電容式薄膜計數器

相釗，蔡耘韜，陳志明

（佛山科學技術學院，廣東佛山，528231）

0 引言

隨著電子設備的智能化，人機交互計數成為當前電子信息和計算機科學研究的重要方向。在傳統的測量的方法中，有人工計數薄膜的測量方法，但是該方法效率低下，不適合大規模的測量，隨著的增加，出錯率也會增加，還有一種是直接側面拍照法，它是通過對所測的側面進行拍照，然后依據頁與頁的邊緣線數量來計算數量，不僅取決于所選攝像頭的像素高低，還與圖像處理技術有很大關系，往往測量的準確度達不到測量要求。為了實現更高精度與更快時間的要求，本設計采用一種基于FDC2214電容傳感器數量測量的系統。由電容傳感器芯片采集不同數量的電容值信息,將數字化頻率值通過I2C送入STM32F4單片機中進行處理,根據實驗數據建立的模型,進行數字處理，從而將電容值信號轉換為數量,實現測量不同數量的功能。

1 項目概述

計數器，其核心部分為電容值得測量，根據研究的初期方法，測量電容值的方法采取的是全波整流電路，其中全波整流電路是自主設計的，各元器件參數均要通過理論分析與實際測量得出，電容測量的性能指標與設計電路密切有關，設計電路抗干擾能力越好，則輸出結果越準確。隨著研究的不斷深入及發展，電容式薄膜計數器要求電容采集模塊高精度、低功耗、抗干擾能力強、與單片機通訊方式簡單，因此目前制作電容式計數器大多數都采用TI公司的FDC2214 電容值測量模塊來測量電容值得變化。此FDC2214模塊具有多通道電容數字轉換器，可對噪聲和干擾進行高度抑制，同時在高速條件下提供高分辨率。

壓薄膜方案則采用25mm厚輕透明亞克力板上固定雙面覆銅板，上層亞克力板給予固定壓力，利用 FDC2214 測量不同數兩極板之間電容值。 經過擠壓，與之間空腔消失，且不會受到放置方式和輕微變形的影響，同時重塊壓制后的數據變化明顯，規律明顯。通過軟件構建數學模型后，得到準確的回歸方程。

圖2 LM2596S-ADJ電源模塊原理圖

數據分析處理模塊則選擇單片機來與電容檢測模塊通訊，將數據進行收集，對極間電容值與相應數量通過軟件構建數學模型，得到電容值與數量的函數關系式及圖像。

目前電容式計數器作品是較為成熟，但是能夠同時滿足其他薄膜領域測量的并不多，因此電容式薄膜計數器會進一步發展。

2 項目設計

■ 2.1 電源設計

項目降壓模塊使用LM2596S-ADJ作為降壓芯片，參照芯片數據手冊和實際需要進行器件的選型，通過電位器實現電壓值的輸出調節，該模塊可實現2 07~22 3V穩定電壓輸出，使用LED燈的亮滅表示該降壓模塊是否處于工作狀態。

圖3 LM2596S-ADJ電源模塊PCB

■2.2 傳感器FDC2214模塊設計

FDC2214模塊具有多通道電容數字轉換器，可對噪聲和干擾進行高度抑制，同時在高速條件下提供高分辨率。其傳感平面，即為導體材質，當薄膜接近該導體傳感平面時，傳感端的電容發生了變化，這就會導致LC電路振蕩頻率的變化，進而可用于對極板間一定數量的薄膜進行電容檢測，從而反映出薄膜的變化，以及數量的判定。

圖4 FDC2214模塊原理圖

圖5 FDC2214模塊PCB圖

■ 2.3 程序設計

本項目是通過I2C建立與STM32F4內核的通信，利用串口通信進行電腦與單片機的聯系，首先，初始化FDC硬件，I2C，和串口等設施，然后讀取FDC硬件的地址為0x7E和0x7F的ID，判斷FDC2214與STM32通信是否正常，如正常可開始讀取通道數據，通過讀取的數據進行換算，然后手動測試增加薄膜數量后的電容值的數據，并記錄到數組中進行匹配。其設計流程圖如圖6所示。

圖6 設計流程圖

該設計以STM32單片機為主控芯片，通過STM32中的I2C通信協議進行測量，電容采集裝置使用的是FDC2214電容傳感器裝置，通過兩極板測量不同，我們使用的是多通道的FDC2214，其電容計算公式如下所示：

