基于STM32F407单片机的纸张计数装置设计

韦创炜，陈世龙，周晓倩，冯剑英，李伟源，庞寿全

（玉林师范学院，广西玉林，537000）

0 引言

在造纸行业或者印刷行业,每天都需要清点大量的纸张，纸张计数的速率和准确率，会大大影响工作效率。目前使用最多的纸张计数装置依然是传统的机械式计数器，如常见的点钞机。传统的机械式纸张计数器有着无法避免的固有缺点，如对纸张的材质和尺寸有不同要求,计数速度有限,纸面会受磨损,计数精度不高，这些缺点给生产管理带来了诸多不便。现在国内外较新颖的纸张计数方式是纹理图像识别的方式，但该方法对设备要求较高，设备成本较高，并且环境光线会影响计数的精度。因此,研制出一种高效精准的纸张计数设备有重大意义[1]。

1 系统总体设计

本装置采用电容极板压缩的方式对纸张进行精准的测量。装置的主控为STM32F407单片机，同时采用了FDC2214电容检测模块、TFTLCD液晶屏显示模块、电源模块和自动升降装置。测量纸张前，可进行自校准，测量时便能得到精确的数据。当纸张放入装置中并按下测量键后，电容传感器的上极板会随着升降装置推杆的运动而改变自身的高度，从而改变与电容传感器下极板之间的距离。当上极板往下压时，一旦到了设定压力的阈值就会停止压缩，此时电容传感器采集到的电容值通过IIC通信接口向单片机发送数据，并由单片机处理分析，最后所得纸张数据通过TFT液晶屏显示，并由语音播报出来。装置总体设计框图如图1所示，装置设计简化模型如图2所示。

图1 总体设计框图

图2 装置设计简化模型

2 硬件设计

■2.1 主控模块

本装置为了实现高精准测量纸张数量，需要运算能力较高的主控模块，现采用32位单片机STM32F407为主控模块。该单片机兼容于STM32F2系列产品，集成了新的DSP和FPU指令，采用了ST的ART加速器，最高主频具有168MHz的高速性能，能够实现高速采样计算，实时对装置的检测模块进行采样显示以及计算处理。STM32F407芯片上外设丰富，定时器多达14个或17个，PWM功能强大，其ADC精度也达到12位，还有实时时钟、DA模块，较高档次的还有浮点运算单元，同时它的外部接口也很丰富，多个串口USB控制、SPI、I2C等一应俱全，因此可以胜任本装置的设计要求[2]。

■2.2 检测模块

本装置的检测核心为FDC2214电容传感器。FDC2214经过优化，分辨率高达28位，支持250nF超大电容输入，能够配合使用远程传感器并跟踪环境随时间、温度和湿度的变化情况，并且FDC2214的采样速率高达13.3ksps，可以实现使用快速移动目标的应用。由于FDC2214电容传感器面向接近感测和液位感测应用[3]，适用于所有液体类型，而人手存在非导电液位感测应用存在干扰，所以使用集成有源屏蔽驱动器的FDC2214芯片，其内部简化电路原理图如图3所示。装置通过电容传感器检测纸张厚度产生的电容量在芯片内部产生振荡频率，通过IIC协议与主控芯片进行通信，经单片机内部算法比较振荡频率与电容值的关系，可以计算出准确的电容值。

图3 FDC2214内部简化电路图

■2.3 驱动模块

本装置通过L298N驱动模块控制升降装置进而控制极板的运动。L298N是一款接受高电压的电机驱动器，直流电机和步进电机都可以驱动，而本装置的升降装置为直流电机。一片驱动芯片可同时控制两个直流减速电机做不同动作，在6~46V的电压范围内，提供2A的电流，并且具有过热自断和反馈检测功能。L298N可对电机进行直接控制，通过主控芯片的I/O输入对其控制电平进行设定，就可为升降装置的电机进行正转反转驱动，实现升降运动，操作简单、稳定性好，可以满足直流电机的大电流驱动条件。L298N电机驱动模块电路原理图如图4所示，主控芯片通过压力传感器模块的检测，判断极板是否夹紧，执行中断请求,如果没有中断请求则保持原状态，如果有中断请求则调控PWM进行停止或者升降运动。

