基于單片機的紙張計數顯示裝置設計

胡輝

（商丘職業技術學院機電系，河南 商丘 476000）

1 引言

隨著社會的發展，人們生活水平的提高，對印刷制品的需求也在不斷增強，促使印刷行業快速發展，大量的紙張需要準確快速地進行計數。傳統的計數方式多以電機驅動機械裝置或者人工的方式來進行，這種方式在工業生產中會造成各種成本的提高，不適應現代化工業生產。市場上最新的計數方式是圖像識別計數，但實現難度比較大，環境會影響到計數準確性。采用一種極板電容傳感器作為紙張計數的檢測元件，利用51單片機控制，可將紙張計數裝置的經濟成本大幅降低，電路的實現比較簡單，不會造成紙張的損傷。只需要將紙張放在電容傳感器極板之間，計數裝置通過測量電路采集信息，送到信號放大電路和振蕩電路，保持振蕩頻率的穩定，使單片機在實現控制時能夠快速準確實現數據和頻率的轉換，就能快速計算出紙張的數量，并通過數碼管將紙張的數據顯示出來[1]。

2 系統方案

本裝置主要解決紙張數量計數，要在各種環境下將紙張的數據準確即時顯示出來，電路由傳感器、信號檢測電路、脈沖整形電路、單片機控制電路、數碼顯示電路、語音提醒電路及按鍵控制電路，其中單片機控制是整個裝置的核心部分。

圖1 系統結構框圖

3 硬件設計

3.1 傳感器選擇

采用兩塊銅板作為電容傳感器的兩個極板，根據電容傳感器的特性，，從式子中可以看出，平行板式電容傳感器的容量C與介電常數ε成正比，極板面積保持不變，靜電力常數k和極板間距d與傳感器容量成反比。這幾個參數的變化將直接影響傳感器容量的大小，紙張計數裝置利用這一原理，將紙張放入兩極板間，增加了電容傳感器的間距，使電容量發生改變，而檢測電路根據容量變化的大小與紙張數量變化多少進行電量比例的轉換[2]。

3.2 脈沖產生電路論證與選擇

信號采集電路有多種方案，其中選用NE555組成的多諧振蕩器產生矩形波，電容傳感器兩個極板之間放入紙張數量的不同，改變電容量的大小，使555多諧振蕩器產生不同頻率的脈沖信號，但由于該電路產生波形不穩定，仿真與實際相差較大等因素，因此放棄使用此方案。

第二種方案是采用電壓比較器LM393作為核心部件來產生脈沖信號，輸入端將電阻參數變化轉換成電壓信號傳遞給電壓比較器的同相輸入端，這個變化的電壓信號與反相輸入端的基準電壓信號相比較，當同相端電壓信號高于反相端電壓信號時，輸出端為高電平信號，此時位于反相端的電容開始充電；隨著電容兩端電壓的升高，同相端電壓信號逐漸低于反相端電壓信號，輸出端為低電平，此時電容開始放電，如此反復形成一個矩形波，再將輸出端的方波通過74LS393進行分頻，然后矩形波輸入到單片機進行計數，最后通過顯示電路得出結果。輸出的方波較穩定，但是改變紙張數量后方波周期變化不明顯，對數據測量工作加大了難度，而且產生的誤差會很大，所以此方案不可行。

圖2 LM393電壓比較器

第三種方案采用變壓器反饋式振蕩電路，又稱互感耦合振蕩電路，它是利用變壓器耦合獲得適量的正反饋來實現自激振蕩，本方案采用共基極接法，發射極為輸入端，集電極為輸出端，反饋電路和發射極通過電容C2耦合，電容C2起隔直作用，該電路對三極管β要求不高，只要變壓器同名端接線正確，便不難起振，變壓器耦合，更容易滿足阻抗匹配要求。用三極管9018和中周組成振蕩電路，集電極接中周初級，基極接中周次級。在電容式傳感器兩極板間放入紙張觀察周期變化，集電極與電容C5和CD4069串聯，經過兩個非門進行整形濾波，最后信號輸入到74LS393進行16分頻，由Q3輸出的方波進入單片機進行紙張計數，最后通過顯示電路得出結果。在Q值足夠高和忽略分布參數影響的條件下，振蕩電路的振蕩頻率就是LC回路的諧振頻率，即：。如圖3所示電路中，A、B為兩極板構成的可變電容，通過改變紙張數量使電容值發生改變，因而電路的頻率也會發生改變[3]。

