2023年7月30日发(作者：)

江永鑫，黄晨，江若薇，尹序臻：基于STM32F1的纸张计数显示装置的设计与实现基于STM32F1的纸张计数显示装置的设计与实现*江永鑫，黄晨，江若薇，尹序臻（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门361024

）摘要：装置以STM32F103最小系统为控制核心，使用电容式传感器FDC2214经过FC方式实时采集平行板电容器

的两金属极板间的电容值，将电容式传感器采集的不同数量的纸张所对应的电容值进行数据分析处理，用MATLAB

软件进行有理数数据拟合，找到最合适的拟合函数作为最佳求解纸张数量的数学函数模型。开机后装置进入自校

准模式，使用遍历法进行校准拟合函数模型的常量，获得较为精准的标准函数模型，测量时只需将该电容值带入

自校准过程中拟合的曲线，从而得到纸张计数值，并对计数结果进行液聶显示并语音播报输出。关键词：STM32;纸张计数；电容式传感器FDC2214doi:

10.3969/.l007-550X.2021.01.005中图分类号：TS736;

TP212;

TP368.1

文献标识码：A

文章编号：1007-550X（2021）

01-0020-05在金融行业和印刷行业中，传统的纸张计数主

要采用机械计数设备与物理粗略计算等办法，但采

°

4irkd用机械设备计数广泛存在着噪声大、速度有限、精

式中，C表示电容值，S为两平行极板之间的正

对面积，£是材料的介电敝攵，d为两平行极板之间的

距离，％表示自由空间介电橄（&85X10T2F/m）,

准度不高的缺点，对于纸张的尺寸和厚度以及材质

有一定的要求，容易对纸面造成磨损。而采用物理

粗略计算，需要许多次测量数据，存在机械误差、

为静电力常数（9.0

x

109N

•

m2/C2

）

o依据上述公式，可以推导出随着两平行极板间

人为误差等因素，准确性不高，并且过程耗时耗力。

随着传感器技术的不断发展，传感器在生产生活中

具有广阔的应用，电容式传感器具有稳定性好、结

放入纸张数量的增加（即两平行极板间距d±曾大）,

使电容值C减小；随着两平行极板间放入纸张数的减

构简单、灵敏度高等优点。少（即两平行极板间距d减小）,电容值将会增大。1纸张理分析纸张数与电容值的关系，按照电极板所组成的

首协次测量并记录1张到30私4纟確置于装置

中时反馈回来的经程序中数学公式计算出来的电容

电容决定式：值，自变量为FDC2214电容传感器模块测量反馈回

*基金项目：厦门理工学院2020年教育教学改革研究项目（项目编号：JG2020060）。

收稿日期：2020—7—3作者简介：江永鑫（1998—）,福建龙岩人，本科在读，主要研究方向：电气工程及其自动化。20《福建轻纺》福建轻纺2021年1月第1期来的电容值，因变量为其相对应的纸张数量，用

MATLAB软件进行有理数数据拟合，得出最佳求解

纸张数量的数学模型为丫=

(Pl*X+P2)/(X+Pl)形

式的函数。ResultsGeneral

model

Rati1:

f(x)

=

(p1x*

+

p2)/(x

+

q1)Coefficients

(with

95%

confidenc

p1

=

-1.221

(-1.395,-1.04p2= 588.9

(571.1,606.8)q1

=

-32.26

(-32.64,-31.8Goodness

offit:SSE:

0.4142R-square:

0.9998

Adjusted

R-square:

0.9998

RMSE:

