基于頻率測(cè)控技術(shù)的多功能紙張檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：針對(duì)文印等行業(yè)的紙張計(jì)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)及變介質(zhì)電容式傳感系統(tǒng)為控制核心的多功能紙張檢測(cè)系統(tǒng)并應(yīng)用于多諧振蕩電路，系統(tǒng)首先采用了中值濾波算法對(duì)初始頻率進(jìn)行濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的粗定位，然后對(duì)中值濾波算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)對(duì)頻率的粗定位區(qū)間進(jìn)行二次求中值并進(jìn)行判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的精準(zhǔn)定位，同時(shí)該系統(tǒng)還配置了藍(lán)牙、語(yǔ)音播報(bào)、自校準(zhǔn)等功能。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)紙張數(shù)量且工作穩(wěn)定，為紙張類材料提供了新的計(jì)量方法。

關(guān)鍵詞：頻率測(cè)控;多諧振蕩;紙張測(cè)量;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TM935;TP368 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）07-0139-03

Design of Multi-functional Paper Detection System Based on

Frequency Measurement and Control Technology

GAO Tianxue

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou? 253034，China）

Abstract：In view of the paper measurement problems in the paper printing and other industries，A multi-functional paper detection system based on single chip microcomputer and variable dielectric capacitance sensor system is designed and applied to the multi harmonic oscillation circuit. The system first uses the median filter algorithm to filter the initial frequency to realize the rough positioning of frequency，and then improves the median filter algorithm. It is realized through the secondary median value of the rough positioning interval of frequency and judgment. At the same time，the system is also equipped with Bluetooth，voice broadcast，self calibration and other functions. The experimental results show that the system can detect the number of paper in real time and work stably，which provides a new measurement method for paper materials.

Keywords：frequency measurement and control;multivibrator;paper measurement;microcontrollers

0? 引? 言

紙質(zhì)類薄片的計(jì)量準(zhǔn)確、快速等問(wèn)題在銀行、文印等場(chǎng)所尤為重要，傳統(tǒng)的紙張計(jì)量方法多采用卡尺測(cè)量或電子傳動(dòng)式計(jì)數(shù)方式來(lái)完成，其存在效率低、誤差大、破損率高等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外對(duì)紙張計(jì)數(shù)有一定的研究基礎(chǔ)，但在基于電容式傳感器計(jì)數(shù)方面的應(yīng)用研究和文獻(xiàn)較少。筆者基于學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目對(duì)紙張計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了紙張快速計(jì)量及語(yǔ)音播報(bào)等功能，可以檢測(cè)不同材質(zhì)的紙張，特別是對(duì)普通印刷紙的計(jì)數(shù)具有高效、穩(wěn)定等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于紙質(zhì)類材料需求較多的辦公場(chǎng)所，例如在文印公司中可以快速計(jì)算出顧客打印紙張的數(shù)目及應(yīng)付款，無(wú)需人為觀測(cè)，高效快捷。

1? 變介質(zhì)電容傳感器技術(shù)

隨著電容傳感器技術(shù)的發(fā)展，變介質(zhì)電容傳感器越來(lái)越多地應(yīng)用于傳感電路，其主要由上下兩塊平行極板及中間介質(zhì)組成，其產(chǎn)生的電容值隨著電極材料上所加介質(zhì)的改變而改變，當(dāng)兩個(gè)極板間的介質(zhì)均勻變化時(shí)可構(gòu)成一種可變式電容傳感器。變介質(zhì)電容傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示，其電容計(jì)算公式：

C=

其中C為兩極板間的電容，ε0為真空介電常數(shù)，εr為該材料的相對(duì)介電常數(shù)，當(dāng)其他參數(shù)不變且只有兩極板間的距離d變化時(shí)，兩塊極板之間可以看作開(kāi)放的電容結(jié)構(gòu)，在夾緊的情況下可以看作介電常數(shù)不變，通常通過(guò)極板距離d的變化來(lái)表征電容數(shù)值的變化。

當(dāng)sε0εr不再改變時(shí)，電容的大小只與d有關(guān)，所以：C（面積s，單位：m2）正比于1/d，令ε=ε0εr，當(dāng)有一個(gè)極小的d變化時(shí)：

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)利用變介質(zhì)電容傳感器技術(shù)，采用單面覆銅板設(shè)計(jì)了上下兩個(gè)極板并將其連接在多諧振蕩電路中，當(dāng)向兩極板間加入紙質(zhì)類介質(zhì)并將其壓緊時(shí)，兩極板間的電容量會(huì)隨之發(fā)生改變，通過(guò)LM555多諧振蕩電路把微小的電容變化轉(zhuǎn)化為較大的頻率變化，對(duì)該頻率進(jìn)行處理后建立紙張數(shù)量的模型關(guān)系達(dá)到測(cè)量紙張的效果。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)借助于LM555多諧振蕩電路的某個(gè)振蕩頻段，把微小的電容變化量轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可檢測(cè)的頻率變化量，通過(guò)對(duì)頻率分析及處理來(lái)得到所測(cè)紙張的數(shù)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法確實(shí)可行，系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由多諧振蕩系統(tǒng)、液晶屏、藍(lán)牙模塊、語(yǔ)音模塊等組成，系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

