王建衛(wèi)，楊勛勇，張涵

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，貴州畢節(jié)，551700）

0 引言

紙張已成為人們生活、工作中必不可少的物件，紙張計(jì)數(shù)廣泛應(yīng)用于人們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中。在科技高速發(fā)展的今天，仍然存在人工計(jì)數(shù)或電子稱稱量等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)紙張計(jì)數(shù)的現(xiàn)象。為了提高生產(chǎn)、工作效率，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)紙張計(jì)數(shù)系統(tǒng)已成為一個(gè)熱門問(wèn)題。

目前市面上常用紙張計(jì)數(shù)設(shè)備主要分為兩類：即接觸式計(jì)數(shù)設(shè)備及非接觸式計(jì)數(shù)設(shè)備[1,2]。接觸式紙張計(jì)數(shù)器主要采用機(jī)械測(cè)量手段進(jìn)行計(jì)數(shù)，典型的應(yīng)用例子是驗(yàn)鈔機(jī)；非接觸式紙張計(jì)數(shù)設(shè)備主要是基于圖像處理或機(jī)器視覺(jué)的紙張計(jì)數(shù)裝置[3,4]。本文基于LM331設(shè)計(jì)了一種小型簡(jiǎn)易的紙張計(jì)數(shù)顯示裝置。

1 系統(tǒng)框圖與理論分析

1.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。利用STC89C52作為控制芯片，選擇NE555搭建方波振蕩電路，根據(jù)紙張的變化獲得相應(yīng)的頻率值，利用LM331頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再利用ADC0809搭建A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，同時(shí)通過(guò)數(shù)碼管顯示電路顯示放入極板間的紙張數(shù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 理論分析

電容量是構(gòu)成電容器的兩極板形狀、大小、相互位置以及介電常數(shù)的函數(shù)，忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，平行極板電容的電容量為：

根據(jù)公式（1）可知，兩極板間放入的紙張數(shù)不同，由平行極板構(gòu)成的電容的電容值也不同，不同數(shù)目的紙張對(duì)應(yīng)不同的電容值，因而可根據(jù)電容值判定紙張數(shù)量。

NE555組成的振蕩電路如圖2所示[5]，通電后，電容開始充電，電壓由1/3VCC增加到2/3VCC時(shí)，NE555的3腳為高電平，VCC通過(guò)電阻R7、二極管D1向平行極板充電，電壓由2/3VCC降到1/3VCC時(shí)，NE555的3腳為低電平，平行極板通過(guò)二極管D2、電阻R8、R9放電，電容充電時(shí)間為：

電容器放電時(shí)間為：

由（2）、（3）式知輸出的波形頻率為 :

在頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(如圖2)中，輸出電壓與輸入信號(hào)頻率之間的關(guān)系為[6]：

輸出電壓經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后即可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量輸出。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 振蕩電路設(shè)計(jì)

NE555振蕩電路如圖2所示，使用平行極板代替電容C5，電源接通時(shí)，NE555的3腳為高電平，VCC通過(guò)電阻R7、二極管D1向平行極板充電，當(dāng)平行極板間的電壓大于2/3 VCC時(shí)，NE555通過(guò)二極管D2、電阻R8與R9進(jìn)行放電，NE555的輸出引腳從高電平轉(zhuǎn)為低電平；平行板間電壓降到1/3VCC時(shí)，NE555的輸出端再次跳變?yōu)楦唠娖剑@樣形成周期振蕩。當(dāng)平行極板間紙張數(shù)目改變時(shí)，平行極板間充電時(shí)間隨之改變，相應(yīng)的輸出頻率也隨之改變。

圖2 振蕩電路、頻率電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

該電路是將脈沖頻率轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，頻率與電壓之間成正比例關(guān)系。利用LM331搭建的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，C3與R4組成微分電路連接LM331的第6腳，當(dāng)脈沖信號(hào)F的下降沿通過(guò)C3與R4組成的微分電路時(shí)，LM331的第6腳產(chǎn)生反向尖峰脈沖，當(dāng)它大于1/3VCC時(shí)LM331內(nèi)部的觸發(fā)器置位，內(nèi)部電流源對(duì)電容C1充電，電源VCC通過(guò)電阻R3給電容C2充電，電容C1的電壓大于2/3 VCC時(shí)，LM331內(nèi)部觸發(fā)器復(fù)位，電容C2迅速放電，同時(shí)電容C1通過(guò)電阻R1放電，完成一次轉(zhuǎn)換過(guò)程。輸入持續(xù)的脈沖信號(hào)將重復(fù)上述的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了頻率電壓的轉(zhuǎn)換。

