胡輝

（商丘職業(yè)技術學院機電系，河南 商丘 476000）

1 引言

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，對印刷制品的需求也在不斷增強，促使印刷行業(yè)快速發(fā)展，大量的紙張需要準確快速地進行計數(shù)。傳統(tǒng)的計數(shù)方式多以電機驅(qū)動機械裝置或者人工的方式來進行，這種方式在工業(yè)生產(chǎn)中會造成各種成本的提高，不適應現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。市場上最新的計數(shù)方式是圖像識別計數(shù)，但實現(xiàn)難度比較大，環(huán)境會影響到計數(shù)準確性。采用一種極板電容傳感器作為紙張計數(shù)的檢測元件，利用51單片機控制，可將紙張計數(shù)裝置的經(jīng)濟成本大幅降低，電路的實現(xiàn)比較簡單，不會造成紙張的損傷。只需要將紙張放在電容傳感器極板之間，計數(shù)裝置通過測量電路采集信息，送到信號放大電路和振蕩電路，保持振蕩頻率的穩(wěn)定，使單片機在實現(xiàn)控制時能夠快速準確實現(xiàn)數(shù)據(jù)和頻率的轉(zhuǎn)換，就能快速計算出紙張的數(shù)量，并通過數(shù)碼管將紙張的數(shù)據(jù)顯示出來[1]。

2 系統(tǒng)方案

本裝置主要解決紙張數(shù)量計數(shù)，要在各種環(huán)境下將紙張的數(shù)據(jù)準確即時顯示出來，電路由傳感器、信號檢測電路、脈沖整形電路、單片機控制電路、數(shù)碼顯示電路、語音提醒電路及按鍵控制電路，其中單片機控制是整個裝置的核心部分。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

3 硬件設計

3.1 傳感器選擇

采用兩塊銅板作為電容傳感器的兩個極板，根據(jù)電容傳感器的特性，，從式子中可以看出，平行板式電容傳感器的容量C與介電常數(shù)ε成正比，極板面積保持不變，靜電力常數(shù)k和極板間距d與傳感器容量成反比。這幾個參數(shù)的變化將直接影響傳感器容量的大小，紙張計數(shù)裝置利用這一原理，將紙張放入兩極板間，增加了電容傳感器的間距，使電容量發(fā)生改變，而檢測電路根據(jù)容量變化的大小與紙張數(shù)量變化多少進行電量比例的轉(zhuǎn)換[2]。

3.2 脈沖產(chǎn)生電路論證與選擇

信號采集電路有多種方案，其中選用NE555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波，電容傳感器兩個極板之間放入紙張數(shù)量的不同，改變電容量的大小，使555多諧振蕩器產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號，但由于該電路產(chǎn)生波形不穩(wěn)定，仿真與實際相差較大等因素，因此放棄使用此方案。

第二種方案是采用電壓比較器LM393作為核心部件來產(chǎn)生脈沖信號，輸入端將電阻參數(shù)變化轉(zhuǎn)換成電壓信號傳遞給電壓比較器的同相輸入端，這個變化的電壓信號與反相輸入端的基準電壓信號相比較，當同相端電壓信號高于反相端電壓信號時，輸出端為高電平信號，此時位于反相端的電容開始充電；隨著電容兩端電壓的升高，同相端電壓信號逐漸低于反相端電壓信號，輸出端為低電平，此時電容開始放電，如此反復形成一個矩形波，再將輸出端的方波通過74LS393進行分頻，然后矩形波輸入到單片機進行計數(shù)，最后通過顯示電路得出結果。輸出的方波較穩(wěn)定，但是改變紙張數(shù)量后方波周期變化不明顯，對數(shù)據(jù)測量工作加大了難度，而且產(chǎn)生的誤差會很大，所以此方案不可行。

