翟文盛 邵明杰 王天宇

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格紙張數(shù)量的快速測(cè)量，設(shè)計(jì)基于STM32主控制器和FDC2214電容檢測(cè)傳感器所組成的紙張測(cè)量系統(tǒng)。先介紹裝置的測(cè)量原理，再介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過I2C通信形式從FDC2214傳感芯片讀取一個(gè)通道的電容感應(yīng)值，從而分辨不同數(shù)量紙張所產(chǎn)生的電容變化并以此識(shí)別紙張數(shù)量。采用中值濾波與均值濾波的方法來減少誤差。對(duì)紙張數(shù)量所引起的電容變化，采用曲線擬合的方法，擬合XY散點(diǎn)圖，模擬出80張紙以后的曲線變化圖，最后將紙張數(shù)量結(jié)果顯示在OLED屏上。

關(guān)鍵詞：紙張測(cè)量;FDC2214傳感芯片;中值濾波;均值濾波;誤差測(cè)量;曲線擬合

中圖分類號(hào)：TP206文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

本文針對(duì)紙張測(cè)量方法應(yīng)用的局限性，采用TI公司最新推出的低功耗、低成本、高分辨率的非接觸式電容式傳感器FDC2214進(jìn)行測(cè)量，在STM32中實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格紙張的計(jì)數(shù)測(cè)量，最終將紙張數(shù)量由OLED屏顯示出來[1-2]。本系統(tǒng)消除了噪聲和常見的環(huán)境干擾[3]，具有成本低、靈活性高、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，擁有很好的市場(chǎng)前景。

1 測(cè)量原理與測(cè)量方法

1.1 測(cè)量原理

電容位移傳感器的敏感元件是電容器，其工作原理為當(dāng)被測(cè)物體的位移改變時(shí)，電容器極板間距離相應(yīng)的發(fā)生變化并引起電容值的改變。對(duì)由兩個(gè)平行金屬板組成的電容器，如果忽略邊緣效應(yīng)，電容值如下：

式中：ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù);

εr為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);S為極板相互遮蓋面積;

d為兩金屬平行極板間的距離[4-5]。由上式可知，當(dāng)保持S和ε不變時(shí)，通過改變兩金屬極板間的距離d，從而可以引起電容值的改變。

FDC是一個(gè)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于測(cè)量LC諧振器的振蕩頻率。該設(shè)備輸出一個(gè)與頻率成正比的數(shù)字量，該頻率測(cè)量可以轉(zhuǎn)換為等效電容。FDC2214通過電容的變化來測(cè)得對(duì)象的距離，或者對(duì)象材質(zhì)的變化，而電容的變化可以轉(zhuǎn)換為通過匹配測(cè)量電路輸出的電信號(hào)[6]。

1.2 測(cè)量方案分析

本文對(duì)三種不同的方案進(jìn)行比較。第一種方案為和紙張形狀尺寸接近的長(zhǎng)方形亞克力底板、直角長(zhǎng)方形亞克力擋板、長(zhǎng)方形亞克力覆蓋板，該方案波形較明顯，測(cè)量效果誤差比較小;第二種方案為與紙張尺寸接近的玻璃底板和玻璃覆蓋板，波形變化幅度明顯，但干擾較大，誤差較大;第三種方案為正方形亞克力底板，波形變化幅度較小，紙張容易彎曲帶來張力變化，從而造成測(cè)量誤差。故選擇第一種方案。為了避免紙張張力引起的電容變化值不準(zhǔn)確，通過比較大理石與實(shí)木木塊，發(fā)現(xiàn)重物壓緊后，長(zhǎng)方體形大理石效果更好。

1.3 測(cè)量方法

本文所設(shè)計(jì)的紙張測(cè)量裝置在測(cè)量時(shí)，為了避免電磁對(duì)FDC2214的干擾，采取物理屏蔽的方法，即將信號(hào)線固定，芯片放在亞克力盒子中[7]。紙張對(duì)齊底板的直角，蓋板與底板左上角對(duì)齊，用大理石壓緊紙張，按鍵記錄數(shù)據(jù)。

該裝置在對(duì)不同規(guī)格紙張數(shù)量檢測(cè)前，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，單片機(jī)將同規(guī)格的紙張逐張錄入對(duì)應(yīng)的電容數(shù)值，并保存作為比對(duì)參考量。在進(jìn)行數(shù)量檢測(cè)時(shí)，因不同紙張的厚度不同，兩極板間的面積不同，從而引起的電容變化值就會(huì)不同，因此會(huì)不同程度地影響測(cè)試區(qū)外接極板的外部環(huán)境，使得外部極板接收到不同的頻率值。FDC2214傳感器芯片可將頻率值轉(zhuǎn)換為等效電容值，經(jīng)I2C通信形式傳遞至

STM32單片機(jī)，之后比對(duì)單片機(jī)數(shù)值，并將結(jié)果在OLED屏顯示。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)波特率設(shè)為115 200 b/s時(shí)，傳輸速率可達(dá)11.25 Kb/s，從而能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出不同紙張數(shù)量的電容值，并保證較高的準(zhǔn)確率。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

紙張測(cè)量裝置構(gòu)造主要包括電容式傳感器芯片（FDC2214）、外接極板（5 cm×5 cm純銅極板）、系統(tǒng)控制模塊（STM32單片機(jī)）、OLED顯示模塊以及電源模塊、電源穩(wěn)壓模塊等。電源（穩(wěn)壓）模塊為系統(tǒng)供電，維持裝置的正常工作。裝置模塊如圖1所示。

