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      基于STM32F1的紙張計(jì)數(shù)顯示裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

      2021-01-12 08:09:42江永鑫黃晨江若薇尹序臻
      福建輕紡 2021年1期
      關(guān)鍵詞:子程序極板紙張

      江永鑫,黃晨,江若薇,尹序臻

      (廈門(mén)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 廈門(mén) 361024)

      在金融行業(yè)和印刷行業(yè)中,傳統(tǒng)的紙張計(jì)數(shù)主要采用機(jī)械計(jì)數(shù)設(shè)備與物理粗略計(jì)算等辦法,但采用機(jī)械設(shè)備計(jì)數(shù)廣泛存在著噪聲大、速度有限、精準(zhǔn)度不高的缺點(diǎn),對(duì)于紙張的尺寸和厚度以及材質(zhì)有一定的要求,容易對(duì)紙面造成磨損。而采用物理粗略計(jì)算,需要許多次測(cè)量數(shù)據(jù),存在機(jī)械誤差、人為誤差等因素,準(zhǔn)確性不高,并且過(guò)程耗時(shí)耗力。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,傳感器在生產(chǎn)生活中具有廣闊的應(yīng)用,電容式傳感器具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

      1 紙張計(jì)數(shù)原理分析

      紙張數(shù)與電容值的關(guān)系,按照電極板所組成的電容決定式:

      式中,C表示電容值,S為兩平行極板之間的正對(duì)面積,ε是材料的介電常數(shù),d為兩平行極板之間的距離,ε0表示自由空間介電常數(shù)(8.85×10-12F/m),為靜電力常數(shù)(9.0×109N·m2/C2)。

      依據(jù)上述公式,可以推導(dǎo)出隨著兩平行極板間放入紙張數(shù)量的增加(即兩平行極板間距d增大),使電容值C減小;隨著兩平行極板間放入紙張數(shù)的減少(即兩平行極板間距d減?。?,電容值將會(huì)增大。

      首先依次測(cè)量并記錄1張到30張A4紙?jiān)谥糜谘b置中時(shí)反饋回來(lái)的經(jīng)程序中數(shù)學(xué)公式計(jì)算出來(lái)的電容值,自變量為FDC2214電容傳感器模塊測(cè)量反饋回來(lái)的電容值,因變量為其相對(duì)應(yīng)的紙張數(shù)量,用MATLAB軟件進(jìn)行有理數(shù)數(shù)據(jù)擬合,得出最佳求解紙張數(shù)量的數(shù)學(xué)模型為Y=(P1*χ+P2)/(χ+P1)形式的函數(shù)。

      圖1 MATLAB數(shù)據(jù)仿真結(jié)果

      如圖1所示為利用MATLAB軟件對(duì)30組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,通過(guò)有理數(shù)擬合得出的數(shù)學(xué)函數(shù)模型——Y=(P1*χ+P2)/(χ+P1)。

      式中P1,P2,q1為函數(shù)模型的待定系數(shù),自變量χ為電容值,因變量y為紙張數(shù)量。根據(jù)MATLAB數(shù)據(jù)仿真結(jié)果所示,對(duì)Y=(P1*χ+P2)/(χ+P1)模型多重測(cè)定系數(shù)R-square數(shù)值高達(dá)0.9998,近似等于1,表明函數(shù)對(duì)y軸具有極強(qiáng)解釋能力,故可用此方程解析。

      2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

      本裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

      圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

      該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心,由電容傳感器數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)分析處理單元、數(shù)據(jù)輸出顯示單元三大部分構(gòu)成。結(jié)合電容式傳感器FDC2214、獨(dú)立按鍵功能、OLED顯示模塊、蜂鳴器警報(bào)模塊等,實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能、檢測(cè)兩平行極板間是否短路功能、測(cè)量裝置中紙張數(shù)量功能、數(shù)據(jù)顯示和語(yǔ)音播報(bào)功能。

