一種紙張計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)方法

東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 李建源

本文介紹了幾種基于單片機(jī)系統(tǒng)的紙張計(jì)數(shù)裝置，并進(jìn)行了分析和總結(jié)，這些裝置的共同特點(diǎn)是將電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率值的變化，最終通過(guò)頻率和紙張數(shù)目的對(duì)應(yīng)關(guān)系得出紙張數(shù)目。本設(shè)計(jì)基于STM32嵌入式單片機(jī)提出一種新的紙張計(jì)數(shù)方案，該方案利用STM32嵌入式單片機(jī)通用定時(shí)器的輸入捕獲功能，對(duì)電容充電高電平捕獲，獲得高電平的建立時(shí)間，并將捕獲的時(shí)間換算為紙張數(shù)目，是一種簡(jiǎn)單、可行的設(shè)計(jì)方案。

許多行業(yè)及辦公場(chǎng)所需要對(duì)紙張進(jìn)行計(jì)數(shù)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是先測(cè)量出一疊紙張厚度，再除以單張紙張厚度，從而得出紙張數(shù)量；這種傳統(tǒng)方法效率低、測(cè)量不精確，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代辦公的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是嵌入式單片機(jī)的發(fā)展，許多科技工作者著手研究效率更高、測(cè)量更加精確的紙張計(jì)數(shù)裝置，針對(duì)紙張計(jì)數(shù)模型都提出了很多可行的、合理的設(shè)計(jì)方案。本文提出了一種基于STM32F4嵌入式單片機(jī)，利用高電平邊沿捕獲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紙張計(jì)數(shù)的一種設(shè)計(jì)方案。

1 幾種技術(shù)方案介紹

1.1 由CD4069非門(mén)構(gòu)成的非對(duì)稱式多諧振蕩器

由平板電容器和CD4069非門(mén)構(gòu)成非對(duì)稱式多諧振蕩器，平板電容器的容量值隨著紙張數(shù)量的變化而變化，從而使振蕩器的輸出頻率發(fā)生變化，通過(guò)單片機(jī)對(duì)頻率的檢測(cè)，間接得到測(cè)試紙張的數(shù)目。由CD4069非門(mén)構(gòu)成的非對(duì)稱式多諧振蕩器的振蕩頻率，理論上可以高達(dá)4M，實(shí)際應(yīng)用在2M左右，對(duì)紙張的區(qū)分度較好。

1.2 555定時(shí)器

555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，555定時(shí)電路用途廣泛，用于脈沖波形的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換、測(cè)量與控制等方面。利用平板電容器和555定時(shí)電路組成脈沖波形發(fā)生器，將脈沖傳送到單片機(jī)中，由于不同的紙張數(shù)量可以產(chǎn)生不同的波形，所以可以通過(guò)采集不同的頻率的波形，并計(jì)算頻率值來(lái)計(jì)算紙張數(shù)量。通過(guò)設(shè)置合適的電路參數(shù)，振蕩頻率范圍廣，當(dāng)紙張數(shù)目發(fā)生變化，頻率會(huì)明顯變化，也能夠較好的區(qū)別紙張數(shù)目。

1.3 以CAV444芯片為核心檢測(cè)器件

CAV444是一個(gè)多種電容式傳感器信號(hào)測(cè)量集成電路，基于CAV444芯片的電容測(cè)量電路，能夠?qū)y(cè)得的電容量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)頻率輸出。根據(jù)實(shí)際電路測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其電容信號(hào)和輸出頻率為線性關(guān)系。因此，以CAV444為核心的紙張計(jì)數(shù)裝置，能夠根據(jù)不同的紙張數(shù)目，輸出不同的頻率值，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)得到紙張數(shù)目，具有較好的測(cè)量精度。

1.4 以FDC2214電容式傳感芯片為核心檢測(cè)器件

FDC2214是TI公司設(shè)計(jì)的一款高精度電容傳感器，電容傳感器分辨率可達(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(shì)識(shí)別、液位檢測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，它具有四個(gè)通道，可以同時(shí)采樣四路電容數(shù)據(jù)，并通過(guò)IIC接口與單片機(jī)相連。FDC2214同測(cè)量紙張數(shù)目的平板電容器可以構(gòu)成振蕩器，并產(chǎn)生諧振頻率，單片機(jī)通過(guò)讀取諧振頻率值間接計(jì)算紙張數(shù)目。

綜合以上幾種設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)思想是利用一種傳感器裝置和測(cè)量平板電容構(gòu)成一個(gè)振蕩器，當(dāng)紙張數(shù)目發(fā)生變化時(shí)，平板電容器的容量值也發(fā)生改變，從而使該裝置的輸出頻率變化，單片機(jī)通過(guò)讀取變化的頻率值從而間接的計(jì)算出所測(cè)量的紙張數(shù)目。

