基于STM32F1的紙張計數顯示裝置的設計與實現*

江永鑫，黃晨，江若薇，尹序臻

（廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

在金融行業和印刷行業中，傳統的紙張計數主要采用機械計數設備與物理粗略計算等辦法，但采用機械設備計數廣泛存在著噪聲大、速度有限、精準度不高的缺點，對于紙張的尺寸和厚度以及材質有一定的要求，容易對紙面造成磨損。而采用物理粗略計算，需要許多次測量數據，存在機械誤差、人為誤差等因素，準確性不高，并且過程耗時耗力。隨著傳感器技術的不斷發展，傳感器在生產生活中具有廣闊的應用，電容式傳感器具有穩定性好、結構簡單、靈敏度高等優點。

1 紙張計數原理分析

紙張數與電容值的關系，按照電極板所組成的電容決定式：

式中，C表示電容值，S為兩平行極板之間的正對面積，ε是材料的介電常數，d為兩平行極板之間的距離，ε0表示自由空間介電常數（8.85×10-12F/m），為靜電力常數（9.0×109N·m2/C2）。

依據上述公式，可以推導出隨著兩平行極板間放入紙張數量的增加（即兩平行極板間距d增大），使電容值C減小；隨著兩平行極板間放入紙張數的減少（即兩平行極板間距d減小），電容值將會增大。

首先依次測量并記錄1張到30張A4紙在置于裝置中時反饋回來的經程序中數學公式計算出來的電容值，自變量為FDC2214電容傳感器模塊測量反饋回來的電容值，因變量為其相對應的紙張數量，用MATLAB軟件進行有理數數據擬合，得出最佳求解紙張數量的數學模型為Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1）形式的函數。

圖1 MATLAB數據仿真結果

如圖1所示為利用MATLAB軟件對30組測量數據進行仿真，通過有理數擬合得出的數學函數模型——Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1）。

式中P1，P2，q1為函數模型的待定系數，自變量χ為電容值，因變量y為紙張數量。根據MATLAB數據仿真結果所示，對Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1）模型多重測定系數R-square數值高達0.9998，近似等于1，表明函數對y軸具有極強解釋能力，故可用此方程解析。

2 系統總體設計

本裝置的系統設計框圖如圖2所示。

圖2 系統設計框圖

該系統以STM32單片機為控制核心，由電容傳感器數據采集單元、數據分析處理單元、數據輸出顯示單元三大部分構成。結合電容式傳感器FDC2214、獨立按鍵功能、OLED顯示模塊、蜂鳴器警報模塊等，實現自校準功能、檢測兩平行極板間是否短路功能、測量裝置中紙張數量功能、數據顯示和語音播報功能。

該紙張計數裝置可以識別不同環境不同規格不同厚度的張紙，利用電容式傳感器FDC2214實時采集平行板電容器的兩金屬極板間的電容值進行記錄并保存，從而進行自校準數據擬合曲線的待定系數，實現對紙張的不同數量的測量。

3 硬件設計

3.1 模塊選擇

3.1.1 STM32F103單片機

該系統中MCU采用STM32F103單片機，集成度較高，具有功能強大、效率高的指令系統，以及高性能模擬技術及豐富的外圍模塊，并且開發編程環境操作簡便。在系統中MCU對OLED顯示模塊進行數據輸入、對FDC2214電容傳感器模塊的數據進行讀取，同時對數據和擬合曲線進行計算以得到不同參數下的最終結果。

3.1.2 FDC2214電容傳感器

選用FDC2214電容傳感器模塊采集數據，該模塊的原理為：將一個電感和電容與芯片每個檢測通道的輸入端連接，構成LC振蕩電路，產生一個振蕩頻率，根據該頻率值進行數學計算出被測電容值。其精度可達28位，具有抗噪聲、高分辨率、高速等多種特性，并且較為穩定易于操作，滿足測量紙張的基本要求，將FDC2214電容傳感器模塊采集的電容數據轉換為頻率信號通過IIC傳輸給MCU再計算得出銅板間的電容值。原理圖如圖3所示。

