基于CAV444的纸张计数技术的研究与实现

陈道来 鹿存莉 高尔康 高伟 刘晨

摘要：以CAV444芯片為核心检测电路，设计了一种以MSP430F149单片机为控制基础的纸张计数装置。纸张放置于两个平行板极间，纸张数量的变化引起电容值的变化，CAV444芯片将容值变化转变成线性的频率变化，再通过LM393整波电路输出稳定的方波，利用MSP430F149单片机片内部的定时器和计数器测量方波频率，计算后将纸张数量通LCD12864液晶显示出来。系统具有分析纸张数目及自校准的功能，便于操作，工作稳定。

Abstract： In the paper， CAV444 chip as the core detection circuit， a paper counting device based on MSP430F149 microcontroller is designed. The paper is placed between two parallel plate poles， the change in the number of paper causes the change of capacitance value， the CAV444 chip transforms the tolerance change into a linear frequency change， and then outputs a stable square wave through the LM393 whole wave circuit， using the timer and counter inside the MSP430F149 microcontroller to measure the square wave frequency， after calculation， the amount of paper is displayed through the LCD12864 liquid crystal. The system has the function of analyzing the number of paper and self-calibration， which is easy to operate and stable.

关键词：CAV444;MSP430;纸张计数;LM393

Key words： CAV444;MSP430;paper count;LM393

中图分类号：TP368.1;TH724                           文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0203-03

0  引言

随着印刷业和造纸业的发展，工厂对纸张计数装置的渴求越来越高[1]。纸张厚度是纸最基本的性能指标之一，目前纸张厚度的检测方法总体看来由传统的接触式向非接触式发展，常用的非接触纸张厚度方法有超声，射线，微波，近红外线测厚法、电容测厚法等[2]。超声反射法从测量精度来说可满足生产中的要求，但需要耦合剂，被测厚度需要大于2mm。射线法需要放射源，存在需加防护措施，成本高等问题，推广使用有一定的难度。对于电容传感器的应用，通常有两种检测电路，典型的测量电路有：电桥式电路、调频法电路、运算放大式电路。另一种是集成电路，例如德国AMG公司的CAV424、CAV444系列[3]。集成电路可以有效减少环境的影响，并具有电路体积小、结构相对独立原件构成的检测电路更简单，便于调试。

1  系统硬件设计方案

1.1 总体设计方案

系统总体框架如图1所示。

以CAV444芯片为第一性检测电路，设计了一种以MSP430F149单片机为控制基础的纸张计数装置。电路部分主要包括MSP430F149单片机最小系统、检测装置电路、CAV444电容模块、稳压供电模块、LCD12864液晶显示模块。

纸张计数显示装置涉及的主要就是测频率值[4]。纸张放置于两个平行板极间，纸张数量的变化引起电容值的变化，CAV444芯片将容值变化转变成线性的频率变化，再通过LM393整波电路输出稳定的方波，利用MSP430F149单片机片内部的定时器和计数器测量方波频率，计算后将纸张数量通LCD12864液晶显示出来。

1.2 CAV444电容模块

基于CAV444芯片的电容测量电路，将测得的电容变为相应频率输出。CAV444是一个多种电容式传感器信号测量集成电路，根据实际电路测量发现，其电容信号和输出频率为线性关系，测量电容规模宽，丈量精密度高[5]。

1.3 波形处理模块

由LM393组成的施密特触发器，去除杂波干扰信号，调理到适合单片机读取的电压范围。

1.4 MSP430F149单片机

系统以超低功耗的MSP430F149为数据处理核心，它是具有16位总线的带FLASH的单片机，在8MHz晶振工作时，指令可达8MIPS，系统工作稳定[6]。

2  系统软件设计

系统主程序设计采用了自顶向下的程序设计思想，即模块化设计。主要的功能模块有：系统初始化;频率采集模块;数据补偿计算;定时器模块。在主程序需要时可以直接调用子程序。系统主程序的流程图如图2所示。

对单片机的时钟、看门狗、定时器/计数器、中断系统、I/O口等初始化。然后运行系统自检程序，对检测仪器的主要部件进行功能测试，如有异常，给出报警信息。系统自检完成后，采集CAV444频率，等待用户的指令。仪器可工作在扫描模式或校正模式。校正模式时，对检测仪器进行校准。扫描模式时，对纸张进行在线检测。使用前检测仪器一般要进行预热，第一次上电后先校正再测量。检测的纸张数量通过LCD12864液晶显示。

3  系统性能指标及测量结果

通过数据分析可知，如图3所示，被检测的两个极板之间的纸张增加或减少时，影响类似电容的电容量变化，从而利用CAV444芯片的内部及驱动电路，可知纸张数量变化与CAV444频率输出大小的关系。

纸张放置于两个平行板极间，纸张数量的变化引起电容值的变化，当纸张厚度为0.05mm时，极板电容值为0.0013pF，厚度为0.10mm时，极板电容值为0.0024pF，厚度为0.15mm时，极板电容值为0.0120pF，随着纸张厚度的增加，极板电容值也在依次增加。CAV444芯片将容值变化转变成线性的频率变化，输出频率随着容值的增加而增加。

根据表1的测量结果对数据进行分析，纸张厚度与极板电容值和输出频率的关系曲线如图4所示。

从图4可以看出随着纸张厚度的增加，极板电容值也在依次增加，输出频率也随着极板容值的增加而增加。即通过频率的变化可以准确的测量出纸张的厚度。

4  总结

本文介绍了一种以MSP430F149单片机为控制基础的纸张计数装置，电路高度集成、性能稳定，相比传统的纸张计数器成本低、精度高。实验结果表明，该系统具有分析纸张数目及自校准的功能，便于操作，工作稳定，可以更好的应用于造纸过程控制系统。

参考文献：

[1]杨平，王威，等.MSP430系列超低功耗单片机及应用[J].国外电子测量技术，2008，27（12）：48-50.

[2]王曙光，唐浩漾.一种智能纸张厚度计设计[J].传感器与微系统，2015，34（04）：72-74.

[3]宋美杰.基于CAV444的薄膜厚度測量电容传感器设计[J]. 桂林航天工业学院学报，2015（004）：471-473.

[4]李红.基于STC89C52单片机的纸张计数显示装置设计[J].信息与电脑（理论版），2019，31（22）：39-41.

[5]赵满，时海涛.基于CAV444芯片的测量电容的电路系统设计[J].自动化应用，2018（10）：45-46.

[6]雷宇，任文静，焦新程.一种基于MSP430F149单片机的频率测量模块设计[J].石油管材与仪器，2018，4（06）：16-19.

[7]潘猛，王明明，祁高进，等.一种应用于医药试剂试纸检测设备的LED照明驱动装置.

课题项目：江苏省大学生创新创业训练项目（201913571004Z）。

作者简介：陈道来（2000-），男，安徽六安人，本科在读，研究方向为物联网嵌入式、专业电子信息工程。