摘? 要：針對文印等行業(yè)的紙張計量問題，設(shè)計了以單片機及變介質(zhì)電容式傳感系統(tǒng)為控制核心的多功能紙張檢測系統(tǒng)并應(yīng)用于多諧振蕩電路，系統(tǒng)首先采用了中值濾波算法對初始頻率進(jìn)行濾波來實現(xiàn)頻率的粗定位，然后對中值濾波算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過對頻率的粗定位區(qū)間進(jìn)行二次求中值并進(jìn)行判斷來實現(xiàn)頻率的精準(zhǔn)定位，同時該系統(tǒng)還配置了藍(lán)牙、語音播報、自校準(zhǔn)等功能。實驗表明該系統(tǒng)可實時檢測紙張數(shù)量且工作穩(wěn)定，為紙張類材料提供了新的計量方法。

關(guān)鍵詞：頻率測控;多諧振蕩;紙張測量;單片機

中圖分類號：TM935;TP368 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

紙質(zhì)類薄片的計量準(zhǔn)確、快速等問題在銀行、文印等場所尤為重要，傳統(tǒng)的紙張計量方法多采用卡尺測量或電子傳動式計數(shù)方式來完成，其存在效率低、誤差大、破損率高等問題。國內(nèi)外對紙張計數(shù)有一定的研究基礎(chǔ)，但在基于電容式傳感器計數(shù)方面的應(yīng)用研究和文獻(xiàn)較少。筆者基于學(xué)?？萍加媱濏椖繉垙堄嫈?shù)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與開發(fā)，實現(xiàn)了紙張快速計量及語音播報等功能，可以檢測不同材質(zhì)的紙張，特別是對普通印刷紙的計數(shù)具有高效、穩(wěn)定等特點。該系統(tǒng)可應(yīng)用于紙質(zhì)類材料需求較多的辦公場所，例如在文印公司中可以快速計算出顧客打印紙張的數(shù)目及應(yīng)付款，無需人為觀測，高效快捷。

1? 變介質(zhì)電容傳感器技術(shù)

隨著電容傳感器技術(shù)的發(fā)展，變介質(zhì)電容傳感器越來越多地應(yīng)用于傳感電路，其主要由上下兩塊平行極板及中間介質(zhì)組成，其產(chǎn)生的電容值隨著電極材料上所加介質(zhì)的改變而改變，當(dāng)兩個極板間的介質(zhì)均勻變化時可構(gòu)成一種可變式電容傳感器。變介質(zhì)電容傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示，其電容計算公式：

C=

其中C為兩極板間的電容，ε0為真空介電常數(shù)，εr為該材料的相對介電常數(shù)，當(dāng)其他參數(shù)不變且只有兩極板間的距離d變化時，兩塊極板之間可以看作開放的電容結(jié)構(gòu)，在夾緊的情況下可以看作介電常數(shù)不變，通常通過極板距離d的變化來表征電容數(shù)值的變化。

當(dāng)sε0εr不再改變時，電容的大小只與d有關(guān)，所以：C（面積s，單位：m2）正比于1/d，令ε=ε0εr，當(dāng)有一個極小的d變化時：

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)利用變介質(zhì)電容傳感器技術(shù)，采用單面覆銅板設(shè)計了上下兩個極板并將其連接在多諧振蕩電路中，當(dāng)向兩極板間加入紙質(zhì)類介質(zhì)并將其壓緊時，兩極板間的電容量會隨之發(fā)生改變，通過LM555多諧振蕩電路把微小的電容變化轉(zhuǎn)化為較大的頻率變化，對該頻率進(jìn)行處理后建立紙張數(shù)量的模型關(guān)系達(dá)到測量紙張的效果。經(jīng)過大量實驗測試，該系統(tǒng)借助于LM555多諧振蕩電路的某個振蕩頻段，把微小的電容變化量轉(zhuǎn)化為單片機可檢測的頻率變化量，通過對頻率分析及處理來得到所測紙張的數(shù)量，實驗結(jié)果顯示該方法確實可行，系統(tǒng)以單片機為控制核心，由多諧振蕩系統(tǒng)、液晶屏、藍(lán)牙模塊、語音模塊等組成，系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

2.2? 基于多諧振蕩技術(shù)的電容式檢測電路

系統(tǒng)測量紙張的關(guān)鍵技術(shù)是測量紙張引起的板間電容量，由于目前市場上對電容的直接測量器件價格昂貴，故該系統(tǒng)通過LM555多諧振蕩器將電容數(shù)值的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，進(jìn)而得到紙張的數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡單且制作方便，其設(shè)計電路如圖3所示。LM555作為使用率極高的芯片可靠性強，且工作頻率可以通過電阻值（圖3中R3及R4）及電容值（即圖3中的極板）的變化來調(diào)整。