      該紙張計(jì)數(shù)裝置可以識(shí)別不同環(huán)境不同規(guī)格不同厚度的張紙,利用電容式傳感器FDC2214實(shí)時(shí)采集平行板電容器的兩金屬極板間的電容值進(jìn)行記錄并保存,從而進(jìn)行自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)擬合曲線的待定系數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)紙張的不同數(shù)量的測(cè)量。

      3 硬件設(shè)計(jì)

      3.1 模塊選擇

      3.1.1 STM32F103單片機(jī)

      該系統(tǒng)中MCU采用STM32F103單片機(jī),集成度較高,具有功能強(qiáng)大、效率高的指令系統(tǒng),以及高性能模擬技術(shù)及豐富的外圍模塊,并且開(kāi)發(fā)編程環(huán)境操作簡(jiǎn)便。在系統(tǒng)中MCU對(duì)OLED顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入、對(duì)FDC2214電容傳感器模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)和擬合曲線進(jìn)行計(jì)算以得到不同參數(shù)下的最終結(jié)果。

      3.1.2 FDC2214電容傳感器

      選用FDC2214電容傳感器模塊采集數(shù)據(jù),該模塊的原理為:將一個(gè)電感和電容與芯片每個(gè)檢測(cè)通道的輸入端連接,構(gòu)成LC振蕩電路,產(chǎn)生一個(gè)振蕩頻率,根據(jù)該頻率值進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算出被測(cè)電容值。其精度可達(dá)28位,具有抗噪聲、高分辨率、高速等多種特性,并且較為穩(wěn)定易于操作,滿(mǎn)足測(cè)量紙張的基本要求,將FDC2214電容傳感器模塊采集的電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)通過(guò)IIC傳輸給MCU再計(jì)算得出銅板間的電容值。原理圖如圖3所示。

      3.1.3 電源模塊

      電源方面選擇使用穩(wěn)壓電源模塊供電,作用是穩(wěn)定輸入電壓以減少傳感器的讀數(shù)誤差。原理圖如圖4所示。

      圖3 FDC2214電容傳感器電路原理圖

      圖4 電源模塊原理圖

      3.1.4 OLED顯示模塊

      采用四針OLED顯示模塊,可以顯示文字、數(shù)字、圖像等信息,具備成本低,規(guī)格小巧輕薄,且能耗低的特點(diǎn)。該模塊可通過(guò)I2C受MCU控制可以較為簡(jiǎn)單地顯示操作界面與測(cè)量數(shù)據(jù)。

      4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      本裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

      圖5 裝置結(jié)構(gòu)圖

      極板建議采用的是5 mm×5 mm純銅板,被測(cè)紙張載體利用活動(dòng)式三邊結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)紙張大小調(diào)整限位實(shí)現(xiàn)將被測(cè)紙張較好的限位,進(jìn)行測(cè)量不同規(guī)格紙張,實(shí)現(xiàn)將被測(cè)紙張限位。并配置極板限位卡和重物使被測(cè)紙張產(chǎn)生一定的形變、被測(cè)紙張之間的空氣擠出,再通過(guò)檢測(cè)模塊得出極板間電容值,進(jìn)而判斷紙張數(shù)量。根據(jù)電容決定式C=ε0εS/4πkd,可知極板電容的容值受極板間距的影響,在人為取放紙的過(guò)程,紙張與紙張之間容易殘留空氣造成隨機(jī)誤差,如果采用非恒力式排除空氣,易造成紙張產(chǎn)生的形變不同造成偶然誤差。故采用恒力重物配合極板限位卡來(lái)控制極板電容,從何避免偶然誤差,在結(jié)構(gòu)上提高測(cè)量的精準(zhǔn)度。

      5 軟件設(shè)計(jì)

      5.1 主程序

      軟件系統(tǒng)主要分為5大部分,分別為主程序、FDC2214數(shù)據(jù)采集子程序,按鍵功能選擇子程序,OLED顯示子程序以及自校準(zhǔn)功能子程序。程序流程圖如圖6。

