一种基于FDC2214的纸张测量系统设计

翟文盛 邵明杰 王天宇

摘 要：为了实现多种规格纸张数量的快速测量，设计基于STM32主控制器和FDC2214电容检测传感器所组成的纸张测量系统。先介绍装置的测量原理，再介绍系统的硬件设计与软件设计。系统通过I2C通信形式从FDC2214传感芯片读取一个通道的电容感应值，从而分辨不同数量纸张所产生的电容变化并以此识别纸张数量。采用中值滤波与均值滤波的方法来减少误差。对纸张数量所引起的电容变化，采用曲线拟合的方法，拟合XY散点图，模拟出80张纸以后的曲线变化图，最后将纸张数量结果显示在OLED屏上。

关键词：纸张测量;FDC2214传感芯片;中值滤波;均值滤波;误差测量;曲线拟合

中图分类号：TP206文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

本文针对纸张测量方法应用的局限性，采用TI公司最新推出的低功耗、低成本、高分辨率的非接触式电容式传感器FDC2214进行测量，在STM32中实现不同规格纸张的计数测量，最终将纸张数量由OLED屏显示出来[1-2]。本系统消除了噪声和常见的环境干扰[3]，具有成本低、灵活性高、便于携带等优点，拥有很好的市场前景。

1 测量原理与测量方法

1.1 测量原理

电容位移传感器的敏感元件是电容器，其工作原理为当被测物体的位移改变时，电容器极板间距离相应的发生变化并引起电容值的改变。对由两个平行金属板组成的电容器，如果忽略边缘效应，电容值如下：

式中：ε为极板间介质的介电常数;ε0为真空介电常数;

εr为极板间介质的相对介电常数;S为极板相互遮盖面积;

d为两金属平行极板间的距离[4-5]。由上式可知，当保持S和ε不变时，通过改变两金属极板间的距离d，从而可以引起电容值的改变。

FDC是一個电容数字转换器，用于测量LC谐振器的振荡频率。该设备输出一个与频率成正比的数字量，该频率测量可以转换为等效电容。FDC2214通过电容的变化来测得对象的距离，或者对象材质的变化，而电容的变化可以转换为通过匹配测量电路输出的电信号[6]。

1.2 测量方案分析

本文对三种不同的方案进行比较。第一种方案为和纸张形状尺寸接近的长方形亚克力底板、直角长方形亚克力挡板、长方形亚克力覆盖板，该方案波形较明显，测量效果误差比较小;第二种方案为与纸张尺寸接近的玻璃底板和玻璃覆盖板，波形变化幅度明显，但干扰较大，误差较大;第三种方案为正方形亚克力底板，波形变化幅度较小，纸张容易弯曲带来张力变化，从而造成测量误差。故选择第一种方案。为了避免纸张张力引起的电容变化值不准确，通过比较大理石与实木木块，发现重物压紧后，长方体形大理石效果更好。

1.3 测量方法

本文所设计的纸张测量装置在测量时，为了避免电磁对FDC2214的干扰，采取物理屏蔽的方法，即将信号线固定，芯片放在亚克力盒子中[7]。纸张对齐底板的直角，盖板与底板左上角对齐，用大理石压紧纸张，按键记录数据。

该装置在对不同规格纸张数量检测前，需要对系统进行训练学习，单片机将同规格的纸张逐张录入对应的电容数值，并保存作为比对参考量。在进行数量检测时，因不同纸张的厚度不同，两极板间的面积不同，从而引起的电容变化值就会不同，因此会不同程度地影响测试区外接极板的外部环境，使得外部极板接收到不同的频率值。FDC2214传感器芯片可将频率值转换为等效电容值，经I2C通信形式传递至

STM32单片机，之后比对单片机数值，并将结果在OLED屏显示。

经试验验证，当波特率设为115 200 b/s时，传输速率可达11.25 Kb/s，从而能够准确地识别出不同纸张数量的电容值，并保证较高的准确率。

2 系统的设计和实现

2.1 硬件设计

纸张测量装置构造主要包括电容式传感器芯片（FDC2214）、外接极板（5 cm×5 cm纯铜极板）、系统控制模块（STM32单片机）、OLED显示模块以及电源模块、电源稳压模块等。电源（稳压）模块为系统供电，维持装置的正常工作。装置模块如图1所示。

2.1.1 FDC2214芯片

电容式传感应用灵敏度的主要限制因素在于传感器的噪声敏感性，与现有电容感测解决方案相比，FDC2214芯片采用创新型抗EMI架构[1]，通过采用基于窄带的创新型架构，可对噪声和干扰进行高度抑制，使其不受来自无线电、电源、光照和电机等环境噪声的影响[8]。同时在高速条件下提供高分辨率，即使在强噪声环境中也能维持性能不变。在噪声出现时，FDC2214的性能提升[8]约60倍，在任何环境下均可实现基于低成本电容方式的人体和物体感测。在电容式传感系统中的传感可以采用任意金属或导体，该器件支持宽激励频率范围，可为系统带来灵活性。