已知多諧振蕩器的振蕩頻率計算公式如下所示，實際應(yīng)用時控制電阻值不變，振蕩頻率與電容呈倒數(shù)關(guān)系：

f=

由公式可知，電容變化會對振蕩頻率產(chǎn)生影響，將紙質(zhì)材料放入兩極板后，隨著兩極板間的距離變化會產(chǎn)生微小的電容變化，故可通過振蕩電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為較大的頻率變化，檢測系統(tǒng)的上下兩個電容極板由筆者自行設(shè)計，經(jīng)過大量測試后，由兩片完全重合的長50 mm寬35 mm的覆銅板組成，其連接線采用了直徑1 mm的純銅線，考慮到電動勢平衡問題，該連接線采用了完全連接的方式并進(jìn)行了鍍錫處理（如圖4所示），最后將兩極板嵌于平滑木板后配以重物，確保上下兩極板在測量時完全對稱且能將極板間所測介質(zhì)壓緊，經(jīng)定標(biāo)處理后得到準(zhǔn)確的頻率數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)使用單片機的計數(shù)器功能對電容式檢測電路的輸出頻率進(jìn)行采樣并分析，通過大量測試性實驗后選取了20～180 kHz頻率范圍進(jìn)行了定標(biāo)并在單片機內(nèi)部建立了頻率數(shù)據(jù)庫（由于空間問題，只列舉局部），使用中值濾波算法對頻率進(jìn)行濾波后并使用改進(jìn)型中值濾波算法進(jìn)行精準(zhǔn)定位，進(jìn)而得到與頻率對應(yīng)的紙張數(shù)目并將其顯示在液晶屏，同時進(jìn)行語音播報提醒及藍(lán)牙傳輸?shù)葎幼鳌?/p>

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，…};//頻率庫，單位為Hz

2.3? 改進(jìn)型中值濾波算法

實際實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境因素（如氣流、溫度、震動等）的影響，多諧振蕩系統(tǒng)的輸出頻率會存在波動，對系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性帶來很大影響，故需要單片機內(nèi)部對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。系統(tǒng)根據(jù)實際需要，首先采用了中值濾波算法對初始頻率進(jìn)行濾波來實現(xiàn)頻率的粗定位，然后對中值濾波算法進(jìn)行了改進(jìn)，通過對頻率的粗定位區(qū)間進(jìn)行二次求中值并進(jìn)行判斷實現(xiàn)了頻率的精準(zhǔn)定位，實驗發(fā)現(xiàn)該方法準(zhǔn)確度理想，其主要編程思路如下所示。

int zhongzhilvbo（ ）

{? ? ?for（i=0;i<200;i++）

{if（（Freq>=shuzu[i]）&&（Freq

{k=（shuzu[i]+shuzu[i+1]）/2;//計算頻段中值，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位

if（Freq<=k） return i;//中值以左

else return i+1;//中值以右 } }

}

3? 實驗測試與分析（頻率、紙張、電容數(shù)據(jù)等分析）

選取210 mm*297 mm，70 g/m2的A4紙張在20～180 kHz頻率范圍進(jìn)行了實驗測試，圖3中多諧振蕩電路的R6及R9分別取50 kΩ、100 kΩ，系統(tǒng)模型如圖5所示，當(dāng)將紙張靠近裝置時，升降臺會將上極板升起，升降臺落下后系統(tǒng)會自動進(jìn)行測量并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。其實測頻率及對應(yīng)的紙張數(shù)量部分?jǐn)?shù)據(jù)情況如表1和圖6所示。

4? 結(jié)? 論

本文對基于電容式傳感器的紙張計數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計了一種采用高速單片機及變介質(zhì)電容傳感器來檢測紙張數(shù)目并通過顯示模塊、語音模塊來進(jìn)行有效提醒的紙張計量裝置，并在軟件程序中采用頻率測控技術(shù)與改進(jìn)型中值濾波算法來提高檢測數(shù)據(jù)的精確性，極大地縮短檢測和系統(tǒng)處理時間。實驗測試表明，本系統(tǒng)傳輸速率快、準(zhǔn)確性高、功耗低、成本低，而且模塊化設(shè)計，便于功能擴(kuò)展，能夠滿足快速準(zhǔn)確的對紙張計數(shù)的效率需求，為紙張測量技術(shù)提供了相關(guān)設(shè)計新思路，具有一定的實用價值。

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作者簡介：高天學(xué)（1991—），男，漢族，山東濟(jì)南人，碩士研究生，主要研究方向：射頻信號的獲取與處理。