其中，C為并聯傳感器電容。

FDC2214傳感器頻率如下所示：

其中，DATAx為DATA_CHx寄存器的轉換值。

I2C通信的寫時序和讀時序圖如圖7~圖8所示。

圖7 I2C寫寄存器時序（來源于FDC2214芯片數據手冊）

圖8 I2C讀寄存器時序（來源于FDC2214芯片數據手冊）

程序設計方框圖如圖9~圖10所示。

圖1 項目整體設計框圖

圖9 寫程序框圖

圖10 讀程序框圖

FDC2214通過I2C協議會給單片機進行反饋，通過串口顯示到計算機屏幕上，然后每當放一張薄膜的時候就記錄多組數據，通過軟件進行數據監控范圍，每次測量100組數據，然后打印出一張薄膜會出現的范圍，然后去掉頭和尾部的10組數據，取最佳范圍依次增加的數量進行測量數據會出現的范圍，以此類推，當得到相當大的數據量后，找出每增加一張的電容值會變化多少的差值范圍，由于兩極板間硬件的誤差太大，我們于是采用每次增加3張，以此測出來的效果為最佳。

又因為每次放的時候，不能保證兩極板間的完全平行，所以實驗會出現誤差，于是我們采用自動學習功能，每次開機啟動的時候會分別對五張，十張，十五張，進行校對參數，根據平行板電容器計算公式 C=εS/4πkd 校準 k 值，于是可以更好的進行因為種類等等原因的測量。然后經過測量出大量的數據后，使用軟件繪圖，找出最具概率性的電容差別值。

圖11 程序設置原理框圖

3 測試數據

經過多次測量與統計，共統計0~50張薄膜各30個數據，處理得出數據圖表如表1所示。

表1 處理后測試數據

27361968 27375883 27198793 27333833 27190421 27202290 27214134 27375031 27182904 27333236 27188378 27200067 27235463 07 27375321 97 27188953 03 27333525 93 27189249 8 27201754 33 11 12 13 14 15 16 27458881 27413782 27420553 27421028 27421206 27262307 27404865 27406986 27416184 27420380 27420502 27249688 27434108 1 27411497 23 27416628 37 27420738 87 27420833 17 27255873 47 17 18 19 20 21 22 27449683 27477319 27473718 27473321 27465973 27449657 27447863 27466973 27465922 27472918 27465275 27444865 27448516 1 27467906 1 27472473 27473115 97 27465693 23 27447289 1 23 24 25 26 27 28 27444865 27446812 27448561 27449734 27443911 27211335 27444013 27446338 27445160 27447837 27442840 27208362 27444352 5 27446685 23 27448143 63 27448410 7 27443678 33 27209521 5 29 30 31 32 33 34 27207291 27232572 27262078 27280465 27194324 27426825 27204817 27230649 27249615 27271797 27031051 27426223 27206386 27 27232203 5 27254560 67 27278434 93 27165974 07 27426573 27 35 36 37 38 39 40 27435768 27436915 27432072 27435044 27447037 27441290 27435044 27435320 27271174 27434519 27440368 27440842 27435399 93 27436356 37 27288665 43 27434878 97 27441947 67 27441074 87 41 42 43 44 45 46 27439618 27441739 27438670 27441367 27441265 27441566 27438868 27439964 27438241 27441066 27440816 27440938 27439301 27 27440235 67 27438456 93 27441246 1 27441085 83 27441379 23 47 48 49 50 27441566 27467075 27475640 27440740 27440938 27466550 27473693 27206664 27441379 23 27466820 27474457 97 27432737 47

圖12 整體數據圖

圖13 最大值數據圖

圖14 最小值數據圖

圖15 平均值數據圖

4 結論

外界條件是引起測量誤差的重要因素。外界條件，如測量極板夾緊程度、溫度、濕度等因素，在一定程度上使得測量值存在一定的偏差，與之間真實值存在一定誤差。因此，保持相對穩定的測量環境是十分重要的，即每次測量時需要將這些外界因素的值控制在一個相對穩定的范圍內。

通過多次測量，發現單次測量效果好，每種數量的測量誤差小，但是略有瑕疵，測量時不能使得每次測量極板的夾緊程度保持一致，在測量上實現效果好，但夾持薄膜方面還有待改進。