2.1.2 显示模块

OLED的SCL与单片机的GPIOPB10连接，SDA与GPIOPB11相连接。由于本系统的模式显示文字少，故采用0.96 in OLED液晶屏，可在最大程度上减小系统体积。同时OLED相对于LCD12864或TFT彩屏耗电更低，更加节约能源，成本更加低。

2.1.3 STM32F4VET6单片机

STM32F4VET6有多达140个GPIO，6个UART串口，3个I2C接口，提供24个ADC输入通道，16个DMA通道，有2个I2S接口，支持全双工，多达1 MB FLASH。其低电压为1.8～3.6 V，在某些封装上，可降低至1.7 V，低功耗、性能稳定。STM32F4VET6单片机的GPIOPB8引脚与FDC2214芯片的SCL相连;GPIOPB9引脚与FDC2214芯片的SDA相连，用以发送和接收数据[9]。系统原理图如图2、图3所示。

2.2 软件设计

2.2.1 算法过程

本次实验采用单通道法，对两个极板采样的电容值进行物理取差，传入FDC2214电容传感器，主控芯片采样传感器输出数字量，通过中值滤波和均值滤波的配合去除无效数据[10]，再导入拟合函数判断纸张数量。程序会自动识别不同的纸张区间并采取对应的算法。开始时系统初始化，定时器中断循环采集FDC2214数据，通过扫描按键操作来切换多级菜单来实现各个功能的切换。程序主流程如图4所示。

2.2.2 系统执行

装置测量纸张数量之前，需要录入一次空值作为基础初值，该值是对当下环境的实时描述。因为FDC2214芯片对环境变化较为敏感、分辨率较高，因此在不同环境下各通道外接极板的数据接收值会存在较大差异，导致简单常数通常无法精准表示实时的环境状况。而通过初值录入，可最大程度避免此类误差的出现。

工作模式下，芯片通道引出的对应外接极板可监测到因纸张数量不同而引起的环境变化。单片机将获得的近百组数据，通过中值滤波和均值滤波的配合，再去除无效数据后，所求得的值即此时纸张数量的特征值，作为工作模式下数据比对的基础，判断出纸张数量，并将结果显示在OLED屏。

3 实验结果

3.1 模拟结果

80張A4纸逐张先增后减的测量结果散点图如图5所示。

3.2 实验结果

最终采用亚克力板与纯铜板的结构：亚克力底板固定两个磨砂玻璃板，以便更好地支撑和固定亚克力底板。在亚克力板中心打孔，信号线从底部引出，通过FDC2214电容的变化来判断纸张的数量。通过设置，电路能够自校准环境所引起的参数变化。80张A4纸的测试结果见表1所列。

系统装置实物如图6所示。

4 结 语

本文对基于嵌入式STM32F407VET6芯片的多种规格纸张测量装置的设计进行了介绍，其内容包括系统的测量原理与测量方法，系统的硬件设计、软件设计，实验结果展示等。该系统整体性能优良，经验证能够实现预期的功能。今后还要进一步完善本系统，使之成为功能更好、更稳定的产品。通过本次设计，进一步体现了电容式传感器的结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点。在消费电子领域，如多点触摸屏、触摸板、滑动条、智能手机、平板电脑和游戏机等方面，电容式传感器有着更多的应用，未来在人工智能、无人操控驾驶、3DVR体感游戏等领域，将会有更为广阔的天地。

参考文献

[1]田泽豪，余晨阳，王宇丰.智能纸张测量系统设计[J].科技与创新，2019（19）：68-70.

[2]郭霞，谭亚丽，申淼.基于 FDC2214 的手势识别系统[J].传感器与微系统，2018（12）：90-92.

[3]佚名.大联大友尚集团推出基于TI技术的物体（人）感测应用解决方案[J].单片机与嵌入式系统应用，2016（6）：88.

[4]程大鹏.基于电容传感器的薄膜厚度测量系统研究[D].桂林：桂林电子科技大学，2011.

[5]石洁.主动减振系统传感单元设计与分析[D].武汉：华中科技大学，2012.

[6]高泷森，王磊，孟凡强，等.基于 FDC2214电容传感器的手势识别系统[J].电子科技，2018（10）：76-78.

[7]戴蓉，刘波峰.传感器原理与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[8]佚名.抗噪声电容感测系列[J].今日电子，2015（12）：63-64.

[9]杨世伟，王泽鹏，陈锦钰.基于FDC2214芯片的手势识别系统设计[J].物联网技术，2019，9（9）：90-93.

[10]陈家益，熊刚强，战荫伟，等.基于二次检测和极值修剪的自适应滤波算法[J].安徽大学学报（自然科学版），2019（5）：35-40.

[11]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（5）：40-43.