2 紙張計(jì)數(shù)裝置模型

綜合以上幾種紙張計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)方案的共同特點(diǎn)是利用平板電容器作為檢測(cè)器件，測(cè)試紙張放在平板電容器的兩個(gè)極板之間，由于紙張總厚度的不同，所以平板電容器的容量值不同，利用容量值的變化從而測(cè)量出紙張數(shù)量。本紙張計(jì)數(shù)裝置模型由兩塊5cm×5cm的正方形覆銅板組成，裝置模型如圖1所示。

圖1 紙張計(jì)數(shù)裝置模型

3 高電平邊沿捕獲技術(shù)設(shè)計(jì)方案

3.1 STM32F4單片機(jī)介紹

STM32F4系列是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，基于ARM Cortex內(nèi)核，專為要求高性能、低成本和低功耗的集成應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能嵌入式芯片，工作頻率高達(dá)168 MHz。具有豐富的內(nèi)部外設(shè)，功能非常強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)和掃描儀等眾多應(yīng)用場(chǎng)合，是目前主流芯片之一。

STM32F4的定時(shí)器功能十分強(qiáng)大，有兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器、兩個(gè)基本定時(shí)器，還有多個(gè)通用定時(shí)器。STM32F4的通用定時(shí)器包含一個(gè)16位或32位自動(dòng)重載計(jì)數(shù)器（CNT），該計(jì)數(shù)器由可編程預(yù)分頻器（PSC）驅(qū)動(dòng)。STM32F4的通用定時(shí)器除了簡(jiǎn)單的定時(shí)計(jì)數(shù)功能外，還可以被用于測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度、輸入捕獲功能或者產(chǎn)生輸出比較信號(hào)。本文利用STM32F4定時(shí)器的輸入捕獲能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成紙張計(jì)數(shù)裝置的功能實(shí)現(xiàn)。

3.3 輸入捕獲原理

STM32F4的通用定時(shí)器具有輸入捕獲功能，即可以利用定時(shí)器檢測(cè)高電平的建立時(shí)間，如圖2所示，T1、T2為不同紙張數(shù)目的高電平捕獲時(shí)間。外接阻容電路接入STM32F4的通用定時(shí)器輸入捕獲引腳，開(kāi)始測(cè)量時(shí)定時(shí)器引腳首先輸出低電平，對(duì)電容放電，保證電容兩端電壓從零伏開(kāi)始充電。由于所測(cè)紙張厚度的不同，平板電容器的容量值也不同，因此，引腳處電容至高電平的充電時(shí)間不同，通過(guò)對(duì)不同厚度的平板電容器充電至高電平建立時(shí)間的捕獲，就可以間接計(jì)算出平板電容器之間紙張的數(shù)目。

圖2 高電平輸入捕獲原理

3.4 硬件電路的設(shè)計(jì)

圖3 硬件電路

紙張計(jì)數(shù)裝置的硬件電路主要由阻容電路、STM32F4最小系統(tǒng)、OLED顯示屏、獨(dú)立按鍵四部分組成，如圖3所示。由檢測(cè)紙張數(shù)目的平板電容器和充電電阻構(gòu)成阻容電路；STM32F4最小系統(tǒng)主要完成對(duì)芯片的供電、晶振及下載接口的設(shè)計(jì)任務(wù)；OLED采用SPI接口與單片機(jī)連接，用于顯示最終測(cè)得的紙張數(shù)目；獨(dú)立按鍵直接與單片機(jī)的GPIO端口相連接，用于測(cè)試時(shí)的控制按鍵。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)思想對(duì)該計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。獨(dú)立按鍵軟件設(shè)計(jì)中，為避免干擾，采取軟件消抖程序，用于測(cè)試啟動(dòng)和校準(zhǔn)，測(cè)試時(shí)首先控制平板電容器引腳輸出低電平，使之完全放電，然后啟動(dòng)定時(shí)器，由輸入捕獲模塊對(duì)平板電容器引腳的高電平進(jìn)行捕獲。當(dāng)捕獲到高電平時(shí)，讀取自動(dòng)重載計(jì)數(shù)器（CNT）的計(jì)數(shù)值，換算成所測(cè)紙張數(shù)目，由OLED顯示模塊顯示紙張數(shù)目。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

結(jié)論：本文概括總結(jié)了幾種紙張計(jì)數(shù)裝置的技術(shù)方案，這些方案的共同思想是借助一種檢測(cè)裝置將電容容量的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，再通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)頻率值，間接的計(jì)算出所測(cè)紙張的數(shù)目。本方案設(shè)計(jì)了一種效率較高的紙張計(jì)數(shù)方案，其基于STM32F4嵌入式單片機(jī)，利用單片機(jī)通用定時(shí)器的輸入捕獲功能，實(shí)現(xiàn)電容器充電的高電平邊沿捕獲，通過(guò)對(duì)充電時(shí)間的捕獲，獲得充電時(shí)間值，可以直接、方便地計(jì)算出所測(cè)紙張數(shù)目，實(shí)驗(yàn)證明本文提出的方案是一種可行的、測(cè)量精確度高的低成本紙張計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)方案。