图4 驱动模块电路原理图

■2.4 人机界面

人机界面主要由TFTLCD液晶显示屏和矩阵键盘组成。TFTLCD液晶显示屏为显示模块，是现阶段唯一在功耗、寿命、对比度等综合性能上全面超过CRT的显示器件，它的性能优良、显示质量高、适用范围广，可以更好的显示多种信息。操作模块为4×4矩阵键盘设定的功能按键，通过单片机与TFTLCD液晶显示屏结合，节省了IO口，提高了人机交互的效率。

3 软件设计

■3.1 校准模式

本设计具有两种运行模式，分别为校准模式和测量模式。根据电容公式(1)可知，周围环境情况对于电容值具有一定的影响，而不同场合的环境情况各有不同，因此装置在测量纸张时需要预先适应校准当前的环境，即先采集处理不同纸张对于当前环境下的电容值并保存，即为校准模式[4]。

■3.2 中值滤波算法

中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术。中值滤波的基本原理为，把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的值接近于真实值，从而消除孤立的噪声点。

本装置中使用到的FDC2214模块为28位的电容式传感器，其对于极板间数据的感知非常灵敏，因此也导致采集到的电容值在一定范围内不断的跳变，即不稳定。鉴于上述特点，本设计在校准模式时先采集20个电容值，再采用中值滤波算法对这20个数据进行处理得到一个中间值，以此为有效值，存放在数组中；改变纸张数量，以相同的方法采集20个电容值过滤出一个有效值存放在数组中。通过此算法，有效的滤出了有效值，稳定了数据[5]。

■3.3 曲线拟合

经过多次测试分析发现，测量的纸张数量与采集到的电容值存在一种自然对数线性关系。测量记录多组不同区间范围的数据，再通过Excel软件拟合得到纸张数量与电容值的曲线公式(2)，其中C为电容值，X为纸张数。因此，在电容值C已知的情况下，通过公式(3)可反推出对应的纸张数。

■3.4 夹逼算法

夹逼算法，就是将问题的解限制在某一数值范围内，然后根据题意逐步缩小取值范围，从而使问题获解的一种方法。装置进入测量模式测量纸张时，同样先采集20个电容值，再经过算术平均滤波算法得到误差最小的数值，以此为有效值，再使用夹逼算法找到该电容值与校准模式所采集到的数组里最相近的电容值，最后通过公式(3)反推出对应的纸张数。纸张测试流程图如图5所示。

图5 纸张测试流程图

4 系统测试

对本设计进行数据测试，把放入的纸张数及其测量的电容值与在不同环境下采用分区间测试的曲线拟合理论电容值作对比，结果如图6所示。

图6 曲线拟合图

由检验测试知，本设计系统测得的测量值与理论计算值基本一致，进而得知该电容值经换算后可得出精准的纸张数值。为验证系统稳定性上图所示数据已经过多次测试，能说明该组数据为偶然性误差的概率极小，以及本设计系统的稳定性良好。为简化测量，只绘制了30张纸以内的测量数据，其测量结果与实际值基本一致，但随着纸张数量的增加，电容值的变化幅度随之减少，会影响测量准确性。同时，由于极板偏移、电路松动、环境温湿度以及FDC2214电容传感器的自身误差等因素会造成测量误差，实际测量100张纸内准确率达99%，大于100张会有些许偏差。为了减小误差，需要装置的结构更稳定，软件算法更精准，以及尽量使装置处于恒定的环境中工作。

5 总结

本文设计的纸张计数装置结构简单，操作便捷，且带有液晶显示和语音播报功能。程序设计了自校准功能，可根据不同纸质和不同环境自动校准，实现精准纸张计数。本装置还带有短路保护，短路时会进入中断停止工作，提高了装置的安全性。本装置可快速测量纸张数目且不损伤纸张，生产成本低，有一定的应用价值，可投入生产使用。