2.1.1 FDC2214芯片

電容式傳感應(yīng)用靈敏度的主要限制因素在于傳感器的噪聲敏感性，與現(xiàn)有電容感測(cè)解決方案相比，F(xiàn)DC2214芯片采用創(chuàng)新型抗EMI架構(gòu)[1]，通過采用基于窄帶的創(chuàng)新型架構(gòu)，可對(duì)噪聲和干擾進(jìn)行高度抑制，使其不受來自無線電、電源、光照和電機(jī)等環(huán)境噪聲的影響[8]。同時(shí)在高速條件下提供高分辨率，即使在強(qiáng)噪聲環(huán)境中也能維持性能不變。在噪聲出現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)DC2214的性能提升[8]約60倍，在任何環(huán)境下均可實(shí)現(xiàn)基于低成本電容方式的人體和物體感測(cè)。在電容式傳感系統(tǒng)中的傳感可以采用任意金屬或?qū)w，該器件支持寬激勵(lì)頻率范圍，可為系統(tǒng)帶來靈活性。

2.1.2 顯示模塊

OLED的SCL與單片機(jī)的GPIOPB10連接，SDA與GPIOPB11相連接。由于本系統(tǒng)的模式顯示文字少，故采用0.96 in OLED液晶屏，可在最大程度上減小系統(tǒng)體積。同時(shí)OLED相對(duì)于LCD12864或TFT彩屏耗電更低，更加節(jié)約能源，成本更加低。

2.1.3 STM32F4VET6單片機(jī)

STM32F4VET6有多達(dá)140個(gè)GPIO，6個(gè)UART串口，3個(gè)I2C接口，提供24個(gè)ADC輸入通道，16個(gè)DMA通道，有2個(gè)I2S接口，支持全雙工，多達(dá)1 MB FLASH。其低電壓為1.8～3.6 V，在某些封裝上，可降低至1.7 V，低功耗、性能穩(wěn)定。STM32F4VET6單片機(jī)的GPIOPB8引腳與FDC2214芯片的SCL相連;GPIOPB9引腳與FDC2214芯片的SDA相連，用以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[9]。系統(tǒng)原理圖如圖2、圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 算法過程

本次實(shí)驗(yàn)采用單通道法，對(duì)兩個(gè)極板采樣的電容值進(jìn)行物理取差，傳入FDC2214電容傳感器，主控芯片采樣傳感器輸出數(shù)字量，通過中值濾波和均值濾波的配合去除無效數(shù)據(jù)[10]，再導(dǎo)入擬合函數(shù)判斷紙張數(shù)量。程序會(huì)自動(dòng)識(shí)別不同的紙張區(qū)間并采取對(duì)應(yīng)的算法。開始時(shí)系統(tǒng)初始化，定時(shí)器中斷循環(huán)采集FDC2214數(shù)據(jù)，通過掃描按鍵操作來切換多級(jí)菜單來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的切換。程序主流程如圖4所示。

2.2.2 系統(tǒng)執(zhí)行

裝置測(cè)量紙張數(shù)量之前，需要錄入一次空值作為基礎(chǔ)初值，該值是對(duì)當(dāng)下環(huán)境的實(shí)時(shí)描述。因?yàn)镕DC2214芯片對(duì)環(huán)境變化較為敏感、分辨率較高，因此在不同環(huán)境下各通道外接極板的數(shù)據(jù)接收值會(huì)存在較大差異，導(dǎo)致簡(jiǎn)單常數(shù)通常無法精準(zhǔn)表示實(shí)時(shí)的環(huán)境狀況。而通過初值錄入，可最大程度避免此類誤差的出現(xiàn)。

工作模式下，芯片通道引出的對(duì)應(yīng)外接極板可監(jiān)測(cè)到因紙張數(shù)量不同而引起的環(huán)境變化。單片機(jī)將獲得的近百組數(shù)據(jù)，通過中值濾波和均值濾波的配合，再去除無效數(shù)據(jù)后，所求得的值即此時(shí)紙張數(shù)量的特征值，作為工作模式下數(shù)據(jù)比對(duì)的基礎(chǔ)，判斷出紙張數(shù)量，并將結(jié)果顯示在OLED屏。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 模擬結(jié)果

80張A4紙逐張先增后減的測(cè)量結(jié)果散點(diǎn)圖如圖5所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最終采用亞克力板與純銅板的結(jié)構(gòu)：亞克力底板固定兩個(gè)磨砂玻璃板，以便更好地支撐和固定亞克力底板。在亞克力板中心打孔，信號(hào)線從底部引出，通過FDC2214電容的變化來判斷紙張的數(shù)量。通過設(shè)置，電路能夠自校準(zhǔn)環(huán)境所引起的參數(shù)變化。80張A4紙的測(cè)試結(jié)果見表1所列。

系統(tǒng)裝置實(shí)物如圖6所示。

4 結(jié) 語

本文對(duì)基于嵌入式STM32F407VET6芯片的多種規(guī)格紙張測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，其內(nèi)容包括系統(tǒng)的測(cè)量原理與測(cè)量方法，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示等。該系統(tǒng)整體性能優(yōu)良，經(jīng)驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。今后還要進(jìn)一步完善本系統(tǒng)，使之成為功能更好、更穩(wěn)定的產(chǎn)品。通過本次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步體現(xiàn)了電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，如多點(diǎn)觸摸屏、觸摸板、滑動(dòng)條、智能手機(jī)、平板電腦和游戲機(jī)等方面，電容式傳感器有著更多的應(yīng)用，未來在人工智能、無人操控駕駛、3DVR體感游戲等領(lǐng)域，將會(huì)有更為廣闊的天地。

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