基于LM331的紙張計數顯示裝置設計

王建衛，楊勛勇，張涵

（貴州工程應用技術學院，貴州畢節，551700）

0 引言

紙張已成為人們生活、工作中必不可少的物件，紙張計數廣泛應用于人們的日常生活以及工業生產中。在科技高速發展的今天，仍然存在人工計數或電子稱稱量等方式來實現紙張計數的現象。為了提高生產、工作效率，如何優化設計紙張計數系統已成為一個熱門問題。

目前市面上常用紙張計數設備主要分為兩類：即接觸式計數設備及非接觸式計數設備[1,2]。接觸式紙張計數器主要采用機械測量手段進行計數，典型的應用例子是驗鈔機；非接觸式紙張計數設備主要是基于圖像處理或機器視覺的紙張計數裝置[3,4]。本文基于LM331設計了一種小型簡易的紙張計數顯示裝置。

1 系統框圖與理論分析

1.1 系統框圖

系統框圖如圖1所示。利用STC89C52作為控制芯片，選擇NE555搭建方波振蕩電路，根據紙張的變化獲得相應的頻率值，利用LM331頻率電壓轉換電路將頻率的變化轉換成電壓的變化，再利用ADC0809搭建A/D轉換電路，實現模/數信號之間的相互轉換，最后將轉換出的數字信號傳送到單片機控制系統進行分析處理，同時通過數碼管顯示電路顯示放入極板間的紙張數。

圖1 系統框圖

1.2 理論分析

電容量是構成電容器的兩極板形狀、大小、相互位置以及介電常數的函數，忽略電容器邊緣效應時，平行極板電容的電容量為：

根據公式（1）可知，兩極板間放入的紙張數不同，由平行極板構成的電容的電容值也不同，不同數目的紙張對應不同的電容值，因而可根據電容值判定紙張數量。

NE555組成的振蕩電路如圖2所示[5]，通電后，電容開始充電，電壓由1/3VCC增加到2/3VCC時，NE555的3腳為高電平，VCC通過電阻R7、二極管D1向平行極板充電，電壓由2/3VCC降到1/3VCC時，NE555的3腳為低電平，平行極板通過二極管D2、電阻R8、R9放電，電容充電時間為：

電容器放電時間為：

由（2）、（3）式知輸出的波形頻率為 :

在頻率電壓轉換電路(如圖2)中，輸出電壓與輸入信號頻率之間的關系為[6]：

輸出電壓經模/數轉換電路轉換后即可轉換為相應的數字量輸出。

2 硬件電路設計

2.1 振蕩電路設計

NE555振蕩電路如圖2所示，使用平行極板代替電容C5，電源接通時，NE555的3腳為高電平，VCC通過電阻R7、二極管D1向平行極板充電，當平行極板間的電壓大于2/3 VCC時，NE555通過二極管D2、電阻R8與R9進行放電，NE555的輸出引腳從高電平轉為低電平；平行板間電壓降到1/3VCC時，NE555的輸出端再次跳變為高電平，這樣形成周期振蕩。當平行極板間紙張數目改變時，平行極板間充電時間隨之改變，相應的輸出頻率也隨之改變。

圖2 振蕩電路、頻率電壓轉換電路原理圖

2.2 頻率/電壓轉換電路設計

該電路是將脈沖頻率轉換為電壓信號，頻率與電壓之間成正比例關系。利用LM331搭建的頻率電壓轉換電路如圖2所示，C3與R4組成微分電路連接LM331的第6腳，當脈沖信號F的下降沿通過C3與R4組成的微分電路時，LM331的第6腳產生反向尖峰脈沖，當它大于1/3VCC時LM331內部的觸發器置位，內部電流源對電容C1充電，電源VCC通過電阻R3給電容C2充電，電容C1的電壓大于2/3 VCC時，LM331內部觸發器復位，電容C2迅速放電，同時電容C1通過電阻R1放電，完成一次轉換過程。輸入持續的脈沖信號將重復上述的過程，實現了頻率電壓的轉換。

2.3 模/數轉換電路設計

選用ADC0809搭建模/數轉換電路，該電路可以把0—5V模擬信號轉換成對應的0X00—0XFF數字信號。ADC0809的第10引腳連接到單片機的第31引腳提供時鐘信號，ADC0809的第23、24、25引腳輸入地址信號000，當第22引腳ALE=1時，ADC0809將地址存入地址鎖存器，選通第26引腳IN0為模擬信號的輸入引腳。開始轉換時，單片機把一個啟功信號傳送到ADC0809的第6引腳，START為上升沿時，復位ADC0809； START為下降沿時，信號轉換開始，在轉換的時候，該腳一直保持低電平狀態。當ADC0809的第7引腳輸出狀態是高電平時，結束模/數信號轉換，轉換結果放入鎖存器，該信號可以用作單片機的中斷請求信號。當它的第9引腳的輸入狀態為高電平時，開通輸出三態門，此時轉換結果傳送給數據總線。當單片機接收完數據，并發出指示信號，這樣便完成了一次模/數轉換。單片機控制電路原理圖如圖3所示。

圖3 單片機控制電路原理圖

3 軟件設計

3.1 程序功能描述

根據設計要求，程序主要實現控制ADC0809的模/數轉換、數碼管顯示讀數與點亮LED燈的功能。按下按鍵1，START=1，ADC0809復位；當START=0,EOC=1時模數轉換完成，LED燈被點亮，數據放入鎖存器；當OE=1時，轉換的結果被輸出到數據總線。數據處理結束時，單片機控制顯示器顯示相應的紙張數。

3.2 程序流程圖

如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 測試結果及分析

4.1 測試結果

實物作品測試如圖5所示，給系統上電，將示波器的數據線連接到555電路的頻率輸出端，地線接到電源負極，將數字萬用表的黑色表筆接入電源負極，紅色表筆接入LM331電路的電壓輸出端，在極板間依次放入數量不同的紙張，記錄示波器的頻率值、數字萬用表中電壓讀數及數碼管上顯示的紙張數，測試結果如表1所示。

圖5 實物作品測試圖

表1 紙張實測結果

4.2 測試分析

由測試結果可知，本設計完成了極板間紙張數的測量，可測量88張紙，當紙張數超過89張時存在1張紙的誤差，最大測量誤差為1.1%。產生誤差的主要原因是：隨著紙張數增加，電容的變化量逐漸減小，對應的頻率、電壓變化較小，由于系統精度不高、干擾因素多，很難準確識別這一微小變化。

5 結論

本文基于LM331設計了一種紙張計數顯示裝置，經測試，系統可精確測量88張紙，誤差為0，當紙張數超過89張時存在1張紙的誤差，最大測量誤差為1.1%。為了提高系統測量的準確性，該系統可做以下改進：（1）由于導線a、b之間存在寄生電容，導線離得越近電容越大，測量時導線被撥動也會影響測量結果，為了避免導線帶來的干擾，可對兩導線做靜電屏蔽處理，并把導線分開一定距離后固定導線；（2）該裝置對兩極板的結構設計要求比較嚴格，需要保證放入極板間的紙張整齊、間隙均勻，在設計時可改進極板結構提高系統測量的精確性。