基于單片機(jī)的紙張檢測(cè)設(shè)計(jì)

徐昊，何遠(yuǎn)綱

（重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶，400053）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)科技的不斷發(fā)展，印刷業(yè)和造紙業(yè)衍生出許多的行業(yè)。出版、包裝作為加工服務(wù)行業(yè)，具有一定的文化產(chǎn)業(yè)屬性，在現(xiàn)代文化的建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，是經(jīng)濟(jì)組成的重要部分。無論是包裝用紙、印刷用紙、文化用紙還是生活用紙都需要經(jīng)過工廠加工然后才能進(jìn)入市場(chǎng)被人們所購(gòu)買使用。由此可見隨著各種紙張用量的增長(zhǎng)，紙張測(cè)量的重要性也隨之體現(xiàn)。紙張數(shù)量的檢測(cè)跟企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。我們都知道采用人工檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)很多問題比如為了確保工作量的完成需要花費(fèi)大量的時(shí)間檢測(cè)，同時(shí)也使長(zhǎng)時(shí)間從事這一工作的員工出現(xiàn)視覺疲勞、檢測(cè)速度下降等問題。那么準(zhǔn)確性就必然會(huì)受到影響。這種速度慢、效率低的檢測(cè)方式會(huì)讓生產(chǎn)廠家流失許多訂單經(jīng)濟(jì)效益就會(huì)下降。為了在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化需求的同時(shí)降低紙張檢測(cè)過程中的噪聲。因此設(shè)計(jì)出噪聲小、誤差小、方便快捷的自動(dòng)化紙張檢測(cè)裝置。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本儀器設(shè)計(jì)主要由等效電容電路、控制電路、顯示電路和單片機(jī)組成。其中等效電容電路利用了兩塊極板之間電容值會(huì)隨著放入的紙張數(shù)量的不同而相應(yīng)發(fā)生的變化。該測(cè)量的裝置是用STM32 單片機(jī)系統(tǒng)作為主要核心測(cè)量控制元件，由NE555 芯片構(gòu)成振蕩器作為檢測(cè)模塊，連接兩個(gè)極板來感應(yīng)紙張數(shù)量變化。NE555 振蕩器輸出一個(gè)矩形波，該輸出波形會(huì)隨著極板內(nèi)紙張數(shù)量的改變而改變。由紙張數(shù)量發(fā)生改變后(極板中間的介質(zhì)發(fā)生改變)而引起產(chǎn)生的極板電容參數(shù)變化信號(hào)通過按鍵將電容參數(shù)變化錄入STM32 單片機(jī)中通過程序運(yùn)算處理后并根據(jù)此計(jì)算得到紙張數(shù)量，通過顯示模塊顯示測(cè)量出的紙張數(shù)量。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 NE555 模塊電路

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控模塊

本紙張測(cè)量裝置需要能準(zhǔn)確測(cè)量出紙張數(shù)量，這就對(duì)于運(yùn)算能力有一定的要求，主要控制芯片采用低成本、高精度、微型化的STM32F103C6T6 單片機(jī)。這個(gè)單片機(jī)處理器的最大工作頻率可達(dá)72MHz，運(yùn)算能力比較好。主控模塊使用普通的USB 接口供電，由于數(shù)據(jù)線一般都是5V電源，但是一般單片機(jī)都是3.3V 供電所以主控模塊采用STM32F103C6T6 單片機(jī)自帶降壓電路可以將5V 電源輸入轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V 穩(wěn)定電壓，不會(huì)因?yàn)殡妷哼^高燒壞芯片。

■2.2 NE555 檢測(cè)模塊

在此次設(shè)計(jì)中，使用NE555 定時(shí)器和外部元件兩個(gè)電阻器（R1 和R2）、一個(gè)二極管（R3）和一個(gè)電容器（C1）組成一個(gè)振蕩電路，用于產(chǎn)生脈沖波形。由于該電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個(gè)瞬態(tài)恒定狀態(tài)，因此電路不需要外部連接其他觸發(fā)信號(hào)。平行板的一個(gè)極板接NE555 定時(shí)器的2 腳和6 腳，另一個(gè)極板接地；NE555 的7 腳和6 之間接200k的電阻和二極管1N5817；8 腳和4 腳連在一起；8 腳（4 腳）經(jīng)200k 電阻和7 腳相連；1 腳接地、5 腳通過0.01μF 的電容接地；3 腳輸出矩形波[2]，該檢測(cè)模塊會(huì)根據(jù)不同的紙張數(shù)量從而產(chǎn)生不同的波形。

