电容式薄膜计数器

相钊，蔡耘韬，陈志明

（佛山科学技术学院，广东佛山，528231）

0 引言

随着电子设备的智能化，人机交互计数成为当前电子信息和计算机科学研究的重要方向。在传统的测量的方法中，有人工计数薄膜的测量方法，但是该方法效率低下，不适合大规模的测量，随着的增加，出错率也会增加，还有一种是直接侧面拍照法，它是通过对所测的侧面进行拍照，然后依据页与页的边缘线数量来计算数量，不仅取决于所选摄像头的像素高低，还与图像处理技术有很大关系，往往测量的准确度达不到测量要求。为了实现更高精度与更快时间的要求，本设计采用一种基于FDC2214电容传感器数量测量的系统。由电容传感器芯片采集不同数量的电容值信息,将数字化频率值通过I2C送入STM32F4单片机中进行处理,根据实验数据建立的模型,进行数字处理，从而将电容值信号转换为数量,实现测量不同数量的功能。

1 项目概述

计数器，其核心部分为电容值得测量，根据研究的初期方法，测量电容值的方法采取的是全波整流电路，其中全波整流电路是自主设计的，各元器件参数均要通过理论分析与实际测量得出，电容测量的性能指标与设计电路密切有关，设计电路抗干扰能力越好，则输出结果越准确。随着研究的不断深入及发展，电容式薄膜计数器要求电容采集模块高精度、低功耗、抗干扰能力强、与单片机通讯方式简单，因此目前制作电容式计数器大多数都采用TI公司的FDC2214 电容值测量模块来测量电容值得变化。此FDC2214模块具有多通道电容数字转换器，可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。

压薄膜方案则采用25mm厚轻透明亚克力板上固定双面覆铜板，上层亚克力板给予固定压力，利用 FDC2214 测量不同数两极板之间电容值。 经过挤压，与之间空腔消失，且不会受到放置方式和轻微变形的影响，同时重块压制后的数据变化明显，规律明显。通过软件构建数学模型后，得到准确的回归方程。

图2 LM2596S-ADJ电源模块原理图

数据分析处理模块则选择单片机来与电容检测模块通讯，将数据进行收集，对极间电容值与相应数量通过软件构建数学模型，得到电容值与数量的函数关系式及图像。

目前电容式计数器作品是较为成熟，但是能够同时满足其他薄膜领域测量的并不多，因此电容式薄膜计数器会进一步发展。

2 项目设计

■ 2.1 电源设计

项目降压模块使用LM2596S-ADJ作为降压芯片，参照芯片数据手册和实际需要进行器件的选型，通过电位器实现电压值的输出调节，该模块可实现2 07~22 3V稳定电压输出，使用LED灯的亮灭表示该降压模块是否处于工作状态。

图3 LM2596S-ADJ电源模块PCB

■2.2 传感器FDC2214模块设计

FDC2214模块具有多通道电容数字转换器，可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。其传感平面，即为导体材质，当薄膜接近该导体传感平面时，传感端的电容发生了变化，这就会导致LC电路振荡频率的变化，进而可用于对极板间一定数量的薄膜进行电容检测，从而反映出薄膜的变化，以及数量的判定。

图4 FDC2214模块原理图

图5 FDC2214模块PCB图

■ 2.3 程序设计

本项目是通过I2C建立与STM32F4内核的通信，利用串口通信进行电脑与单片机的联系，首先，初始化FDC硬件，I2C，和串口等设施，然后读取FDC硬件的地址为0x7E和0x7F的ID，判断FDC2214与STM32通信是否正常，如正常可开始读取通道数据，通过读取的数据进行换算，然后手动测试增加薄膜数量后的电容值的数据，并记录到数组中进行匹配。其设计流程图如图6所示。

图6 设计流程图

该设计以STM32单片机为主控芯片，通过STM32中的I2C通信协议进行测量，电容采集装置使用的是FDC2214电容传感器装置，通过两极板测量不同，我们使用的是多通道的FDC2214，其电容计算公式如下所示：