      首先,單片機(jī)初始化,進(jìn)行短路檢測(cè),若電路正常,OLED初始化,通過(guò)按鍵進(jìn)行功能選擇,進(jìn)入自校準(zhǔn)功能,單片機(jī)發(fā)送指令使FDC2214傳感器開(kāi)始采集數(shù)據(jù),MCU對(duì)所傳回的數(shù)值進(jìn)行分析計(jì)算,得出極板間電容值。初步判斷紙張數(shù)量是否符合程序?qū)Ψ匠剃P(guān)系式,若正確,算法計(jì)算后得出的紙張數(shù)量再經(jīng)過(guò)OLED顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并語(yǔ)音播報(bào)所測(cè)得紙張數(shù)量。

      5.2 自校準(zhǔn)功能子程序

      由于在濕度溫度不同的情況下,材料的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化,每次讀出的電容值必然有所誤差,因此在方案中,將得到的電容值與測(cè)試紙張的數(shù)量建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行擬合,得到兩者的關(guān)系方程,發(fā)現(xiàn)其近似于一個(gè)反比例函數(shù)。通過(guò)測(cè)量前依次采集電容值,在自校準(zhǔn)子程序中,編寫(xiě)程序?qū)Ψ匠剃P(guān)系式中的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),對(duì)于被測(cè)紙張數(shù)量的不同范圍,通過(guò)取不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量對(duì)該范圍內(nèi)的方程待定系數(shù)P1,P2,q1進(jìn)行校準(zhǔn)模型 Y=(P1*χ+P2)/(χ+P1),使測(cè)量的精準(zhǔn)度得以保證。自校準(zhǔn)子功能程序流程圖見(jiàn)圖7。

      圖6 程序流程圖

      6 系統(tǒng)測(cè)試方案與結(jié)果

      6.1 系統(tǒng)測(cè)試方案

      在樣本容量小(1~30)的區(qū)間內(nèi),測(cè)試均對(duì)各種數(shù)值的紙張數(shù)量即樣本進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)。在樣本容量大(>30)的區(qū)間,也采用遍歷法,將紙張數(shù)量由30遞增,在達(dá)到可疑的最大測(cè)量值時(shí),多次測(cè)量,防止偶然誤差。

      圖7 自校準(zhǔn)功能子程序流程圖

      在進(jìn)行測(cè)量1~30張紙模式的自校準(zhǔn)后,依次將1到30張紙張放入到裝置中,按檢測(cè)按鈕,觀察OLED屏幕是否顯示正確張數(shù)。隨機(jī)準(zhǔn)備30張以?xún)?nèi)的紙張數(shù)量一同放入裝置中,按檢測(cè)按鈕,觀察OLED屏幕是否顯示正確張數(shù),測(cè)量2次,記錄其數(shù)值。

      在進(jìn)行測(cè)量30張紙以上模式的自校準(zhǔn)后,一張一張往上添加A4紙,依次測(cè)試,觀察OLED屏幕是否顯示正確張數(shù)。若正確,則繼續(xù);若錯(cuò)誤,在錯(cuò)誤處重復(fù)測(cè)量4次,判斷是否為偶然誤差。若4次全對(duì),則繼續(xù)添加紙張,否則記錄值,作為最大測(cè)量數(shù)量。

      6.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

      經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn),紙張數(shù)目在50張以?xún)?nèi),準(zhǔn)確率達(dá)100%。然而紙張數(shù)量超過(guò)60時(shí)其傳感量化的數(shù)據(jù)的變化已經(jīng)極小,甚至當(dāng)達(dá)到75張時(shí)所得到的數(shù)據(jù)基本上已經(jīng)不再發(fā)生變化。綜上測(cè)試說(shuō)明本設(shè)計(jì)符合要求指標(biāo)。

      7 結(jié)語(yǔ)

      本文介紹的一種基于電容傳感器測(cè)量和單片機(jī)控制,利用OLED 模塊顯示以及語(yǔ)音模塊播報(bào)紙張數(shù)量,設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、計(jì)數(shù)快速精確,且對(duì)紙張無(wú)損的紙張計(jì)數(shù)顯示裝置,在金融行業(yè)和印刷行業(yè)中,有著一定的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值,具有可靠發(fā)展前景。

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