬度法進行解模糊運算。結合這兩個算法減小誤差，最終計算出紙張數量并送到顯示電路顯示。

2 硬件電路設計

本系統裝置系統結構框圖如圖1所示，裝置STM32模塊、電容極板（采集紙張數量模塊）、CD4069、驅動層、LCD顯示模塊組成。以STM32F103單片機作為主控芯片來完成該信標智能檢測系統。

2.1 測量和壓力式結構模塊

用放置重物壓緊，四周打定位孔用螺栓插入，使其相對面積基本保持不變。這種方式制做稍微繁瑣，但兩個極板之間的受力較為均勻，調試方便，穩定性較好[2]。

CD4069非門構成的非對稱式多諧振蕩器，頻率不會出現范圍跳動，相對穩定，非門構成的非對稱式多諧振蕩器的振蕩頻率理論上可以高達4M，實際測能達到2M左右，頻率越高，最后測紙數越多的時候它的區分度越好。

2.2 控制系統模塊

系統使用ST公司的STM32F103，STM32系列是一款基于Cortex-M3內核的中低端的32位ARM微控制器，最高工作頻率可達72MHz。內部帶有高速、高精度定時器，將其時鐘源配置為外部時鐘，就可以對外部脈沖信號進行脈沖計數，還帶有單周期乘法和硬件除法。為了保證系統的測量的精度和設計所限制時間，決定選用STM32F103單片機。

3 軟件設計

3.1 系統總體工作流程

軟件部分主要分成用戶交互設計以及數據處理算法設計，基于RT-Thread實時操作系統，利用系統的線程調度完成各個模塊的程序處理[3]。

3.2 程序設計思路

在整體軟件中，首先在觸摸屏菜單進行人機交互，進入不同的功能調用不同的控制函數與數據處理算法。程序線程調度，主要分為簡單任務以及核心算法算法任務。簡單任務為IO設備、觸摸屏、OLED屏幕、語音模塊、NB-IOT模塊等設備控制;核心控制算法任務為CD4069電容模擬值采集、卡爾曼濾波以及模糊求解最大可能性落點區間，從而得到當前紙張數量。

3.3 系統理論分析與計算

3.3.1 加權平均算法

本次設計中，軟件方面采用了加權平均算法，借鑒于卡爾曼濾波算法。根據觀察可以發現，下一秒的頻率值永遠比上一秒的頻率值更準確（在僅考慮間距的狀態下），因此可以分配給下一秒的頻率權重值更大，而上一秒的權重更小。在算法中，一共在一秒內采集5個數據（200ms定時采集一次），那么這5個數據一定有著不同的權重值。人為設定為第一秒權重為0.1;第二秒權重為0.1;第三秒權重為0.2;第四秒權重為0.3;第五秒權重為0.3，權重總和為1。那么這個新數據肯定是這五個數據的加權平均值。將新數據作為最終當前紙張的頻率值。

3.3.2 模糊算法

在模糊控制中有多重解模糊的方式：面積平分法、加權平均法（重心法）、平均最大隸屬度法等。根據系統的特性，我們選用平均最大隸屬度法進行解模糊運算。模糊推理結果為輸出論域上的模糊集，通過平均最大隸屬度法，取模糊集中具有最大隸屬度的所有點的平均值作為去模糊化的結果，由此可得到論域上的精確值[4]。

4 電路的測試結果集分析

測試數據分析：

（1）保持測試環境不變，采集50個樣本，通過MATLAB擬合出紙張頁數與傳感器原始數據的曲線關系。

（2）根據（1）中采集50個樣本，確定電容模擬值及紙張數論域，劃分模糊子集。

（3）根據（2）中劃分的模糊子集，保持測試環境不變，固定測量35張紙張，采集到的原始數據90%落入35張頁數所對應的區間[401.35，399.50]。

（4）根據（2）中劃分的模糊子集，保持測試環境不變，固定測量46張紙張，模擬值大部分落入46張頁數所對應的區間[383.6，382.7]。

分析與結論：根據上述測試數據可知，采集到的原始數據與紙張數大致呈冪函數關系，通過劃分規則控制表，確定每個區間的隸屬度，可推算出當前的紙張數量。隨著紙張數量的增加，頻率變化逐漸變小，造成紙張越過范圍后，測量誤差越大。

5 結論

本系統在完成了題目要求的同時，還增加觸摸屏進行人機交互，具有十分友善的GUI，并增加了語音提示功能。系統的穩定測量源于機械結構的創新特性，采用固定鉸鏈式抗干擾結構，確保上下極面的正對面積保持不變。整個系統的構建源于機械結構、電路設計、軟件設計的合理架構，最大亮點是基于RT-Thread實時操作系統進行線程調度，極大程度的利用了MCU的資源，使得系統響應快、穩定性高。此外，基于電容檢測的特性，增加了擴展功能以適應一些生活應用場景，包括材料識別，預先采集材料閾值，進行不同材料的區分;紙幣識別，識別不同紙幣的面額。

參考文獻

[1] 譚浩強.C程序設計[M].第2版.北京：清華大學出版社，1999.

[2] 周靜，鄭卉.C語言程序設計實例教程[M].北京：中國人民大學出版社，2011.

[3] 李良榮.現代電子設計技術：基于Multisim 7[M].北京：機械工業出版社，2015.

[4] 石偉，龍永紅.基于灰度投影法的硬板紙計數方法研究與實現[J].包裝學報，2015，25（4）：47+51.