其中，C为并联传感器电容。

FDC2214传感器频率如下所示：

其中，DATAx为DATA_CHx寄存器的转换值。

I2C通信的写时序和读时序图如图7~图8所示。

图7 I2C写寄存器时序（来源于FDC2214芯片数据手册）

图8 I2C读寄存器时序（来源于FDC2214芯片数据手册）

程序设计方框图如图9~图10所示。

图1 项目整体设计框图

图9 写程序框图

图10 读程序框图

FDC2214通过I2C协议会给单片机进行反馈，通过串口显示到计算机屏幕上，然后每当放一张薄膜的时候就记录多组数据，通过软件进行数据监控范围，每次测量100组数据，然后打印出一张薄膜会出现的范围，然后去掉头和尾部的10组数据，取最佳范围依次增加的数量进行测量数据会出现的范围，以此类推，当得到相当大的数据量后，找出每增加一张的电容值会变化多少的差值范围，由于两极板间硬件的误差太大，我们于是采用每次增加3张，以此测出来的效果为最佳。

又因为每次放的时候，不能保证两极板间的完全平行，所以实验会出现误差，于是我们采用自动学习功能，每次开机启动的时候会分别对五张，十张，十五张，进行校对参数，根据平行板电容器计算公式 C=εS/4πkd 校准 k 值，于是可以更好的进行因为种类等等原因的测量。然后经过测量出大量的数据后，使用软件绘图，找出最具概率性的电容差别值。

图11 程序设置原理框图

3 测试数据

经过多次测量与统计，共统计0~50张薄膜各30个数据，处理得出数据图表如表1所示。

表1 处理后测试数据

27361968 27375883 27198793 27333833 27190421 27202290 27214134 27375031 27182904 27333236 27188378 27200067 27235463 07 27375321 97 27188953 03 27333525 93 27189249 8 27201754 33 11 12 13 14 15 16 27458881 27413782 27420553 27421028 27421206 27262307 27404865 27406986 27416184 27420380 27420502 27249688 27434108 1 27411497 23 27416628 37 27420738 87 27420833 17 27255873 47 17 18 19 20 21 22 27449683 27477319 27473718 27473321 27465973 27449657 27447863 27466973 27465922 27472918 27465275 27444865 27448516 1 27467906 1 27472473 27473115 97 27465693 23 27447289 1 23 24 25 26 27 28 27444865 27446812 27448561 27449734 27443911 27211335 27444013 27446338 27445160 27447837 27442840 27208362 27444352 5 27446685 23 27448143 63 27448410 7 27443678 33 27209521 5 29 30 31 32 33 34 27207291 27232572 27262078 27280465 27194324 27426825 27204817 27230649 27249615 27271797 27031051 27426223 27206386 27 27232203 5 27254560 67 27278434 93 27165974 07 27426573 27 35 36 37 38 39 40 27435768 27436915 27432072 27435044 27447037 27441290 27435044 27435320 27271174 27434519 27440368 27440842 27435399 93 27436356 37 27288665 43 27434878 97 27441947 67 27441074 87 41 42 43 44 45 46 27439618 27441739 27438670 27441367 27441265 27441566 27438868 27439964 27438241 27441066 27440816 27440938 27439301 27 27440235 67 27438456 93 27441246 1 27441085 83 27441379 23 47 48 49 50 27441566 27467075 27475640 27440740 27440938 27466550 27473693 27206664 27441379 23 27466820 27474457 97 27432737 47

图12 整体数据图

图13 最大值数据图

图14 最小值数据图

图15 平均值数据图

4 结论

外界条件是引起测量误差的重要因素。外界条件，如测量极板夹紧程度、温度、湿度等因素，在一定程度上使得测量值存在一定的偏差，与之间真实值存在一定误差。因此，保持相对稳定的测量环境是十分重要的，即每次测量时需要将这些外界因素的值控制在一个相对稳定的范围内。

通过多次测量，发现单次测量效果好，每种数量的测量误差小，但是略有瑕疵，测量时不能使得每次测量极板的夹紧程度保持一致，在测量上实现效果好，但夹持薄膜方面还有待改进。