基于单片机的纸张检测设计

徐昊，何远纲

（重庆电力高等专科学校，重庆，400053）

0 引言

随着现代社会科技的不断发展，印刷业和造纸业衍生出许多的行业。出版、包装作为加工服务行业，具有一定的文化产业属性，在现代文化的建设中发挥着重要作用，是经济组成的重要部分。无论是包装用纸、印刷用纸、文化用纸还是生活用纸都需要经过工厂加工然后才能进入市场被人们所购买使用。由此可见随着各种纸张用量的增长，纸张测量的重要性也随之体现。纸张数量的检测跟企业经济效益密切相关。我们都知道采用人工检测会出现很多问题比如为了确保工作量的完成需要花费大量的时间检测，同时也使长时间从事这一工作的员工出现视觉疲劳、检测速度下降等问题。那么准确性就必然会受到影响。这种速度慢、效率低的检测方式会让生产厂家流失许多订单经济效益就会下降。为了在实现自动化需求的同时降低纸张检测过程中的噪声。因此设计出噪声小、误差小、方便快捷的自动化纸张检测装置。

1 系统设计

本仪器设计主要由等效电容电路、控制电路、显示电路和单片机组成。其中等效电容电路利用了两块极板之间电容值会随着放入的纸张数量的不同而相应发生的变化。该测量的装置是用STM32 单片机系统作为主要核心测量控制元件，由NE555 芯片构成振荡器作为检测模块，连接两个极板来感应纸张数量变化。NE555 振荡器输出一个矩形波，该输出波形会随着极板内纸张数量的改变而改变。由纸张数量发生改变后(极板中间的介质发生改变)而引起产生的极板电容参数变化信号通过按键将电容参数变化录入STM32 单片机中通过程序运算处理后并根据此计算得到纸张数量，通过显示模块显示测量出的纸张数量。系统的设计总框图如图1 所示。

图1 系统设计框图

图2 NE555 模块电路

2 硬件设计

■2.1 主控模块

本纸张测量装置需要能准确测量出纸张数量，这就对于运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 单片机。这个单片机处理器的最大工作频率可达72MHz，运算能力比较好。主控模块使用普通的USB 接口供电，由于数据线一般都是5V电源，但是一般单片机都是3.3V 供电所以主控模块采用STM32F103C6T6 单片机自带降压电路可以将5V 电源输入转变为3.3V 稳定电压，不会因为电压过高烧坏芯片。

■2.2 NE555 检测模块

在此次设计中，使用NE555 定时器和外部元件两个电阻器（R1 和R2）、一个二极管（R3）和一个电容器（C1）组成一个振荡电路，用于产生脉冲波形。由于该电路没有稳定状态，只有两个瞬态恒定状态，因此电路不需要外部连接其他触发信号。平行板的一个极板接NE555 定时器的2 脚和6 脚，另一个极板接地；NE555 的7 脚和6 之间接200k的电阻和二极管1N5817；8 脚和4 脚连在一起；8 脚（4 脚）经200k 电阻和7 脚相连；1 脚接地、5 脚通过0.01μF 的电容接地；3 脚输出矩形波[2]，该检测模块会根据不同的纸张数量从而产生不同的波形。

■2.3 显示模块

我们使用的显示模块是一个由SSD1306 芯片驱动的0.96 英寸OLED 屏幕。我们所用的显示模块是四线的OLED模块。四根导线包括VCC 电源输入引脚、GND 接地引脚、SCL 时钟输入引脚和SDA 数据输入/响应输出引脚，SCL连接单片机的PB6 脚，SDA 连接单片机的PB7 脚。四线OLED 用的是I2C 协议。

I2C 是串行同步通讯总线协议。I2C 串行总线含2 根信号线：串行数据线SDA和串行时钟线SCL，两根线都是双向的，输出电路用于将数据传输到总线，输入电路用于从总线接收数据。执行数据传输时主机和从机的关系不恒定。主机用于启动总线传输数据，产生START起始条件和STOP 停止条件，发送设备地址并产生时钟信号[2]。当SCL 稳定在高电平时，SDA 从高变低生成起始位，而从低变高生成停止位。启动位和停止位均由主设备I2C 生成。选择从设备时，如果从设备使用7 位地址，则传输过程开始之前，主设备必须发送1 字节地址信息。前7 位是设备地址，最后1 位是读写标志。之后从MSB 开始传输数据每次都是1 字节。每个字节传完后，在SCL 第9 个上升沿到来之前，接收方应该发出1 个ACK 位。SCL 时钟脉冲由I2C 主控方发出，在第8 个时钟周期后，主控方会释放SDA。时序图如图3 所示。

