基于CAV444的紙張計(jì)數(shù)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

陳道來 鹿存莉 高爾康 高偉 劉晨

摘要：以CAV444芯片為核心檢測電路，設(shè)計(jì)了一種以MSP430F149單片機(jī)為控制基礎(chǔ)的紙張計(jì)數(shù)裝置。紙張放置于兩個(gè)平行板極間，紙張數(shù)量的變化引起電容值的變化，CAV444芯片將容值變化轉(zhuǎn)變成線性的頻率變化，再通過LM393整波電路輸出穩(wěn)定的方波，利用MSP430F149單片機(jī)片內(nèi)部的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器測量方波頻率，計(jì)算后將紙張數(shù)量通LCD12864液晶顯示出來。系統(tǒng)具有分析紙張數(shù)目及自校準(zhǔn)的功能，便于操作，工作穩(wěn)定。

Abstract： In the paper， CAV444 chip as the core detection circuit， a paper counting device based on MSP430F149 microcontroller is designed. The paper is placed between two parallel plate poles， the change in the number of paper causes the change of capacitance value， the CAV444 chip transforms the tolerance change into a linear frequency change， and then outputs a stable square wave through the LM393 whole wave circuit， using the timer and counter inside the MSP430F149 microcontroller to measure the square wave frequency， after calculation， the amount of paper is displayed through the LCD12864 liquid crystal. The system has the function of analyzing the number of paper and self-calibration， which is easy to operate and stable.

關(guān)鍵詞：CAV444;MSP430;紙張計(jì)數(shù);LM393

Key words： CAV444;MSP430;paper count;LM393

中圖分類號(hào)：TP368.1;TH724? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）09-0203-03

0? 引言

隨著印刷業(yè)和造紙業(yè)的發(fā)展，工廠對紙張計(jì)數(shù)裝置的渴求越來越高[1]。紙張厚度是紙最基本的性能指標(biāo)之一，目前紙張厚度的檢測方法總體看來由傳統(tǒng)的接觸式向非接觸式發(fā)展，常用的非接觸紙張厚度方法有超聲，射線，微波，近紅外線測厚法、電容測厚法等[2]。超聲反射法從測量精度來說可滿足生產(chǎn)中的要求，但需要耦合劑，被測厚度需要大于2mm。射線法需要放射源，存在需加防護(hù)措施，成本高等問題，推廣使用有一定的難度。對于電容傳感器的應(yīng)用，通常有兩種檢測電路，典型的測量電路有：電橋式電路、調(diào)頻法電路、運(yùn)算放大式電路。另一種是集成電路，例如德國AMG公司的CAV424、CAV444系列[3]。集成電路可以有效減少環(huán)境的影響，并具有電路體積小、結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立原件構(gòu)成的檢測電路更簡單，便于調(diào)試。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

以CAV444芯片為第一性檢測電路，設(shè)計(jì)了一種以MSP430F149單片機(jī)為控制基礎(chǔ)的紙張計(jì)數(shù)裝置。電路部分主要包括MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)、檢測裝置電路、CAV444電容模塊、穩(wěn)壓供電模塊、LCD12864液晶顯示模塊。

紙張計(jì)數(shù)顯示裝置涉及的主要就是測頻率值[4]。紙張放置于兩個(gè)平行板極間，紙張數(shù)量的變化引起電容值的變化，CAV444芯片將容值變化轉(zhuǎn)變成線性的頻率變化，再通過LM393整波電路輸出穩(wěn)定的方波，利用MSP430F149單片機(jī)片內(nèi)部的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器測量方波頻率，計(jì)算后將紙張數(shù)量通LCD12864液晶顯示出來。

1.2 CAV444電容模塊

基于CAV444芯片的電容測量電路，將測得的電容變?yōu)橄鄳?yīng)頻率輸出。CAV444是一個(gè)多種電容式傳感器信號(hào)測量集成電路，根據(jù)實(shí)際電路測量發(fā)現(xiàn)，其電容信號(hào)和輸出頻率為線性關(guān)系，測量電容規(guī)模寬，丈量精密度高[5]。

1.3 波形處理模塊

由LM393組成的施密特觸發(fā)器，去除雜波干擾信號(hào)，調(diào)理到適合單片機(jī)讀取的電壓范圍。

1.4 MSP430F149單片機(jī)

系統(tǒng)以超低功耗的MSP430F149為數(shù)據(jù)處理核心，它是具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，在8MHz晶振工作時(shí)，指令可達(dá)8MIPS，系統(tǒng)工作穩(wěn)定[6]。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)采用了自頂向下的程序設(shè)計(jì)思想，即模塊化設(shè)計(jì)。主要的功能模塊有：系統(tǒng)初始化;頻率采集模塊;數(shù)據(jù)補(bǔ)償計(jì)算;定時(shí)器模塊。在主程序需要時(shí)可以直接調(diào)用子程序。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖2所示。

對單片機(jī)的時(shí)鐘、看門狗、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、I/O口等初始化。然后運(yùn)行系統(tǒng)自檢程序，對檢測儀器的主要部件進(jìn)行功能測試，如有異常，給出報(bào)警信息。系統(tǒng)自檢完成后，采集CAV444頻率，等待用戶的指令。儀器可工作在掃描模式或校正模式。校正模式時(shí)，對檢測儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。掃描模式時(shí)，對紙張進(jìn)行在線檢測。使用前檢測儀器一般要進(jìn)行預(yù)熱，第一次上電后先校正再測量。檢測的紙張數(shù)量通過LCD12864液晶顯示。

3? 系統(tǒng)性能指標(biāo)及測量結(jié)果

通過數(shù)據(jù)分析可知，如圖3所示，被檢測的兩個(gè)極板之間的紙張?jiān)黾踊驕p少時(shí)，影響類似電容的電容量變化，從而利用CAV444芯片的內(nèi)部及驅(qū)動(dòng)電路，可知紙張數(shù)量變化與CAV444頻率輸出大小的關(guān)系。

紙張放置于兩個(gè)平行板極間，紙張數(shù)量的變化引起電容值的變化，當(dāng)紙張厚度為0.05mm時(shí)，極板電容值為0.0013pF，厚度為0.10mm時(shí)，極板電容值為0.0024pF，厚度為0.15mm時(shí)，極板電容值為0.0120pF，隨著紙張厚度的增加，極板電容值也在依次增加。CAV444芯片將容值變化轉(zhuǎn)變成線性的頻率變化，輸出頻率隨著容值的增加而增加。

根據(jù)表1的測量結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，紙張厚度與極板電容值和輸出頻率的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4可以看出隨著紙張厚度的增加，極板電容值也在依次增加，輸出頻率也隨著極板容值的增加而增加。即通過頻率的變化可以準(zhǔn)確的測量出紙張的厚度。

4? 總結(jié)

本文介紹了一種以MSP430F149單片機(jī)為控制基礎(chǔ)的紙張計(jì)數(shù)裝置，電路高度集成、性能穩(wěn)定，相比傳統(tǒng)的紙張計(jì)數(shù)器成本低、精度高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有分析紙張數(shù)目及自校準(zhǔn)的功能，便于操作，工作穩(wěn)定，可以更好的應(yīng)用于造紙過程控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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課題項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201913571004Z）。

作者簡介：陳道來（2000-），男，安徽六安人，本科在讀，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)嵌入式、專業(yè)電子信息工程。