2.2? 基于多諧振蕩技術(shù)的電容式檢測(cè)電路

系統(tǒng)測(cè)量紙張的關(guān)鍵技術(shù)是測(cè)量紙張引起的板間電容量，由于目前市場(chǎng)上對(duì)電容的直接測(cè)量器件價(jià)格昂貴，故該系統(tǒng)通過(guò)LM555多諧振蕩器將電容數(shù)值的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，進(jìn)而得到紙張的數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制作方便，其設(shè)計(jì)電路如圖3所示。LM555作為使用率極高的芯片可靠性強(qiáng)，且工作頻率可以通過(guò)電阻值（圖3中R3及R4）及電容值（即圖3中的極板）的變化來(lái)調(diào)整。

已知多諧振蕩器的振蕩頻率計(jì)算公式如下所示，實(shí)際應(yīng)用時(shí)控制電阻值不變，振蕩頻率與電容呈倒數(shù)關(guān)系：

f=

由公式可知，電容變化會(huì)對(duì)振蕩頻率產(chǎn)生影響，將紙質(zhì)材料放入兩極板后，隨著兩極板間的距離變化會(huì)產(chǎn)生微小的電容變化，故可通過(guò)振蕩電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為較大的頻率變化，檢測(cè)系統(tǒng)的上下兩個(gè)電容極板由筆者自行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)大量測(cè)試后，由兩片完全重合的長(zhǎng)50 mm寬35 mm的覆銅板組成，其連接線采用了直徑1 mm的純銅線，考慮到電動(dòng)勢(shì)平衡問(wèn)題，該連接線采用了完全連接的方式并進(jìn)行了鍍錫處理（如圖4所示），最后將兩極板嵌于平滑木板后配以重物，確保上下兩極板在測(cè)量時(shí)完全對(duì)稱且能將極板間所測(cè)介質(zhì)壓緊，經(jīng)定標(biāo)處理后得到準(zhǔn)確的頻率數(shù)據(jù)庫(kù)。

系統(tǒng)使用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器功能對(duì)電容式檢測(cè)電路的輸出頻率進(jìn)行采樣并分析，通過(guò)大量測(cè)試性實(shí)驗(yàn)后選取了20～180 kHz頻率范圍進(jìn)行了定標(biāo)并在單片機(jī)內(nèi)部建立了頻率數(shù)據(jù)庫(kù)（由于空間問(wèn)題，只列舉局部），使用中值濾波算法對(duì)頻率進(jìn)行濾波后并使用改進(jìn)型中值濾波算法進(jìn)行精準(zhǔn)定位，進(jìn)而得到與頻率對(duì)應(yīng)的紙張數(shù)目并將其顯示在液晶屏，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)提醒及藍(lán)牙傳輸?shù)葎?dòng)作。

unsignedlongshuzu[]={0，28 700，35 700，41 600，46 600，51 400，56 200，61 000，64 700，69 000，73 600，76 600，80 300，83 500，86 900，90 100，92 900，95 600，98 100，100 800，103 200，105 600，107 800，109 900，111 900，113 900，…};//頻率庫(kù)，單位為Hz

2.3? 改進(jìn)型中值濾波算法

實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境因素（如氣流、溫度、震動(dòng)等）的影響，多諧振蕩系統(tǒng)的輸出頻率會(huì)存在波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性帶來(lái)很大影響，故需要單片機(jī)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要，首先采用了中值濾波算法對(duì)初始頻率進(jìn)行濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的粗定位，然后對(duì)中值濾波算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)對(duì)頻率的粗定位區(qū)間進(jìn)行二次求中值并進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)了頻率的精準(zhǔn)定位，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法準(zhǔn)確度理想，其主要編程思路如下所示。

int zhongzhilvbo（ ）

{? ? ?for（i=0;i<200;i++）

{if（（Freq>=shuzu[i]）&&（Freq

{k=（shuzu[i]+shuzu[i+1]）/2;//計(jì)算頻段中值，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位

if（Freq<=k） return i;//中值以左

else return i+1;//中值以右 } }

}

3? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析（頻率、紙張、電容數(shù)據(jù)等分析）

選取210 mm*297 mm，70 g/m2的A4紙張?jiān)?0～180 kHz頻率范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圖3中多諧振蕩電路的R6及R9分別取50 kΩ、100 kΩ，系統(tǒng)模型如圖5所示，當(dāng)將紙張靠近裝置時(shí)，升降臺(tái)會(huì)將上極板升起，升降臺(tái)落下后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。其實(shí)測(cè)頻率及對(duì)應(yīng)的紙張數(shù)量部分?jǐn)?shù)據(jù)情況如表1和圖6所示。

4? 結(jié)? 論

本文對(duì)基于電容式傳感器的紙張計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種采用高速單片機(jī)及變介質(zhì)電容傳感器來(lái)檢測(cè)紙張數(shù)目并通過(guò)顯示模塊、語(yǔ)音模塊來(lái)進(jìn)行有效提醒的紙張計(jì)量裝置，并在軟件程序中采用頻率測(cè)控技術(shù)與改進(jìn)型中值濾波算法來(lái)提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，極大地縮短檢測(cè)和系統(tǒng)處理時(shí)間。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本系統(tǒng)傳輸速率快、準(zhǔn)確性高、功耗低、成本低，而且模塊化設(shè)計(jì)，便于功能擴(kuò)展，能夠滿足快速準(zhǔn)確的對(duì)紙張計(jì)數(shù)的效率需求，為紙張測(cè)量技術(shù)提供了相關(guān)設(shè)計(jì)新思路，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：高天學(xué)（1991—），男，漢族，山東濟(jì)南人，碩士研究生，主要研究方向：射頻信號(hào)的獲取與處理。