圖3 變壓器反饋式振蕩電路

綜合三種方案電路測試結果，采用變壓器反饋式振蕩電路輸出的信號最穩定而且周期變化比較明顯，因此選用變壓器反饋電路作為信號采集和脈沖產生電路。

3.3 控制與顯示電路設計

控制電路主要由單片機與數碼顯示電路構成。單片機選用常見的AT89C51作為主控芯片，這種單片機具有價格便宜、燒寫程序方便快捷、資源豐富、可用多種語言編程等諸多優點，單片機依據接收到信號的周期長短的不同輸出數據送至數碼管顯示出紙張數量，達到紙張計數的目的。紙張顯示數據比較簡單，選用驅動簡單、價格便宜的8位共陰極數碼管顯示電路，利用單片機的串行口移位寄存器工作方式，使用74HC595芯片驅動數碼管。74HC595自帶鎖存功能，與單片機連接的線少，占用單片機資源少。輸入共陰極數碼管，顯示需要的數據[4]。而且它能夠鎖存數據，更符合設計要求。

3.4 整體電路

整體電路如圖4所示，振蕩電路通過極板A與極板B構成的電容進行充放電后產生頻率約為2M的高頻振蕩信號，為使信號便于單片機進行測量計數，將輸出信號進行通過CD4069進行整形，轉化為削去負半周的同頻方波信號。由于信號頻率過高，且AT89C51的運行速度有限，為得到更加穩定且準確的數據，將經過CD4069整形后的信號輸入74LS393進行16分頻處理，再將信號輸入單片機測量端口，單片機經過內部信號處理，經兩路分別輸出信號到語音提醒電路和數碼顯示電路顯示出紙張測量數據。

圖4 整體電路

4 程序的設計

程序分為計數部分、校準部分和顯示部分，單片機接收到脈沖信號以后，啟動定時器，定時時間為20ms，當定時器發生一次溢出中斷以后，單片機定時器的計數模式，記錄接收到的脈沖個數。正式測試之前，首先進行校準，放入15張紙測量脈沖個數，將得到的脈沖個數與自己設置的15張紙脈沖個數相比較得出差值，即校準完成。正式測試將測試部分得到的脈沖值與校準部分得到的差值相加，所得值與已存的標準值進行比較，最后由數碼管顯示。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

5 測試結果及誤差分析

5.1 測試結果

脈沖產生電路的振蕩頻率隨紙張數量的變化而變化，紙張數量越少，電容容量越大，周期變化越明顯，有關數據計算也就越簡單；紙張數量越多，電容容量越小，周期變化越微弱，有關數據計算也就越困難，在距離極板A和極板B約500mm處放置不同數量的A 4紙進行測量，可獲得一系列的測量校準信息。在單位時間內，放入電容傳感器極板間的紙張數量發生增加變化，促使電容極板間距變大，容量變小，采集電路中的頻率增大，通過脈沖整形電路的脈沖信號的周期將變小，經過振蕩電路產生具有穩定周期的方波信號。方波進入單片機進行編譯計數，單片機能夠快速準確實現數據和頻率的轉換處理，根據單位時間內脈沖數量與校準部分得到的差值相加，得到的脈沖值與已存的標準值進行比較，計算出特定的紙張數量，通過AT89C51芯片的計算處理，將信號送到顯示驅動電路，最終數碼管短時間內顯示紙張的數量。

當極板A和極板B電極之間短路時，電路很難起振，單片機基本檢測不到脈沖，此時數碼管顯示“99”。給定1～10張不等的紙張數，每次在紙板間放入被測紙張并固定后，一鍵啟動測量，5秒內顯示出紙張數量，并發出一聲蜂鳴。測試時在電容式傳感器兩極板間放置30張A4紙并固定好，輸入5V的直流電壓，觀察示波器上波形的周期，然后抽出5張紙繼續觀察示波器的變化，將紙張數量和方波周期分別記錄下來，如表1所示。

表1 測試結果

通過測試和驗證，紙張數量與方波周期成反比，根據紙張數量與方波周期的對比值，找出特定紙張之間的差值規律，對檢測電路做好抗干擾處理后，小規模數量紙張測試的準確率可達到98%以上。

5.2 誤差分析

檢測數據的誤差主要由以下幾個方面引起：（1）負載發熱引起的誤差：負載阻值會隨溫度的升高而發生一定的變化，從而引起數值變化給電路帶來一定的誤差，該誤差影響小，無法避免。（2）電容極板自身引起的誤差：由于測試電容兩極板面積小，重量輕，紙本身具有一定的張力引起極板間距離的變化，導致誤差。（3）電路本身的誤差：電路的焊接技巧、元器件排版的不規范等造成的信號干擾所造成的誤差。（4）外界干擾引起的誤差：空氣濕度的變化，溫度的高低，以及不同測試紙張間自身厚度存在的差異，對測量結果產生的誤差。

6 結語

本文采用比較簡單的電路來實現紙張計數功能，利用電容傳感器的參數的變化，將電容量的變化轉換成脈沖信號的變化，通過波形整形電路把信號輸送單片機控制電路來進行數據處理，最后由數碼顯示電路顯示紙張數量并由語音提醒電路提醒；解決了在人工計數時容易出現計數不準的問題，提高了工作效率，成本低，電路結構簡單，容易實現。該方案能夠很好地對小數量紙張進行準確計數，擁有良好的市場應用價值[5]。