基于LM331的纸张计数显示装置设计

王建卫，杨勋勇，张涵

（贵州工程应用技术学院，贵州毕节，551700）

0 引言

纸张已成为人们生活、工作中必不可少的物件，纸张计数广泛应用于人们的日常生活以及工业生产中。在科技高速发展的今天，仍然存在人工计数或电子称称量等方式来实现纸张计数的现象。为了提高生产、工作效率，如何优化设计纸张计数系统已成为一个热门问题。

目前市面上常用纸张计数设备主要分为两类：即接触式计数设备及非接触式计数设备[1,2]。接触式纸张计数器主要采用机械测量手段进行计数，典型的应用例子是验钞机；非接触式纸张计数设备主要是基于图像处理或机器视觉的纸张计数装置[3,4]。本文基于LM331设计了一种小型简易的纸张计数显示装置。

1 系统框图与理论分析

1.1 系统框图

系统框图如图1所示。利用STC89C52作为控制芯片，选择NE555搭建方波振荡电路，根据纸张的变化获得相应的频率值，利用LM331频率电压转换电路将频率的变化转换成电压的变化，再利用ADC0809搭建A/D转换电路，实现模/数信号之间的相互转换，最后将转换出的数字信号传送到单片机控制系统进行分析处理，同时通过数码管显示电路显示放入极板间的纸张数。

图1 系统框图

1.2 理论分析

电容量是构成电容器的两极板形状、大小、相互位置以及介电常数的函数，忽略电容器边缘效应时，平行极板电容的电容量为：

根据公式（1）可知，两极板间放入的纸张数不同，由平行极板构成的电容的电容值也不同，不同数目的纸张对应不同的电容值，因而可根据电容值判定纸张数量。

NE555组成的振荡电路如图2所示[5]，通电后，电容开始充电，电压由1/3VCC增加到2/3VCC时，NE555的3脚为高电平，VCC通过电阻R7、二极管D1向平行极板充电，电压由2/3VCC降到1/3VCC时，NE555的3脚为低电平，平行极板通过二极管D2、电阻R8、R9放电，电容充电时间为：

电容器放电时间为：

由（2）、（3）式知输出的波形频率为 :

在频率电压转换电路(如图2)中，输出电压与输入信号频率之间的关系为[6]：

输出电压经模/数转换电路转换后即可转换为相应的数字量输出。

2 硬件电路设计

2.1 振荡电路设计

NE555振荡电路如图2所示，使用平行极板代替电容C5，电源接通时，NE555的3脚为高电平，VCC通过电阻R7、二极管D1向平行极板充电，当平行极板间的电压大于2/3 VCC时，NE555通过二极管D2、电阻R8与R9进行放电，NE555的输出引脚从高电平转为低电平；平行板间电压降到1/3VCC时，NE555的输出端再次跳变为高电平，这样形成周期振荡。当平行极板间纸张数目改变时，平行极板间充电时间随之改变，相应的输出频率也随之改变。

图2 振荡电路、频率电压转换电路原理图

2.2 频率/电压转换电路设计

该电路是将脉冲频率转换为电压信号，频率与电压之间成正比例关系。利用LM331搭建的频率电压转换电路如图2所示，C3与R4组成微分电路连接LM331的第6脚，当脉冲信号F的下降沿通过C3与R4组成的微分电路时，LM331的第6脚产生反向尖峰脉冲，当它大于1/3VCC时LM331内部的触发器置位，内部电流源对电容C1充电，电源VCC通过电阻R3给电容C2充电，电容C1的电压大于2/3 VCC时，LM331内部触发器复位，电容C2迅速放电，同时电容C1通过电阻R1放电，完成一次转换过程。输入持续的脉冲信号将重复上述的过程，实现了频率电压的转换。

2.3 模/数转换电路设计

选用ADC0809搭建模/数转换电路，该电路可以把0—5V模拟信号转换成对应的0X00—0XFF数字信号。ADC0809的第10引脚连接到单片机的第31引脚提供时钟信号，ADC0809的第23、24、25引脚输入地址信号000，当第22引脚ALE=1时，ADC0809将地址存入地址锁存器，选通第26引脚IN0为模拟信号的输入引脚。开始转换时，单片机把一个启功信号传送到ADC0809的第6引脚，START为上升沿时，复位ADC0809； START为下降沿时，信号转换开始，在转换的时候，该脚一直保持低电平状态。当ADC0809的第7引脚输出状态是高电平时，结束模/数信号转换，转换结果放入锁存器，该信号可以用作单片机的中断请求信号。当它的第9引脚的输入状态为高电平时，开通输出三态门，此时转换结果传送给数据总线。当单片机接收完数据，并发出指示信号，这样便完成了一次模/数转换。单片机控制电路原理图如图3所示。

图3 单片机控制电路原理图

3 软件设计

3.1 程序功能描述

根据设计要求，程序主要实现控制ADC0809的模/数转换、数码管显示读数与点亮LED灯的功能。按下按键1，START=1，ADC0809复位；当START=0,EOC=1时模数转换完成，LED灯被点亮，数据放入锁存器；当OE=1时，转换的结果被输出到数据总线。数据处理结束时，单片机控制显示器显示相应的纸张数。

3.2 程序流程图

如图4所示。

图4 程序流程图

4 测试结果及分析

4.1 测试结果

实物作品测试如图5所示，给系统上电，将示波器的数据线连接到555电路的频率输出端，地线接到电源负极，将数字万用表的黑色表笔接入电源负极，红色表笔接入LM331电路的电压输出端，在极板间依次放入数量不同的纸张，记录示波器的频率值、数字万用表中电压读数及数码管上显示的纸张数，测试结果如表1所示。

图5 实物作品测试图

表1 纸张实测结果

4.2 测试分析

由测试结果可知，本设计完成了极板间纸张数的测量，可测量88张纸，当纸张数超过89张时存在1张纸的误差，最大测量误差为1.1%。产生误差的主要原因是：随着纸张数增加，电容的变化量逐渐减小，对应的频率、电压变化较小，由于系统精度不高、干扰因素多，很难准确识别这一微小变化。

5 结论

本文基于LM331设计了一种纸张计数显示装置，经测试，系统可精确测量88张纸，误差为0，当纸张数超过89张时存在1张纸的误差，最大测量误差为1.1%。为了提高系统测量的准确性，该系统可做以下改进：（1）由于导线a、b之间存在寄生电容，导线离得越近电容越大，测量时导线被拨动也会影响测量结果，为了避免导线带来的干扰，可对两导线做静电屏蔽处理，并把导线分开一定距离后固定导线；（2）该装置对两极板的结构设计要求比较严格，需要保证放入极板间的纸张整齐、间隙均匀，在设计时可改进极板结构提高系统测量的精确性。