基于FDC2214的紙張計數(shù)顯示裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣志偉

【摘 要】本設(shè)計以STM32F407單片機(jī)為控制核心，通過電容傳感器FDC2214實時檢測兩塊電極板所組成的電容器的電容，與已錄入單片機(jī)的電容值進(jìn)行比對，達(dá)到測量出此時兩極板內(nèi)所夾的紙張數(shù)量的目的，同時將紙張數(shù)量測試結(jié)果顯示在液晶屏上，具有準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低等特點。

【關(guān)鍵詞】紙張計數(shù);FDC2214

中圖分類號： TH693.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）31-0079-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.036

Design and Implementation of Paper Counting Display Device Based on FDC2214

JIANG Zhi-wei

（Kangda College Of Nanjing Medical University，Lianyungang Jiangsu 222000，China）

【Abstract】This design takes STM32F407 as the control core， detects the capacitance of capacitors composed of two electrode boards in real time by capacitance sensor FDC2214， and compares the capacitance value with the capacitance value of the input single chip computer， so as to achieve the purpose of measuring the quantity of paper in the two electrode boards at this time.At the same time， the paper quantity test results show that On the LCD screen，it has the characteristics of high accuracy，simple structure and low production cost.

【Key words】Paper count;FDC2214

1 紙張計數(shù)工作原理

1.1 紙張數(shù)與電容值的關(guān)系

根據(jù)電極板所組成的電容決定式：

C=εS/4πkd

其中ε為介電常數(shù)，S為極板正對面積，k是靜電力常量，d是極板間距離。每放入極板間一張紙，兩極板間的距離就會增加，電容就會減小，每加一張紙所測得電容都不同，因此可以根據(jù)電容的測量值來判定紙張的數(shù)量。

1.2 FDC2214電容傳感器

FDC2214是TI公司設(shè)計的一款高精度電容傳感器，分辨率高達(dá)28位，具有抗噪聲、高分辨率、高速等多種特性，可以用于接近傳感、手勢識別、液位檢測等多種應(yīng)用場景[1]。它具有四個通道，可以同時采樣四路電容數(shù)據(jù)，并通過IIC接口與單片機(jī)相連。筆者通過FDC2214的單通道測量不同數(shù)量紙張做介質(zhì)時電容數(shù)據(jù)如表1所示（注：不同環(huán)境下所測數(shù)據(jù)可能有所不同）。

如表1所示，滿足紙張數(shù)量越大電容值越小的規(guī)律，并且在紙張數(shù)量達(dá)到50張時電容值仍然具有較好的區(qū)分度，完全可以滿足紙張數(shù)量測量的要求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 總體設(shè)計

圖1 紙張計數(shù)顯示裝置的組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩塊平行極板（極板A、極板B）分別通過導(dǎo)線a和導(dǎo)線b連接到電容傳感器，再通過IIC接口與開發(fā)板相連，開發(fā)板自帶電源模塊連接到5V電源即可。開發(fā)板帶有液晶顯示模塊，通過下載到開發(fā)板中的程序可測量并顯示置于極板A與極板B之間的紙張數(shù)量。

2.2 硬件設(shè)計

兩平行極板均采用尺寸為50×50×0.8mm紫銅板組成，紫銅板各引出一根導(dǎo)線到FDC2214的通道1上，導(dǎo)線a和導(dǎo)線b均采用0.5mm單芯單股導(dǎo)線。將FDC2214通過兩根杜邦線作為IIC總線與STM32相連，由于開發(fā)板自帶降壓模塊直接連接到5V電源即可。

表1 紙張數(shù)量與電容值的關(guān)系

特別需要說明的是，因為對于紙張測量來說，電容值的測量精度要求很高，所以需要特別設(shè)計機(jī)械壓緊機(jī)構(gòu)。機(jī)械壓緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求包括：①保證兩極板平行壓緊，每次增加紙張必然要移動測量極板，此時必須保證每次移動后兩極板的固定位置不能變化，否則會造成兩極板的正對面積發(fā)生變化而形成系統(tǒng)誤差;②要有一定的重量和壓力能夠壓緊所測紙張，不會造成紙張數(shù)量增加后紙張中間存在空氣間隙而造成誤差。

按照以上的要求設(shè)計的機(jī)械壓緊機(jī)構(gòu)如圖2所示。筆者在測量過程中還注意到存在如下現(xiàn)象：當(dāng)紙張放入兩極板中間，放下極板后，測量電容的瞬時值會逐漸增大，等待一段時間后顯示測量值才趨于穩(wěn)定。筆者猜測原因可能是剛放下極板時，兩極板的紙張中間存在空氣間隙，在壓緊過程中隨著空氣被排出，兩極板的距離減小從而電容值增大。這就要求我們必須在極板放下后等待示數(shù)穩(wěn)定后才能讀數(shù)，否則會因為電容值還沒穩(wěn)定造成讀數(shù)和判別錯誤。

圖2 機(jī)械壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.3 軟件設(shè)計

采用定時器中斷方式不斷讀取FDC2214的電容值，讀取的FDC2214的電容值事先經(jīng)過卡爾曼濾波?？柭鼮V波是當(dāng)下流行的濾波算法，具有計算量小，易于實現(xiàn)等特點[2]。

數(shù)據(jù)分類方法采用最近相鄰法。在訓(xùn)練模式下，對不同紙張數(shù)量的電容值進(jìn)行采樣，通過按鍵錄入預(yù)先定義的數(shù)組中。在判別模式下，系統(tǒng)實時采樣電容值，判別按鍵按下后，計算當(dāng)前電容值與已錄入系統(tǒng)的電容值進(jìn)行比對，找到距離最短的樣本，判別紙張數(shù)量，并顯示在液晶屏上。

2.4 測試結(jié)果

本設(shè)計經(jīng)過筆者在50張紙以內(nèi)的連續(xù)3次測試，正確率均達(dá)到100%，準(zhǔn)確性滿足設(shè)計要求。

3 總結(jié)

本設(shè)計通過專門設(shè)計的機(jī)械壓緊機(jī)構(gòu)，采用FDC2214電容傳感器實時測量兩塊電極板所夾紙張的電容，與已錄入單片機(jī)的電容值進(jìn)行比對，從而測量出兩極板內(nèi)所夾的紙張數(shù)量，同時將紙張數(shù)量測試結(jié)果顯示在液晶屏上，具有準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低等優(yōu)點。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃健.基于電容感測高溫隔離觸控模塊的研制[J].宇航計測技術(shù).2017，37（5）：40～43.

[2]陳陽.基于FDC2214的手勢識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子世界，2019（14）：159-160.