基于频率测控技术的多功能纸张检测系统设计

摘  要：针对文印等行业的纸张计量问题，设计了以单片机及变介质电容式传感系统为控制核心的多功能纸张检测系统并应用于多谐振荡电路，系统首先采用了中值滤波算法对初始频率进行滤波来实现频率的粗定位，然后对中值滤波算法进行了改进，通过对频率的粗定位区间进行二次求中值并进行判断来实现频率的精准定位，同时该系统还配置了蓝牙、语音播报、自校准等功能。实验表明该系统可实时检测纸张数量且工作稳定，为纸张类材料提供了新的计量方法。

关键词：频率测控;多谐振荡;纸张测量;单片机

中图分类号：TM935;TP368      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）07-0139-03

Design of Multi-functional Paper Detection System Based on

Frequency Measurement and Control Technology

GAO Tianxue

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou  253034，China）

Abstract：In view of the paper measurement problems in the paper printing and other industries，A multi-functional paper detection system based on single chip microcomputer and variable dielectric capacitance sensor system is designed and applied to the multi harmonic oscillation circuit. The system first uses the median filter algorithm to filter the initial frequency to realize the rough positioning of frequency，and then improves the median filter algorithm. It is realized through the secondary median value of the rough positioning interval of frequency and judgment. At the same time，the system is also equipped with Bluetooth，voice broadcast，self calibration and other functions. The experimental results show that the system can detect the number of paper in real time and work stably，which provides a new measurement method for paper materials.

Keywords：frequency measurement and control;multivibrator;paper measurement;microcontrollers

0  引  言

紙质类薄片的计量准确、快速等问题在银行、文印等场所尤为重要，传统的纸张计量方法多采用卡尺测量或电子传动式计数方式来完成，其存在效率低、误差大、破损率高等问题。国内外对纸张计数有一定的研究基础，但在基于电容式传感器计数方面的应用研究和文献较少。笔者基于学校科技计划项目对纸张计数系统进行了设计与开发，实现了纸张快速计量及语音播报等功能，可以检测不同材质的纸张，特别是对普通印刷纸的计数具有高效、稳定等特点。该系统可应用于纸质类材料需求较多的办公场所，例如在文印公司中可以快速计算出顾客打印纸张的数目及应付款，无需人为观测，高效快捷。

1  变介质电容传感器技术

随着电容传感器技术的发展，变介质电容传感器越来越多地应用于传感电路，其主要由上下两块平行极板及中间介质组成，其产生的电容值随着电极材料上所加介质的改变而改变，当两个极板间的介质均匀变化时可构成一种可变式电容传感器。变介质电容传感器结构及等效电路如图1所示，其电容计算公式：

C=

其中C为两极板间的电容，ε0为真空介电常数，εr为该材料的相对介电常数，当其他参数不变且只有两极板间的距离d变化时，两块极板之间可以看作开放的电容结构，在夹紧的情况下可以看作介电常数不变，通常通过极板距离d的变化来表征电容数值的变化。

当sε0εr不再改变时，电容的大小只与d有关，所以：C（面积s，单位：m2）正比于1/d，令ε=ε0εr，当有一个极小的d变化时：

2  硬件系统设计

2.1  系统组成

系统利用变介质电容传感器技术，采用单面覆铜板设计了上下两个极板并将其连接在多谐振荡电路中，当向两极板间加入纸质类介质并将其压紧时，两极板间的电容量会随之发生改变，通过LM555多谐振荡电路把微小的电容变化转化为较大的频率变化，对该频率进行处理后建立纸张数量的模型关系达到测量纸张的效果。经过大量实验测试，该系统借助于LM555多谐振荡电路的某个振荡频段，把微小的电容变化量转化为单片机可检测的频率变化量，通过对频率分析及处理来得到所测纸张的数量，实验结果显示该方法确实可行，系统以单片机为控制核心，由多谐振荡系统、液晶屏、蓝牙模块、语音模块等组成，系统的整体框图如图2所示。

2.2  基于多谐振荡技术的电容式检测电路

系统测量纸张的关键技术是测量纸张引起的板间电容量，由于目前市场上对电容的直接测量器件价格昂贵，故该系统通过LM555多谐振荡器将电容数值的变化转换为频率的变化，进而得到纸张的数量，结构简单且制作方便，其设计电路如图3所示。LM555作为使用率极高的芯片可靠性强，且工作频率可以通过电阻值（图3中R3及R4）及电容值（即图3中的极板）的变化来调整。