0.1239C30图1

MATLAB数据仿真结果如图1所示为利用MATLAB软件对30组测量数据

进行仿真，通过有理谿以合得出的数学函嫩型

Y=

(Pix*+P2)/

(

x+Pi)。式中Pl,

P2,

qi为函数模型的待定系数，自变量

X为电容值，因变量y为纸张数量。根据MATLAB数

跚真结果所示，对丫=

(Pix*+P2)/

(

X+P1)模型

多重测定系数R—square数值高达0.9998,近似等于1,

表明函数对y轴具有极强解释能力，故可用此方程解

析。2系统总体设计本装置的系统设计框图如图2所示。图2系统设计框图该系统以STM32单片机为控制核心，由电容传

感器数据釆集单元、数据分析处理单元、数据输出

显示单元三大部分构成。结合电容式传感器

FDC2214、独立按键功能、OLED显示模块、蜂鸣器

警报模块等，实现自校准功能、检测两平行极板间

是否短路功能、测量装置中纸张数量功能、数据显

示和语音播报功能。该纸张计数装置可以识别不同环境不同规格不

同厚度的张纸，利用电容式传感器FDC2214实时釆

集平行板电容器的两金属极板间的电容值进行记录

并保存，从而进行自校准数据拟合曲线的待定系数，

实现对纸张的不同数量的测量。3硬件设计3.1模块选择3.1.1

STM32F103单片机该系统中MCU釆用STM32F103单片机，集成度

较高，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高

性能模拟技术及丰富的外围模块，并且开发编程环

境操作简便。在系统中MCU对OLED显示模块进行

数据输入、对FDC2214电容传感器模块的数据进行

读取，同时对数据和拟合曲线进行计算以得到不同

参数下的最终结果。3.1.2

FDC2214电容传感器选用FDC2214电容传感器模块采集数据，该模

块的原理为：将一个电感和电容与芯片每个检测通

道的输入端连接，构成LC振荡电路，产生一个振荡

频率，根据该频率值进行数学计算出被测电容值。

其精度可达28位，具有抗噪声、高分辨率、高速等

多种特性，并且较为稳定易于操作，满足测量纸张

的基本要求，将FDC2214电容传感器模块采集的电

容WS转换为频率信号通过IIC传瞬MCU再计算得

出铜板间的电容值。原理图如图3所示。3.1.3电源模块电源方面选择使用稳压电源模块供电，作用是

稳定输入电压以减少传感器的读数误差。原理图如

图4所示。江永鑫，黄晨，江若薇，尹序臻：基于STM32F1的纸张计数显示装置的设计与实现图3

FDC2214电容传感器电路原理图GW图4电源模块原理图3.1.4

OLED显示模块采用四针OLED显示模块，可以显示文字、数

字、图像等信息，具备成本低，规格小巧轻薄，且

能耗低的特点。谢莫块可通过PC受MCUg制可以较

为简单地显示操作界面与测量数据。4结构设计本装置的结构如图5所示。1

待测纸张载体，2-----极板限位卡，3

重物，4

极板图5装置结构图极板建议釆用的是5

mm

X

5

mm纯铜板，被测

纸张载体利用活动式三边结构，可以实现根据纸张

大小调整限位实现将被测纸张较好的限位，进行测

22《福建轻纺》量不同规格纸张，实现将被测纸张限位。并配置极

板限位卡和重物使被测纸张产生一定的形变、被测

纸张之间的空气挤出，再通过检测模块得出极板

间电容值，进而判断纸张数量。根据电容决定式

C=£0£S/4TTkd,可知极板电容的容值受极板间

距的影响，在人为取放纸的过程，纸张与纸张之间

容易残留空气造成随机误差，如果采用非恒力式排

除空气，易造成纸张产生的形变不同造成偶然误差。

故采用恒力重物配合极板限位卡来控制极板电容，从

何避免偶然误差，在结构上提高测量的精准度。5软件设计5.1主程序软件系统主要分为5大部分，分别为主程序、

FDC2214数据釆集子程序，按键功能选择子程序，

OLED显示子程序以及自校准功能子程序。程序流

程图如图6。首先，单片机初始化，进行短路检测，若电路

正常，OLED初始化，通过按键进行功能选择，进

入自校准功能，单片机发送指令使FDC2214传感器

开始釆集数据，MCU对所传回的数值进行分析计

算，得出极板间电容值。初步判断纸张数量是否符

合程序对方程关系式，若正确，算法计算后得出的

纸张数量再经过OLED显示模块进行实时显示并语

音播报所测得纸张数量。5.2自校准功能子程序由于在湿度温度不同的情况下，材料的介电常数

会发生细微的变化，每次读出的电容值必然有所误

差，因此在方案中，将得到的电容值与测试纸张的数

量建立数学模型，进行拟合，得到两者的关系方程，

发现其近似于一个反比例函数。通过测量前依次采集

电容值，在自校准子程序中，编写程序对■方程关系式

中的参数进行校准，对于被测纸张数量的不同范H,

通过取不同的数据点数量对该范围内的方程待定系数

Pl,

P2,

qi进行校戦型丫=

(Plx*+P2)/

(

X+P1)，

使测量的精准度得以保证。自校准子功能程序流程

图见图7。福建轻纺2021年1月第1期图6程序流程图6系统测试方案与结果6.1系统测试方案在样本容量小(1~30

)的区间内，测试均对各

种数值的纸张数量即样本进行测试检验。在样本容

量大(>30)的区间，也釆用遍历法，将纸张数量图7自校准功能子程序流程图由30递增，在达到可疑的最大测量值时，多次测量，

防止偶然误差。在进行测量1〜30张纸模式的自校准后，依次将1

到30张纸张放入到装置中，按检测按钮，观察OLED

屏幕是否显示正确张数。随机准备30张以内的纸张

数量一同放入装置中，按检测按钮，观察OLED屏幕

是否显示正确张数，测量2次，记录其数值。在进行测量30张纸以上模式的自校准后，一张

一张往上添加A4纸，依次测试，观察OLED屏幕是

否显示正确张数。若正确，则继续；若错误，在错

误处重复测量4次，判断是否为偶然误差。若4次全

对，则继续添加纸张，否则记录值，作为最大测量

数量。6.2系统测试结果经过多次的实验测量发现，纸张数目在50张以

内，准确率达100%。然而纸张数量超过60时其传感

量化的数据的变化已经极小，甚至当达到75张时所

得到的数据基本上已经不再发生变化。综上测试说

明本设计符合要求指标。7结语本文介绍的一种基于电容传感器测量和单片机

控制，禾U用OLED模块显示以及语音模块播报纸张数

量，设计一款结构简单、生产成本低、计数快速精

确，且对纸张无损的纸张计数显示装置，在金融行

业和印刷行业中，有着一定的现实生产应用价值，

具有可靠发展前景。江永鑫，黄晨，江若薇，尹序臻：基于STM32F1的纸张计数显示装置的设计与实现参考文献：[1]

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