基于芯片电容变化的纸张计数装置设计与实现

杨金粮，赵剑峰，朱志扬，朱 瑛

（河海大学能源与电气学院，江苏南京 211100）

0 引言

纸张计数是工业生产中常见的操作，相关企业为了准确掌握货品的库存情况，需要对纸张进行计数。因此，研究出一种新的基于高效、无噪声、对纸张基本无损害的纸张自动计数系统显得尤为重要。目前，在纸张计数方式、纸张计数算法等方面，国外的研究成果大部分以专利形式呈现出来［1-2］。国内也做了较多研究，李荣旺［3］根据笔尖划过一叠错开的纸的边缘时都会产生一组声音脉冲，利用单片机AT89S52针对声音脉冲组进行计数，以此来确定纸张数目。杨丹君等［4］从板纸图像的列灰度特征出发，找到纸张间隙灰度变化的跳变点，根据所找到的跳变点进行计数。胡名雨［5］从纹理图像分析的角度来进行研究，将层叠纸张边棱条纹看作条纹纹理，对纸张边棱的倾斜校正进行研究。单片机是一种智能控制器件，可实现弱电之间的互联通信，信号传输。自20世纪90代以来，单片机技术得到长足发展，目前已被广泛应用于各个领域。本方案提出以电容的变化代替纸张数量的变化，并将其转化为频率信号返回至单片机，通过输出频率来计量纸张数量。

1 系统方案设计

基于低功耗、低成本且高分辨率的电容式传感，由于放入纸张数量的不同，其相应的电容大小也会有所区别，特选定以电容的变化代替纸张数量的变化的设计方案。利用电容变化明显、精度较高的FDC2214驱动芯片可测出电极铁片上的电容，选用具有完善的保护电路、电流限制及热关断电路且不受环境影响的稳压芯片LM2596给驱动供电，将5 V转化为3.3 V，然后给驱动供电并测出电极铁片上的电容，并将其转化为频率信号返回至单片机，计算输出得到输出频率，通过XS128单片机开发环境和CodeWarrior平台编程设计相应算法，以此来计量放入两极板之间的纸张数量。系统总体方案如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件电路设计

2.1 电容测量单元电路设计

本单元电路主要是基于FDC2214驱动芯片进行电容测量。首先，将两极板所对应的电容值通过导线并依循IIC通信连接至芯片读取端口。其次，利用均值滤波以减少误差，进而判断出放入不同纸张数量时的电容变化。最后，以频率形式输出到抗干扰较好的XS128单片机，选用LCD1602字符型液晶显示器显示纸张数量。给FDC2214串口转接模块供电后，若模块红色指示灯亮，说明芯片已经配置成功，此时则可通过单片机的串口读取数据。FDC2214电容传感器电路设计原理如图2所示。

2.2 变压稳压单元电路设计

为使测量数据更加可靠与稳定，同时考虑到FDC2214驱动的最佳工作电压为3.3 V，而单片机的输出电压为5 V，故选用具有完善的保护电路、电流限制、热关断路等优点的LM2596芯片调整电压。使用稳压LM2596芯片，不仅可使FDC2214驱动处于最佳工作状态，还可避免测量数据因供电电源不稳定而发生波动的情况发生。变压稳压电路设计原理如图3所示。

2.3 功能模块的实现

2.3.1 按键模块设计

采用独立式按键电路，每个键单独占有一个I/O接口线，每个I/O口的工作状态互不影响，键盘采用端口直接扫描方式。编程时采用键盘扫描函数，不仅容易实现，且电路设计简单。

2.3.2 显示模块设计

从亮度、功耗以及刷新速率等方面考虑，选用当前被广泛使用的LCD1602字符型液晶显示器作为显示模块。该模块能够显示英文字母、阿拉伯数字和一般性符号。LCD1602液晶模块的读/写操作、显示屏和光标的操作均可通过指令编程来实现，LCD1602与单片机的连接采用直接控制方式。

2.3.3 自校准模块设计

考虑到不同种类的纸张厚度或介电常数等特性可能存在差异，因此，设计了自校准模块来克服这种误差。操作步骤如下。

（1）在正式测量纸张数量之前，按事先程序中所设计的按键，进入自校准模式。

图2 电路设计原理

（2）在两极板间放入10张A4复印纸与需测纸张种类完全一致的纸。

（3）等待2秒，待系统记录该数据后按下确定键。（4）退出自校准模式，进入测量模式。

3 系统软件设计

软件系统分为自校准模式和测量模式。开机后，系统首先调用各个硬件模块的初始化程序，进行初始化，包括液晶屏幕、单片机模式以及程序的变量。如果各模块均正常，按键则进入自校准模式，自校准模式的自校准量为10张纸的数据。若未进行初始化操作，则测量的所有数据，都是被自校准量修正过的，倘如进行初始化操作，则自校准量清零，需要进入自校准模式重新进行赋值。自校准完成后，按键退出自校准模式，进入测量模式，将所测纸张对齐后放入测量区（两极板之间），随后系统会进行数据计算，计算结果呈现在液晶屏上的同时，蜂鸣器发出响声作为提示。软件设计流程如图4所示。

4 系统测量及实验结果

4.1 理论值

用软件EWB搭建出所用电路，以数字示波器MSO2302A代替单片机接在驱动两端，可测得输出端频率。

4.2 实物图

硬件实物如图5所示，图中数字1表示极板及A4纸的置放处，数字2表示为XS128单片机，数字3表示FDC2214电容传感器，数字4、5表示LM2596稳压模块，其中作用是给电容传感器稳压以及给单片机稳压。

4.3 实测值

图4 软件设计流程

图5 硬件实物

用Altium Designer 10制作电路原理图（参见图2、图3）和PCB，雕刻出电路板；用函数发生器DG-4202输入有效值为5 V、频率为1 kHz的正弦信号，经FDC2214驱动后连接到数字示波器观察其频率值以及波形的稳定性，同时可测得输出端频率。

4.4 结果分析

为了说明设计方案的可行性，对40组A4复印纸纸张数n与频率Ω的理论值和实测值进行了比较，如图6所示。由图可知，该设计方案受环境的影响较小，虽然刚开始理论值和实测值最大有一定的误差，但随着纸张数的增加，理论值和实测值吻合良好，说明本装置精确度较高，可有效测试出纸张数量。

5 结论

（1）本文的算法均在MC9S12XS128单片机开发环境和CodeWarrior平台编程实现。整套算法流程计数准确、鲁棒性强。

（2）程序中还含有自校准功能，可根据不同纸质自行调较，使结果更加精确。

（3）在电路出现短路等故障时，有中断保护程序，从而提高了电路的安全性。

（4）设计方案受环境的影响较小，装置精确度较高，理论值和实测值吻合良好。

图6 纸张数n与频率Ω的关系曲线