■2.3 顯示模塊

我們使用的顯示模塊是一個(gè)由SSD1306 芯片驅(qū)動(dòng)的0.96 英寸OLED 屏幕。我們所用的顯示模塊是四線的OLED模塊。四根導(dǎo)線包括VCC 電源輸入引腳、GND 接地引腳、SCL 時(shí)鐘輸入引腳和SDA 數(shù)據(jù)輸入/響應(yīng)輸出引腳，SCL連接單片機(jī)的PB6 腳，SDA 連接單片機(jī)的PB7 腳。四線OLED 用的是I2C 協(xié)議。

I2C 是串行同步通訊總線協(xié)議。I2C 串行總線含2 根信號(hào)線：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL，兩根線都是雙向的，輸出電路用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€，輸入電路用于從總線接收數(shù)據(jù)。執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)主機(jī)和從機(jī)的關(guān)系不恒定。主機(jī)用于啟動(dòng)總線傳輸數(shù)據(jù)，產(chǎn)生START起始條件和STOP 停止條件，發(fā)送設(shè)備地址并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)[2]。當(dāng)SCL 穩(wěn)定在高電平時(shí)，SDA 從高變低生成起始位，而從低變高生成停止位。啟動(dòng)位和停止位均由主設(shè)備I2C 生成。選擇從設(shè)備時(shí)，如果從設(shè)備使用7 位地址，則傳輸過程開始之前，主設(shè)備必須發(fā)送1 字節(jié)地址信息。前7 位是設(shè)備地址，最后1 位是讀寫標(biāo)志。之后從MSB 開始傳輸數(shù)據(jù)每次都是1 字節(jié)。每個(gè)字節(jié)傳完后，在SCL 第9 個(gè)上升沿到來之前，接收方應(yīng)該發(fā)出1 個(gè)ACK 位。SCL 時(shí)鐘脈沖由I2C 主控方發(fā)出，在第8 個(gè)時(shí)鐘周期后，主控方會(huì)釋放SDA。時(shí)序圖如圖3 所示。

圖3 I2C 協(xié)議時(shí)序圖

圖4 程序流程圖

圖5 系統(tǒng)調(diào)試實(shí)物圖

3 程序設(shè)計(jì)

由NE555 定時(shí)器和電阻、金屬極板及紙張構(gòu)成的電容組成一個(gè)多諧振蕩器輸出矩形波，單片機(jī)通過測(cè)量矩形波周期得到頻率，通過公式的計(jì)算進(jìn)而得到電容值參數(shù)，計(jì)算出最終的紙張數(shù)目。電容計(jì)算公式如下：

其中C為電容值、ε 為極板間的介電常數(shù)、k為靜電力常數(shù)、d為極板間的距離[5]。紙張的變化改變了d（極板間的距離）因?yàn)榉诺募垙垟?shù)量的不同，造成了極板間距離的變動(dòng)。連接電源后,首先需要進(jìn)行校準(zhǔn)，按下按鍵1 進(jìn)入校準(zhǔn)模式,把A4 紙放進(jìn)檢測(cè)裝置里面,獲取電容并且錄入每增加一張紙而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)錄入完成后,按下按鍵2 開始測(cè)量程序，通過查表得到當(dāng)前紙張數(shù)量,再通過屏幕顯示紙張數(shù)量。程序設(shè)計(jì)采用了C 語(yǔ)言編寫，便于修改和擴(kuò)充，而且C 語(yǔ)言編譯可以自動(dòng)完成變量的存儲(chǔ)單元分配。編譯軟件采用了Keil μVision5 創(chuàng)建HEX 文件。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在本套設(shè)計(jì)方案整個(gè)過程調(diào)試中,需要不斷地重復(fù)測(cè)試進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采樣運(yùn)算以及各種精確數(shù)值計(jì)算，才能始終確保所計(jì)算出紙張數(shù)量結(jié)果的絕對(duì)正確性。最開始所用的測(cè)量模型是木板做成的木盒進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確時(shí)，想到的辦法是在電容模型上放置重物，使模型可以將紙張壓得更準(zhǔn)確。但是因?yàn)殇浫霐?shù)據(jù)的時(shí)候，每次放置重物的位置不一樣，而重物并不好固定在模型上，造成了每一次測(cè)量出來的數(shù)據(jù)都不準(zhǔn)確，不能更好地測(cè)量出具體的紙張數(shù)目。后來認(rèn)為是模型中的兩根導(dǎo)線突出，使兩塊木板不能很好地閉合，想到了在木板上挖出可以放置導(dǎo)線的溝渠，但是在測(cè)量過程中木板還是存在不能完全閉合這個(gè)問題，測(cè)量不準(zhǔn)紙張數(shù)目。進(jìn)而改變測(cè)量模型，采用了塑料盒模型，利用塑料盒的上下蓋子，來使極板閉合在上方蓋子上放一塊木板重物使模型固定住，經(jīng)過了多次的模型改進(jìn)與搭建，最終可以具體地檢測(cè)出紙張的數(shù)目。