图3 I2C 协议时序图

图4 程序流程图

图5 系统调试实物图

3 程序设计

由NE555 定时器和电阻、金属极板及纸张构成的电容组成一个多谐振荡器输出矩形波，单片机通过测量矩形波周期得到频率，通过公式的计算进而得到电容值参数，计算出最终的纸张数目。电容计算公式如下：

其中C为电容值、ε 为极板间的介电常数、k为静电力常数、d为极板间的距离[5]。纸张的变化改变了d（极板间的距离）因为放的纸张数量的不同，造成了极板间距离的变动。连接电源后,首先需要进行校准，按下按键1 进入校准模式,把A4 纸放进检测装置里面,获取电容并且录入每增加一张纸而产生的数据，数据录入完成后,按下按键2 开始测量程序，通过查表得到当前纸张数量,再通过屏幕显示纸张数量。程序设计采用了C 语言编写，便于修改和扩充，而且C 语言编译可以自动完成变量的存储单元分配。编译软件采用了Keil μVision5 创建HEX 文件。

4 系统调试

在本套设计方案整个过程调试中,需要不断地重复测试进行大量数据的采样运算以及各种精确数值计算，才能始终确保所计算出纸张数量结果的绝对正确性。最开始所用的测量模型是木板做成的木盒进行测量，当发现测量不准确时，想到的办法是在电容模型上放置重物，使模型可以将纸张压得更准确。但是因为录入数据的时候，每次放置重物的位置不一样，而重物并不好固定在模型上，造成了每一次测量出来的数据都不准确，不能更好地测量出具体的纸张数目。后来认为是模型中的两根导线突出，使两块木板不能很好地闭合，想到了在木板上挖出可以放置导线的沟渠，但是在测量过程中木板还是存在不能完全闭合这个问题，测量不准纸张数目。进而改变测量模型，采用了塑料盒模型，利用塑料盒的上下盖子，来使极板闭合在上方盖子上放一块木板重物使模型固定住，经过了多次的模型改进与搭建，最终可以具体地检测出纸张的数目。

5 误差分析

由表1 可以看出第一次测量不是很准确无法达到理想效果，这是因为第一次测量的时候采用木板做成的木盒进行测量，由于两块木板之间始终存在缝隙，导致两块极板始终不能完全严丝合缝。而且因为始终存在间隙，极板之间所夹带的空气也随着纸张数量增加逐渐变得越来越多了，所以在每一次录入数据的时候，都会选择在上面加重物尽量将里面纸张的空气排出，但试过很多不同的重物，由于在挤压纸后纸张压力增加对纸张介电常数值的产生影响的相对较大，都不能准确地测量具体数值。显示屏上显示的数量始终都在两个数值之间跳动，变化非常明显，并不能达到很好的效果。后面老师又给我们建议，在木板上修沟渠放导线减小导线对测量的影响，还是始终无法达到我们想要的效果，所以我们认为应该把导线放置在电容模型外，这样测量的时候导线是在极板外面的不会因为纸张放下而导致测量不准，产生误差。第二次测量我们就使用了塑料盒模型，把极板的一半的都放置在塑料盒外面，看看会不会使纸张测量得更加精确，因为有了之前失败的案例，加上误差分析，第二次塑料盒模型果然并没有出现之前无法完全闭合的问题，所以我们就测量出来了具体的纸张测量数目。

表1 测量结果表

6 总结

对于印刷、造纸、包装等许多行业同样需要进行大量准确的自动清算点的纸张，而鉴于人工检测为了确保工作量的完成需要花费大量的时间检测，同时也使长期从事这一工作的员工出现视觉疲劳、检测速度下降等问题。在此基础上我们设计制作出了一种高效且准确可靠的自动化的纸张测量装置，该测量装置也是完全基于STM32 单片机，该测量装置是可以快速而且准确地实时显示计算出装置当前自动放置的纸张数量。测试实验结果均表明，本系列纸张计数检测装置能够快速准确地测量纸张，解决人工检测存在的问题，提高检测效率。该检测装置具有结构简单、生产方便、价格便宜等优点。该装置不足之处在于断电后会自动复位下次再次使用需要重新录入数据。