基于STM32F103单片机的纸张计数显示装置设计

李海 王慧 赵浚坚 周志毅

摘要：纸张计数显示装置基于RT-Thread实时操作系统，硬件平台采用STM32F103单片机为主控制器，以具有抗电磁干扰（EMI）架构的模块作为电容采集传感器，通过屏蔽双绞线连接至两铜极板，读取采集的数据并进行相应判断，应用触摸屏和语音模块进行状态显示与播报。

关键词：CD4069;卡尔曼滤波;模糊算法;RT-Thread STM32

中图分类号：TP83 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）06-0008-02

0 引言

纸张计数显示装置涉及的主要就是测频率值，通过CD4069非门构成的非对称式多谐振荡器，频率不会出现范围跳动，相对稳定，非门构成的非对称式多谐振荡器的振荡频率理论上可以高达4M，实际我们测的话能达到2M左右，频率越高，最后测纸数越多的时候它的区分度越好。通过主控芯实现计数功能、计时功能和频率换算，之后进行算法编程，计算出纸张数量，最终实现人机交互，并由1602显示[1]。

1 总体方案设计

本系统主要由电容式传感器模块、测量方案的论证与选择、压力式结构、控制系统组成，以STM32F103单片机为核心，利用单片机的计数定时功能实现频率计数，并且采用加权平均算法，借鉴于卡尔曼滤波算法。其次，在模糊控制中有多重解模糊的方式：面积平分法、加权平均法（重心法）、平均最大隶属度法等。根据系统的特性，我们选用平均最大隶属度法进行解模糊运算。结合这两个算法减小误差，最终计算出纸张数量并送到显示电路显示。

2 硬件电路设计

本系统装置系统结构框图如图1所示，装置STM32模块、电容极板（采集纸张数量模块）、CD4069、驱动层、LCD显示模块组成。以STM32F103单片机作为主控芯片来完成该信标智能检测系统。

2.1 测量和压力式结构模块

用放置重物压紧，四周打定位孔用螺栓插入，使其相對面积基本保持不变。这种方式制做稍微繁琐，但两个极板之间的受力较为均匀，调试方便，稳定性较好[2]。

CD4069非门构成的非对称式多谐振荡器，频率不会出现范围跳动，相对稳定，非门构成的非对称式多谐振荡器的振荡频率理论上可以高达4M，实际测能达到2M左右，频率越高，最后测纸数越多的时候它的区分度越好。

2.2 控制系统模块

系统使用ST公司的STM32F103，STM32系列是一款基于Cortex-M3内核的中低端的32位ARM微控制器，最高工作频率可达72MHz。内部带有高速、高精度定时器，将其时钟源配置为外部时钟，就可以对外部脉冲信号进行脉冲计数，还带有单周期乘法和硬件除法。为了保证系统的测量的精度和设计所限制时间，决定选用STM32F103单片机。

3 软件设计

3.1 系统总体工作流程

软件部分主要分成用户交互设计以及数据处理算法设计，基于RT-Thread实时操作系统，利用系统的线程调度完成各个模块的程序处理[3]。

3.2 程序设计思路

在整体软件中，首先在触摸屏菜单进行人机交互，进入不同的功能调用不同的控制函数与数据处理算法。程序线程调度，主要分为简单任务以及核心算法算法任务。简单任务为IO设备、触摸屏、OLED屏幕、语音模块、NB-IOT模块等设备控制;核心控制算法任务为CD4069电容模拟值采集、卡尔曼滤波以及模糊求解最大可能性落点区间，从而得到当前纸张数量。

3.3 系统理论分析与计算

3.3.1 加权平均算法

本次设计中，软件方面采用了加权平均算法，借鉴于卡尔曼滤波算法。根据观察可以发现，下一秒的频率值永远比上一秒的频率值更准确（在仅考虑间距的状态下），因此可以分配给下一秒的频率权重值更大，而上一秒的权重更小。在算法中，一共在一秒内采集5个数据（200ms定时采集一次），那么这5个数据一定有着不同的权重值。人为设定为第一秒权重为0.1;第二秒权重为0.1;第三秒权重为0.2;第四秒权重为0.3;第五秒权重为0.3，权重总和为1。那么这个新数据肯定是这五个数据的加权平均值。将新数据作为最终当前纸张的频率值。

3.3.2 模糊算法

在模糊控制中有多重解模糊的方式：面积平分法、加权平均法（重心法）、平均最大隶属度法等。根据系统的特性，我们选用平均最大隶属度法进行解模糊运算。模糊推理结果为输出论域上的模糊集，通过平均最大隶属度法，取模糊集中具有最大隶属度的所有点的平均值作为去模糊化的结果，由此可得到论域上的精确值[4]。

4 电路的测试结果集分析

测试数据分析：

（1）保持测试环境不变，采集50个样本，通过MATLAB拟合出纸张页数与传感器原始数据的曲线关系。

（2）根据（1）中采集50个样本，确定电容模拟值及纸张数论域，划分模糊子集。

（3）根据（2）中划分的模糊子集，保持测试环境不变，固定测量35张纸张，采集到的原始数据90%落入35张页数所对应的区间[401.35，399.50]。

（4）根据（2）中划分的模糊子集，保持测试环境不变，固定测量46张纸张，模拟值大部分落入46张页数所对应的区间[383.6，382.7]。

分析与结论：根据上述测试数据可知，采集到的原始数据与纸张数大致呈幂函数关系，通过划分规则控制表，确定每个区间的隶属度，可推算出当前的纸张数量。随着纸张数量的增加，频率变化逐渐变小，造成纸张越过范围后，测量误差越大。

5 结论

本系统在完成了题目要求的同时，还增加触摸屏进行人机交互，具有十分友善的GUI，并增加了语音提示功能。系统的稳定测量源于机械结构的创新特性，采用固定铰链式抗干扰结构，确保上下极面的正对面积保持不变。整个系统的构建源于机械结构、电路设计、软件设计的合理架构，最大亮点是基于RT-Thread实时操作系统进行线程调度，极大程度的利用了MCU的资源，使得系统响应快、稳定性高。此外，基于电容检测的特性，增加了扩展功能以适应一些生活应用场景，包括材料识别，预先采集材料阈值，进行不同材料的区分;纸币识别，识别不同纸币的面额。

参考文献

[1] 谭浩强.C程序设计[M].第2版.北京：清华大学出版社，1999.

[2] 周静，郑卉.C语言程序设计实例教程[M].北京：中国人民大学出版社，2011.

[3] 李良荣.现代电子设计技术：基于Multisim 7[M].北京：机械工业出版社，2015.

[4] 石伟，龙永红.基于灰度投影法的硬板纸计数方法研究与实现[J].包装学报，2015，25（4）：47+51.