基于FDC2214的纸张计数显示装置的设计与实现

蒋志伟

【摘 要】本设计以STM32F407单片机为控制核心，通过电容传感器FDC2214实时检测两块电极板所组成的电容器的电容，与已录入单片机的电容值进行比对，达到测量出此时两极板内所夹的纸张数量的目的，同时将纸张数量测试结果显示在液晶屏上，具有准确度高，结构简单，制作成本低等特点。

【关键词】纸张计数;FDC2214

中图分类号： TH693.5文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）31-0079-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.036

Design and Implementation of Paper Counting Display Device Based on FDC2214

JIANG Zhi-wei

（Kangda College Of Nanjing Medical University，Lianyungang Jiangsu 222000，China）

【Abstract】This design takes STM32F407 as the control core， detects the capacitance of capacitors composed of two electrode boards in real time by capacitance sensor FDC2214， and compares the capacitance value with the capacitance value of the input single chip computer， so as to achieve the purpose of measuring the quantity of paper in the two electrode boards at this time.At the same time， the paper quantity test results show that On the LCD screen，it has the characteristics of high accuracy，simple structure and low production cost.

【Key words】Paper count;FDC2214

1 纸张计数工作原理

1.1 纸张数与电容值的关系

根据电极板所组成的电容决定式：

C=εS/4πkd

其中ε为介电常数，S为极板正对面积，k是静电力常量，d是极板间距离。每放入极板间一张纸，两极板间的距离就会增加，电容就会减小，每加一张纸所测得电容都不同，因此可以根据电容的测量值来判定纸张的数量。

1.2 FDC2214电容传感器

FDC2214是TI公司设计的一款高精度电容传感器，分辨率高达28位，具有抗噪声、高分辨率、高速等多种特性，可以用于接近传感、手势识别、液位检测等多种应用场景[1]。它具有四个通道，可以同时采样四路电容数据，并通过IIC接口与单片机相连。笔者通过FDC2214的单通道测量不同数量纸张做介质时电容数据如表1所示（注：不同环境下所测数据可能有所不同）。

如表1所示，满足纸张数量越大电容值越小的规律，并且在纸张数量达到50张时电容值仍然具有较好的区分度，完全可以满足纸张数量测量的要求。

2 系统结构

2.1 总体设计

图1 纸张计数显示装置的组成

系统结构如图1所示，两块平行极板（极板A、极板B）分别通过导线a和导线b连接到电容传感器，再通过IIC接口与开发板相连，开发板自带电源模块连接到5V电源即可。开发板带有液晶显示模块，通过下载到开发板中的程序可测量并显示置于极板A与极板B之间的纸张数量。

2.2 硬件设计

两平行极板均采用尺寸为50×50×0.8mm紫铜板组成，紫铜板各引出一根导线到FDC2214的通道1上，导线a和导线b均采用0.5mm单芯单股导线。将FDC2214通过两根杜邦线作为IIC总线与STM32相连，由于开发板自带降压模块直接连接到5V电源即可。

表1 纸张数量与电容值的关系

特别需要说明的是，因为对于纸张测量来说，电容值的测量精度要求很高，所以需要特别设计机械压紧机构。机械压紧机构的设计要求包括：①保证两极板平行压紧，每次增加纸张必然要移动测量极板，此时必须保证每次移动后两极板的固定位置不能变化，否则会造成两极板的正对面积发生变化而形成系统误差;②要有一定的重量和压力能够压紧所测纸张，不会造成纸张数量增加后纸张中间存在空气间隙而造成误差。

按照以上的要求设计的机械压紧机构如图2所示。笔者在测量过程中还注意到存在如下现象：当纸张放入两极板中间，放下极板后，测量电容的瞬时值会逐渐增大，等待一段时间后显示测量值才趋于稳定。笔者猜测原因可能是刚放下极板时，两极板的纸张中间存在空气间隙，在压紧过程中随着空气被排出，两极板的距离减小从而电容值增大。这就要求我们必须在极板放下后等待示数穩定后才能读数，否则会因为电容值还没稳定造成读数和判别错误。

图2 机械压紧机构设计

2.3 软件设计

采用定时器中断方式不断读取FDC2214的电容值，读取的FDC2214的电容值事先经过卡尔曼滤波。卡尔曼滤波是当下流行的滤波算法，具有计算量小，易于实现等特点[2]。

数据分类方法采用最近相邻法。在训练模式下，对不同纸张数量的电容值进行采样，通过按键录入预先定义的数组中。在判别模式下，系统实时采样电容值，判别按键按下后，计算当前电容值与已录入系统的电容值进行比对，找到距离最短的样本，判别纸张数量，并显示在液晶屏上。

2.4 测试结果

本设计经过笔者在50张纸以内的连续3次测试，正确率均达到100%，准确性满足设计要求。

3 总结

本设计通过专门设计的机械压紧机构，采用FDC2214电容传感器实时测量两块电极板所夹纸张的电容，与已录入单片机的电容值进行比对，从而测量出两极板内所夹的纸张数量，同时将纸张数量测试结果显示在液晶屏上，具有准确度高，结构简单，制作成本低等优点。

【参考文献】

[1]黄健.基于电容感测高温隔离触控模块的研制[J].宇航计测技术.2017，37（5）：40～43.

[2]陈阳.基于FDC2214的手势识别系统设计与实现[J].电子世界，2019（14）：159-160.