5 誤差分析

由表1 可以看出第一次測(cè)量不是很準(zhǔn)確無法達(dá)到理想效果，這是因?yàn)榈谝淮螠y(cè)量的時(shí)候采用木板做成的木盒進(jìn)行測(cè)量，由于兩塊木板之間始終存在縫隙，導(dǎo)致兩塊極板始終不能完全嚴(yán)絲合縫。而且因?yàn)槭冀K存在間隙，極板之間所夾帶的空氣也隨著紙張數(shù)量增加逐漸變得越來越多了，所以在每一次錄入數(shù)據(jù)的時(shí)候，都會(huì)選擇在上面加重物盡量將里面紙張的空氣排出，但試過很多不同的重物，由于在擠壓紙后紙張壓力增加對(duì)紙張介電常數(shù)值的產(chǎn)生影響的相對(duì)較大，都不能準(zhǔn)確地測(cè)量具體數(shù)值。顯示屏上顯示的數(shù)量始終都在兩個(gè)數(shù)值之間跳動(dòng)，變化非常明顯，并不能達(dá)到很好的效果。后面老師又給我們建議，在木板上修溝渠放導(dǎo)線減小導(dǎo)線對(duì)測(cè)量的影響，還是始終無法達(dá)到我們想要的效果，所以我們認(rèn)為應(yīng)該把導(dǎo)線放置在電容模型外，這樣測(cè)量的時(shí)候?qū)Ь€是在極板外面的不會(huì)因?yàn)榧垙埛畔露鴮?dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，產(chǎn)生誤差。第二次測(cè)量我們就使用了塑料盒模型，把極板的一半的都放置在塑料盒外面，看看會(huì)不會(huì)使紙張測(cè)量得更加精確，因?yàn)橛辛酥笆〉陌咐?，加上誤差分析，第二次塑料盒模型果然并沒有出現(xiàn)之前無法完全閉合的問題，所以我們就測(cè)量出來了具體的紙張測(cè)量數(shù)目。

表1 測(cè)量結(jié)果表

6 總結(jié)

對(duì)于印刷、造紙、包裝等許多行業(yè)同樣需要進(jìn)行大量準(zhǔn)確的自動(dòng)清算點(diǎn)的紙張，而鑒于人工檢測(cè)為了確保工作量的完成需要花費(fèi)大量的時(shí)間檢測(cè)，同時(shí)也使長(zhǎng)期從事這一工作的員工出現(xiàn)視覺疲勞、檢測(cè)速度下降等問題。在此基礎(chǔ)上我們?cè)O(shè)計(jì)制作出了一種高效且準(zhǔn)確可靠的自動(dòng)化的紙張測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置也是完全基于STM32 單片機(jī)，該測(cè)量裝置是可以快速而且準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)顯示計(jì)算出裝置當(dāng)前自動(dòng)放置的紙張數(shù)量。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，本系列紙張計(jì)數(shù)檢測(cè)裝置能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量紙張，解決人工檢測(cè)存在的問題，提高檢測(cè)效率。該檢測(cè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。該裝置不足之處在于斷電后會(huì)自動(dòng)復(fù)位下次再次使用需要重新錄入數(shù)據(jù)。