一种纸张计数装置的设计方法

东北林业大学信息与计算机工程学院 李建源

本文介绍了几种基于单片机系统的纸张计数装置，并进行了分析和总结，这些装置的共同特点是将电容值的变化转变为频率值的变化，最终通过频率和纸张数目的对应关系得出纸张数目。本设计基于STM32嵌入式单片机提出一种新的纸张计数方案，该方案利用STM32嵌入式单片机通用定时器的输入捕获功能，对电容充电高电平捕获，获得高电平的建立时间，并将捕获的时间换算为纸张数目，是一种简单、可行的设计方案。

许多行业及办公场所需要对纸张进行计数，传统的测量方法是先测量出一叠纸张厚度，再除以单张纸张厚度，从而得出纸张数量；这种传统方法效率低、测量不精确，已经不能满足现代办公的需求。随着计算机技术的发展，尤其是嵌入式单片机的发展，许多科技工作者着手研究效率更高、测量更加精确的纸张计数装置，针对纸张计数模型都提出了很多可行的、合理的设计方案。本文提出了一种基于STM32F4嵌入式单片机，利用高电平边沿捕获技术，实现纸张计数的一种设计方案。

1 几种技术方案介绍

1.1 由CD4069非门构成的非对称式多谐振荡器

由平板电容器和CD4069非门构成非对称式多谐振荡器，平板电容器的容量值随着纸张数量的变化而变化，从而使振荡器的输出频率发生变化，通过单片机对频率的检测，间接得到测试纸张的数目。由CD4069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，实际应用在2M左右，对纸张的区分度较好。

1.2 555定时器

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，555定时电路用途广泛，用于脉冲波形的产生与转换、测量与控制等方面。利用平板电容器和555定时电路组成脉冲波形发生器，将脉冲传送到单片机中，由于不同的纸张数量可以产生不同的波形，所以可以通过采集不同的频率的波形，并计算频率值来计算纸张数量。通过设置合适的电路参数，振荡频率范围广，当纸张数目发生变化，频率会明显变化，也能够较好的区别纸张数目。

1.3 以CAV444芯片为核心检测器件

CAV444是一个多种电容式传感器信号测量集成电路，基于CAV444芯片的电容测量电路，能够将测得的电容量转变为相应频率输出。根据实际电路测量发现，其电容信号和输出频率为线性关系。因此，以CAV444为核心的纸张计数装置，能够根据不同的纸张数目，输出不同的频率值，再经过单片机系统得到纸张数目，具有较好的测量精度。

1.4 以FDC2214电容式传感芯片为核心检测器件

FDC2214是TI公司设计的一款高精度电容传感器，电容传感器分辨率可达28位，具有抗噪声、高分辨率、高速等多种特性，可以用于接近传感、手势识别、液位检测等多种应用场景，它具有四个通道，可以同时采样四路电容数据，并通过IIC接口与单片机相连。FDC2214同测量纸张数目的平板电容器可以构成振荡器，并产生谐振频率，单片机通过读取谐振频率值间接计算纸张数目。

综合以上几种设计方案，设计思想是利用一种传感器装置和测量平板电容构成一个振荡器，当纸张数目发生变化时，平板电容器的容量值也发生改变，从而使该装置的输出频率变化，单片机通过读取变化的频率值从而间接的计算出所测量的纸张数目。

2 纸张计数装置模型

综合以上几种纸张计数装置的设计方案，其设计方案的共同特点是利用平板电容器作为检测器件，测试纸张放在平板电容器的两个极板之间，由于纸张总厚度的不同，所以平板电容器的容量值不同，利用容量值的变化从而测量出纸张数量。本纸张计数装置模型由两块5cm×5cm的正方形覆铜板组成，装置模型如图1所示。

图1 纸张计数装置模型

3 高电平边沿捕获技术设计方案

3.1 STM32F4单片机介绍

STM32F4系列是意法半导体公司生产的，基于ARM Cortex内核，专为要求高性能、低成本和低功耗的集成应用而设计的高性能嵌入式芯片，工作频率高达168 MHz。具有丰富的内部外设，功能非常强大，广泛应用于电机驱动和应用控制、医疗设备、打印机和扫描仪等众多应用场合，是目前主流芯片之一。

STM32F4的定时器功能十分强大，有两个高级定时器、两个基本定时器，还有多个通用定时器。STM32F4的通用定时器包含一个16位或32位自动重载计数器（CNT），该计数器由可编程预分频器（PSC）驱动。STM32F4的通用定时器除了简单的定时计数功能外，还可以被用于测量输入信号的脉冲长度、输入捕获功能或者产生输出比较信号。本文利用STM32F4定时器的输入捕获能力进行设计，完成纸张计数装置的功能实现。

3.3 输入捕获原理

STM32F4的通用定时器具有输入捕获功能，即可以利用定时器检测高电平的建立时间，如图2所示，T1、T2为不同纸张数目的高电平捕获时间。外接阻容电路接入STM32F4的通用定时器输入捕获引脚，开始测量时定时器引脚首先输出低电平，对电容放电，保证电容两端电压从零伏开始充电。由于所测纸张厚度的不同，平板电容器的容量值也不同，因此，引脚处电容至高电平的充电时间不同，通过对不同厚度的平板电容器充电至高电平建立时间的捕获，就可以间接计算出平板电容器之间纸张的数目。

图2 高电平输入捕获原理

3.4 硬件电路的设计

图3 硬件电路

纸张计数装置的硬件电路主要由阻容电路、STM32F4最小系统、OLED显示屏、独立按键四部分组成，如图3所示。由检测纸张数目的平板电容器和充电电阻构成阻容电路；STM32F4最小系统主要完成对芯片的供电、晶振及下载接口的设计任务；OLED采用SPI接口与单片机连接，用于显示最终测得的纸张数目；独立按键直接与单片机的GPIO端口相连接，用于测试时的控制按键。

3.5 软件设计

基于模块化设计思想对该计数装置进行软件设计。独立按键软件设计中，为避免干扰，采取软件消抖程序，用于测试启动和校准，测试时首先控制平板电容器引脚输出低电平，使之完全放电，然后启动定时器，由输入捕获模块对平板电容器引脚的高电平进行捕获。当捕获到高电平时，读取自动重载计数器（CNT）的计数值，换算成所测纸张数目，由OLED显示模块显示纸张数目。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

结论：本文概括总结了几种纸张计数装置的技术方案，这些方案的共同思想是借助一种检测装置将电容容量的变化转换为频率的变化，再通过单片机系统检测频率值，间接的计算出所测纸张的数目。本方案设计了一种效率较高的纸张计数方案，其基于STM32F4嵌入式单片机，利用单片机通用定时器的输入捕获功能，实现电容器充电的高电平边沿捕获，通过对充电时间的捕获，获得充电时间值，可以直接、方便地计算出所测纸张数目，实验证明本文提出的方案是一种可行的、测量精确度高的低成本纸张计数设计方案。