已知多谐振荡器的振荡频率计算公式如下所示，实际应用时控制电阻值不变，振荡频率与电容呈倒数关系：

f=

由公式可知，电容变化会对振荡频率产生影响，将纸质材料放入两极板后，随着两极板间的距离变化会产生微小的电容变化，故可通过振荡电路系统转化为较大的频率变化，检测系统的上下两个电容极板由笔者自行设计，经过大量测试后，由两片完全重合的长50 mm宽35 mm的覆铜板组成，其连接线采用了直径1 mm的纯铜线，考虑到电动势平衡问题，该连接线采用了完全连接的方式并进行了镀锡处理（如图4所示），最后将两极板嵌于平滑木板后配以重物，确保上下两极板在测量时完全对称且能将极板间所测介质压紧，经定标处理后得到准确的频率数据库。

系统使用单片机的计数器功能对电容式检测电路的输出频率进行采样并分析，通过大量测试性实验后选取了20～180 kHz频率范围进行了定标并在单片机内部建立了频率数据库（由于空间问题，只列举局部），使用中值滤波算法对频率进行滤波后并使用改进型中值滤波算法进行精准定位，进而得到与频率对应的纸张数目并将其显示在液晶屏，同时进行语音播报提醒及蓝牙传输等动作。

unsignedlongshuzu[]={0，28 700，35 700，41 600，46 600，51 400，56 200，61 000，64 700，69 000，73 600，76 600，80 300，83 500，86 900，90 100，92 900，95 600，98 100，100 800，103 200，105 600，107 800，109 900，111 900，113 900，…};//频率库，单位为Hz

2.3  改进型中值滤波算法

实际实验过程中发现，由于环境因素（如气流、温度、震动等）的影响，多谐振荡系统的输出频率会存在波动，对系统的准确性及稳定性带来很大影响，故需要单片机内部对数据进行数字滤波处理。系统根据实际需要，首先采用了中值濾波算法对初始频率进行滤波来实现频率的粗定位，然后对中值滤波算法进行了改进，通过对频率的粗定位区间进行二次求中值并进行判断实现了频率的精准定位，实验发现该方法准确度理想，其主要编程思路如下所示。

int zhongzhilvbo（ ）

{     for（i=0;i<200;i++）

{if（（Freq>=shuzu[i]）&&（Freq

{k=（shuzu[i]+shuzu[i+1]）/2;//计算频段中值，实现精准定位

if（Freq<=k） return i;//中值以左

else return i+1;//中值以右 } }

}

3  实验测试与分析（频率、纸张、电容数据等分析）

选取210 mm*297 mm，70 g/m2的A4纸张在20～180 kHz频率范围进行了实验测试，图3中多谐振荡电路的R6及R9分别取50 kΩ、100 kΩ，系统模型如图5所示，当将纸张靠近装置时，升降台会将上极板升起，升降台落下后系统会自动进行测量并显示相关数据。其实测频率及对应的纸张数量部分数据情况如表1和图6所示。

4  结  论

本文对基于电容式传感器的纸张计数系统进行了研究，设计了一种采用高速单片机及变介质电容传感器来检测纸张数目并通过显示模块、语音模块来进行有效提醒的纸张计量装置，并在软件程序中采用频率测控技术与改进型中值滤波算法来提高检测数据的精确性，极大地缩短检测和系统处理时间。实验测试表明，本系统传输速率快、准确性高、功耗低、成本低，而且模块化设计，便于功能扩展，能够满足快速准确的对纸张计数的效率需求，为纸张测量技术提供了相关设计新思路，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1] 杨振江，蔡德芳.新型集成电路使用指南与典型应用 [M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.

[2] 邱关源，罗先觉.电路：第5版 [M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础：第3版 [M].北京：高等教育出版社，2000.

[4] 张伟，吴红杰，徐海鹰.电路设计与制板——Protel DXP高级应用 [M].北京：人民邮电出版社，2004.

[5] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计：第2版 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[6] 孙同景，陈桂友.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术 [M].北京：机械工业出版社，2008.

作者简介：高天学（1991—），男，汉族，山东济南人，硕士研究生，主要研究方向：射频信号的获取与处理。