圖2 LM393電壓比較器

第三種方案采用變壓器反饋式振蕩電路，又稱互感耦合振蕩電路，它是利用變壓器耦合獲得適量的正反饋來實現(xiàn)自激振蕩，本方案采用共基極接法，發(fā)射極為輸入端，集電極為輸出端，反饋電路和發(fā)射極通過電容C2耦合，電容C2起隔直作用，該電路對三極管β要求不高，只要變壓器同名端接線正確，便不難起振，變壓器耦合，更容易滿足阻抗匹配要求。用三極管9018和中周組成振蕩電路，集電極接中周初級，基極接中周次級。在電容式傳感器兩極板間放入紙張觀察周期變化，集電極與電容C5和CD4069串聯(lián)，經(jīng)過兩個非門進行整形濾波，最后信號輸入到74LS393進行16分頻，由Q3輸出的方波進入單片機進行紙張計數(shù)，最后通過顯示電路得出結果。在Q值足夠高和忽略分布參數(shù)影響的條件下，振蕩電路的振蕩頻率就是LC回路的諧振頻率，即：。如圖3所示電路中，A、B為兩極板構成的可變電容，通過改變紙張數(shù)量使電容值發(fā)生改變，因而電路的頻率也會發(fā)生改變[3]。

圖3 變壓器反饋式振蕩電路

綜合三種方案電路測試結果，采用變壓器反饋式振蕩電路輸出的信號最穩(wěn)定而且周期變化比較明顯，因此選用變壓器反饋電路作為信號采集和脈沖產(chǎn)生電路。

3.3 控制與顯示電路設計

控制電路主要由單片機與數(shù)碼顯示電路構成。單片機選用常見的AT89C51作為主控芯片，這種單片機具有價格便宜、燒寫程序方便快捷、資源豐富、可用多種語言編程等諸多優(yōu)點，單片機依據(jù)接收到信號的周期長短的不同輸出數(shù)據(jù)送至數(shù)碼管顯示出紙張數(shù)量，達到紙張計數(shù)的目的。紙張顯示數(shù)據(jù)比較簡單，選用驅(qū)動簡單、價格便宜的8位共陰極數(shù)碼管顯示電路，利用單片機的串行口移位寄存器工作方式，使用74HC595芯片驅(qū)動數(shù)碼管。74HC595自帶鎖存功能，與單片機連接的線少，占用單片機資源少。輸入共陰極數(shù)碼管，顯示需要的數(shù)據(jù)[4]。而且它能夠鎖存數(shù)據(jù)，更符合設計要求。

3.4 整體電路

整體電路如圖4所示，振蕩電路通過極板A與極板B構成的電容進行充放電后產(chǎn)生頻率約為2M的高頻振蕩信號，為使信號便于單片機進行測量計數(shù)，將輸出信號進行通過CD4069進行整形，轉(zhuǎn)化為削去負半周的同頻方波信號。由于信號頻率過高，且AT89C51的運行速度有限，為得到更加穩(wěn)定且準確的數(shù)據(jù)，將經(jīng)過CD4069整形后的信號輸入74LS393進行16分頻處理，再將信號輸入單片機測量端口，單片機經(jīng)過內(nèi)部信號處理，經(jīng)兩路分別輸出信號到語音提醒電路和數(shù)碼顯示電路顯示出紙張測量數(shù)據(jù)。

圖4 整體電路

4 程序的設計

程序分為計數(shù)部分、校準部分和顯示部分，單片機接收到脈沖信號以后，啟動定時器，定時時間為20ms，當定時器發(fā)生一次溢出中斷以后，單片機定時器的計數(shù)模式，記錄接收到的脈沖個數(shù)。正式測試之前，首先進行校準，放入15張紙測量脈沖個數(shù)，將得到的脈沖個數(shù)與自己設置的15張紙脈沖個數(shù)相比較得出差值，即校準完成。正式測試將測試部分得到的脈沖值與校準部分得到的差值相加，所得值與已存的標準值進行比較，最后由數(shù)碼管顯示。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