3.1.3 電源模塊

電源方面選擇使用穩壓電源模塊供電，作用是穩定輸入電壓以減少傳感器的讀數誤差。原理圖如圖4所示。

圖3 FDC2214電容傳感器電路原理圖

圖4 電源模塊原理圖

3.1.4 OLED顯示模塊

采用四針OLED顯示模塊，可以顯示文字、數字、圖像等信息，具備成本低，規格小巧輕薄，且能耗低的特點。該模塊可通過I2C受MCU控制可以較為簡單地顯示操作界面與測量數據。

4 結構設計

本裝置的結構如圖5所示。

圖5 裝置結構圖

極板建議采用的是5 mm×5 mm純銅板，被測紙張載體利用活動式三邊結構，可以實現根據紙張大小調整限位實現將被測紙張較好的限位，進行測量不同規格紙張，實現將被測紙張限位。并配置極板限位卡和重物使被測紙張產生一定的形變、被測紙張之間的空氣擠出，再通過檢測模塊得出極板間電容值，進而判斷紙張數量。根據電容決定式C=ε0εS/4πkd，可知極板電容的容值受極板間距的影響，在人為取放紙的過程，紙張與紙張之間容易殘留空氣造成隨機誤差，如果采用非恒力式排除空氣，易造成紙張產生的形變不同造成偶然誤差。故采用恒力重物配合極板限位卡來控制極板電容，從何避免偶然誤差，在結構上提高測量的精準度。

5 軟件設計

5.1 主程序

軟件系統主要分為5大部分，分別為主程序、FDC2214數據采集子程序，按鍵功能選擇子程序，OLED顯示子程序以及自校準功能子程序。程序流程圖如圖6。

首先，單片機初始化，進行短路檢測，若電路正常，OLED初始化，通過按鍵進行功能選擇，進入自校準功能，單片機發送指令使FDC2214傳感器開始采集數據，MCU對所傳回的數值進行分析計算，得出極板間電容值。初步判斷紙張數量是否符合程序對方程關系式，若正確，算法計算后得出的紙張數量再經過OLED顯示模塊進行實時顯示并語音播報所測得紙張數量。

5.2 自校準功能子程序

由于在濕度溫度不同的情況下，材料的介電常數會發生細微的變化，每次讀出的電容值必然有所誤差，因此在方案中，將得到的電容值與測試紙張的數量建立數學模型，進行擬合，得到兩者的關系方程，發現其近似于一個反比例函數。通過測量前依次采集電容值，在自校準子程序中，編寫程序對方程關系式中的參數進行校準，對于被測紙張數量的不同范圍，通過取不同的數據點數量對該范圍內的方程待定系數P1，P2，q1進行校準模型 Y=（P1*χ+P2）/（χ+P1），使測量的精準度得以保證。自校準子功能程序流程圖見圖7。

圖6 程序流程圖

6 系統測試方案與結果

6.1 系統測試方案

在樣本容量小（1～30）的區間內，測試均對各種數值的紙張數量即樣本進行測試檢驗。在樣本容量大（＞30）的區間，也采用遍歷法，將紙張數量由30遞增，在達到可疑的最大測量值時，多次測量，防止偶然誤差。

圖7 自校準功能子程序流程圖

在進行測量1～30張紙模式的自校準后，依次將1到30張紙張放入到裝置中，按檢測按鈕，觀察OLED屏幕是否顯示正確張數。隨機準備30張以內的紙張數量一同放入裝置中，按檢測按鈕，觀察OLED屏幕是否顯示正確張數，測量2次，記錄其數值。

在進行測量30張紙以上模式的自校準后，一張一張往上添加A4紙，依次測試，觀察OLED屏幕是否顯示正確張數。若正確，則繼續；若錯誤，在錯誤處重復測量4次，判斷是否為偶然誤差。若4次全對，則繼續添加紙張，否則記錄值，作為最大測量數量。

6.2 系統測試結果

經過多次的實驗測量發現，紙張數目在50張以內，準確率達100%。然而紙張數量超過60時其傳感量化的數據的變化已經極小，甚至當達到75張時所得到的數據基本上已經不再發生變化。綜上測試說明本設計符合要求指標。

7 結語

本文介紹的一種基于電容傳感器測量和單片機控制，利用OLED 模塊顯示以及語音模塊播報紙張數量，設計一款結構簡單、生產成本低、計數快速精確，且對紙張無損的紙張計數顯示裝置，在金融行業和印刷行業中，有著一定的現實生產應用價值，具有可靠發展前景。