2.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

選用ADC0809搭建模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，該電路可以把0—5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的0X00—0XFF數(shù)字信號(hào)。ADC0809的第10引腳連接到單片機(jī)的第31引腳提供時(shí)鐘信號(hào)，ADC0809的第23、24、25引腳輸入地址信號(hào)000，當(dāng)?shù)?2引腳ALE=1時(shí)，ADC0809將地址存入地址鎖存器，選通第26引腳IN0為模擬信號(hào)的輸入引腳。開始轉(zhuǎn)換時(shí)，單片機(jī)把一個(gè)啟功信號(hào)傳送到ADC0809的第6引腳，START為上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809； START為下降沿時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換開始，在轉(zhuǎn)換的時(shí)候，該腳一直保持低電平狀態(tài)。當(dāng)ADC0809的第7引腳輸出狀態(tài)是高電平時(shí)，結(jié)束模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果放入鎖存器，該信號(hào)可以用作單片機(jī)的中斷請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)它的第9引腳的輸入狀態(tài)為高電平時(shí)，開通輸出三態(tài)門，此時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)總線。當(dāng)單片機(jī)接收完數(shù)據(jù)，并發(fā)出指示信號(hào)，這樣便完成了一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)控制電路原理圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序功能描述

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，程序主要實(shí)現(xiàn)控制ADC0809的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示讀數(shù)與點(diǎn)亮LED燈的功能。按下按鍵1，START=1，ADC0809復(fù)位；當(dāng)START=0,EOC=1時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，LED燈被點(diǎn)亮，數(shù)據(jù)放入鎖存器；當(dāng)OE=1時(shí)，轉(zhuǎn)換的結(jié)果被輸出到數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)處理結(jié)束時(shí)，單片機(jī)控制顯示器顯示相應(yīng)的紙張數(shù)。

3.2 程序流程圖

如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 測(cè)試結(jié)果

實(shí)物作品測(cè)試如圖5所示，給系統(tǒng)上電，將示波器的數(shù)據(jù)線連接到555電路的頻率輸出端，地線接到電源負(fù)極，將數(shù)字萬(wàn)用表的黑色表筆接入電源負(fù)極，紅色表筆接入LM331電路的電壓輸出端，在極板間依次放入數(shù)量不同的紙張，記錄示波器的頻率值、數(shù)字萬(wàn)用表中電壓讀數(shù)及數(shù)碼管上顯示的紙張數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5 實(shí)物作品測(cè)試圖

表1 紙張實(shí)測(cè)結(jié)果

4.2 測(cè)試分析

由測(cè)試結(jié)果可知，本設(shè)計(jì)完成了極板間紙張數(shù)的測(cè)量，可測(cè)量88張紙，當(dāng)紙張數(shù)超過(guò)89張時(shí)存在1張紙的誤差，最大測(cè)量誤差為1.1%。產(chǎn)生誤差的主要原因是：隨著紙張數(shù)增加，電容的變化量逐漸減小，對(duì)應(yīng)的頻率、電壓變化較小，由于系統(tǒng)精度不高、干擾因素多，很難準(zhǔn)確識(shí)別這一微小變化。

5 結(jié)論

本文基于LM331設(shè)計(jì)了一種紙張計(jì)數(shù)顯示裝置，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)可精確測(cè)量88張紙，誤差為0，當(dāng)紙張數(shù)超過(guò)89張時(shí)存在1張紙的誤差，最大測(cè)量誤差為1.1%。為了提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)可做以下改進(jìn)：（1）由于導(dǎo)線a、b之間存在寄生電容，導(dǎo)線離得越近電容越大，測(cè)量時(shí)導(dǎo)線被撥動(dòng)也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，為了避免導(dǎo)線帶來(lái)的干擾，可對(duì)兩導(dǎo)線做靜電屏蔽處理，并把導(dǎo)線分開一定距離后固定導(dǎo)線；（2）該裝置對(duì)兩極板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)格，需要保證放入極板間的紙張整齊、間隙均勻，在設(shè)計(jì)時(shí)可改進(jìn)極板結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)測(cè)量的精確性。