5 測試結果及誤差分析

5.1 測試結果

脈沖產(chǎn)生電路的振蕩頻率隨紙張數(shù)量的變化而變化，紙張數(shù)量越少，電容容量越大，周期變化越明顯，有關數(shù)據(jù)計算也就越簡單；紙張數(shù)量越多，電容容量越小，周期變化越微弱，有關數(shù)據(jù)計算也就越困難，在距離極板A和極板B約500mm處放置不同數(shù)量的A 4紙進行測量，可獲得一系列的測量校準信息。在單位時間內(nèi)，放入電容傳感器極板間的紙張數(shù)量發(fā)生增加變化，促使電容極板間距變大，容量變小，采集電路中的頻率增大，通過脈沖整形電路的脈沖信號的周期將變小，經(jīng)過振蕩電路產(chǎn)生具有穩(wěn)定周期的方波信號。方波進入單片機進行編譯計數(shù)，單片機能夠快速準確實現(xiàn)數(shù)據(jù)和頻率的轉(zhuǎn)換處理，根據(jù)單位時間內(nèi)脈沖數(shù)量與校準部分得到的差值相加，得到的脈沖值與已存的標準值進行比較，計算出特定的紙張數(shù)量，通過AT89C51芯片的計算處理，將信號送到顯示驅(qū)動電路，最終數(shù)碼管短時間內(nèi)顯示紙張的數(shù)量。

當極板A和極板B電極之間短路時，電路很難起振，單片機基本檢測不到脈沖，此時數(shù)碼管顯示“99”。給定1～10張不等的紙張數(shù)，每次在紙板間放入被測紙張并固定后，一鍵啟動測量，5秒內(nèi)顯示出紙張數(shù)量，并發(fā)出一聲蜂鳴。測試時在電容式傳感器兩極板間放置30張A4紙并固定好，輸入5V的直流電壓，觀察示波器上波形的周期，然后抽出5張紙繼續(xù)觀察示波器的變化，將紙張數(shù)量和方波周期分別記錄下來，如表1所示。

表1 測試結果

通過測試和驗證，紙張數(shù)量與方波周期成反比，根據(jù)紙張數(shù)量與方波周期的對比值，找出特定紙張之間的差值規(guī)律，對檢測電路做好抗干擾處理后，小規(guī)模數(shù)量紙張測試的準確率可達到98%以上。

5.2 誤差分析

檢測數(shù)據(jù)的誤差主要由以下幾個方面引起：（1）負載發(fā)熱引起的誤差：負載阻值會隨溫度的升高而發(fā)生一定的變化，從而引起數(shù)值變化給電路帶來一定的誤差，該誤差影響小，無法避免。（2）電容極板自身引起的誤差：由于測試電容兩極板面積小，重量輕，紙本身具有一定的張力引起極板間距離的變化，導致誤差。（3）電路本身的誤差：電路的焊接技巧、元器件排版的不規(guī)范等造成的信號干擾所造成的誤差。（4）外界干擾引起的誤差：空氣濕度的變化，溫度的高低，以及不同測試紙張間自身厚度存在的差異，對測量結果產(chǎn)生的誤差。

6 結語

本文采用比較簡單的電路來實現(xiàn)紙張計數(shù)功能，利用電容傳感器的參數(shù)的變化，將電容量的變化轉(zhuǎn)換成脈沖信號的變化，通過波形整形電路把信號輸送單片機控制電路來進行數(shù)據(jù)處理，最后由數(shù)碼顯示電路顯示紙張數(shù)量并由語音提醒電路提醒；解決了在人工計數(shù)時容易出現(xiàn)計數(shù)不準的問題，提高了工作效率，成本低，電路結構簡單，容易實現(xiàn)。該方案能夠很好地對小數(shù)量紙張進行準確計數(shù)，擁有良好的市場應用價值[5]。