基于單片機(jī)的紙張測量儀設(shè)計(jì)

康 惠

（山東現(xiàn)代學(xué)院，濟(jì)南 250104）

1 系統(tǒng)方案論證

本系統(tǒng)主要由測量電路、運(yùn)算控制和顯示電路兩部分組成，下面分別論證各相關(guān)方案的選擇。

1.1 測量電路方案

紙張數(shù)目變化表現(xiàn)為板間電容的變化，具有對應(yīng)關(guān)系。各備選方案的區(qū)別，關(guān)鍵在于測量電容方法不同。采用振蕩器將極板電容轉(zhuǎn)化為振蕩器頻率。關(guān)于振蕩電路的選擇，可以采用文氏橋振蕩電路，或者采用多諧振蕩電路。采用V-I法直接求極板間電容阻抗特性。

采用多諧振蕩電路。電路簡單，振蕩信號為正弦波，便于后級頻率測量，但振蕩頻率不穩(wěn)定。方案一和二均采用測頻法，選擇合適的電路參數(shù)使振蕩信號工作在MHZ范圍，紙張數(shù)目變化，極板電容變化，振蕩頻率變化很大，容易測量與區(qū)分。

1.2 整體方案描述

綜上所述，采用由7555構(gòu)成的多諧振蕩電路，將由紙張數(shù)目變化引起的極板電容參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成易于測量的諧振回路頻率變化。通過設(shè)置合適的電路參數(shù)令電路的振蕩頻率范圍在MHZ以上，紙張數(shù)目發(fā)生變化，頻率變化范圍大，便于程序區(qū)分識別。STC12C5A60測量振蕩電路的頻率，對獲取的頻率進(jìn)一步處理和校準(zhǔn)，計(jì)算紙張數(shù)目和極板是否處于短路狀態(tài)?？刂骑@示器顯示并鎖定顯示，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 測量原理分析與計(jì)算

極板與紙張緊密的結(jié)合，極板采用金屬板，則可近似認(rèn)為以紙張為介質(zhì)的對稱金屬板構(gòu)成平行板電容器。此處設(shè)空氣介電常數(shù)為ε0，A4紙的介電常數(shù)為εr，極板面積為S，可知

7555振蕩器的振蕩周期T=KC，d=nd0，d0為1張紙厚度，將（1）式代入T=KC，得到：

由（2）式看出，振蕩器頻率和紙張數(shù)目成正比。隨著紙張厚度的增加，極板間電容減小，振蕩頻率增加，通過測量極板間電容變化與紙張數(shù)目的對應(yīng)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)紙張計(jì)數(shù)。極板短路時(shí)，振蕩器頻率為一定值，小于有紙張的情況，故可以區(qū)分。

多諧振蕩電路可以根據(jù)電阻阻值和電容阻抗值的不同產(chǎn)生不同頻率的方波，采用合適的電容阻值，使得振蕩器工作在MHZ范圍，則當(dāng)振蕩電路的電容發(fā)生細(xì)微變化時(shí)，頻率仍可發(fā)生較大的變化，和工作在KHZ范圍的振蕩器相比頻率變化有更大的可區(qū)分空間。

通過大量實(shí)驗(yàn)和校正，將紙張數(shù)量和振蕩器頻率相互對應(yīng)。在一定的紙張數(shù)量范圍內(nèi)，振蕩器的頻率變化可以區(qū)分和識別。采用數(shù)據(jù)擬合或者查表，使系統(tǒng)有著較強(qiáng)的識別和計(jì)數(shù)能力。

2.2 抗干擾和誤差分析

振蕩電路的穩(wěn)定性，決定頻率是否能夠較好的表征極板間電容的變化情況。通過升高振蕩電路的基礎(chǔ)振蕩頻率，使得紙張數(shù)目變化引起的頻率變化范圍較大，有較大的區(qū)分空間，相較低頻率振蕩器抗干擾性能有了顯著提高了。

誤差主要來自于由極板不完全對正，導(dǎo)線位置變化，紙張壓緊程度改變所引起的極板間電容變化不穩(wěn)定。可采用合理的穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得每次測量電路特性基本不發(fā)生變化，減少了一定的系統(tǒng)誤差。

3 電路設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)原理框圖

使用兩片不導(dǎo)電硬板（25cm×10cm×8mm），板四角開3mm小孔。將極板和導(dǎo)線固定在硬板上下對應(yīng)位置，有效減少了更換紙張時(shí)極板和導(dǎo)線位置變化引起的誤差。用長5cm的M3螺釘固定上下兩片硬板，不使用螺母以方便更換紙張。將合適重量的配重放置于亞克力板上，使得紙張和極板緊密的貼合，保證每次紙張壓緊程度穩(wěn)定。

單片機(jī)接入多諧波振蕩電路波形輸出端口，實(shí)時(shí)電路頻率進(jìn)行測量，通過計(jì)算和校準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為紙張數(shù)量或極板短路狀態(tài)，液晶屏顯示狀態(tài)并報(bào)警。

4 測試結(jié)果分析

當(dāng)極板短路和紙張數(shù)量小于50張時(shí)，測量得到的頻率有很大的區(qū)分空間。該范圍內(nèi)，紙張計(jì)數(shù)準(zhǔn)確穩(wěn)定。當(dāng)紙張數(shù)目大于50張時(shí)，測量的振蕩頻率區(qū)分空間變小。由振蕩電路的穩(wěn)定性和其它誤差原因所產(chǎn)生的頻率波動(dòng)，使得紙張數(shù)目區(qū)分變得十分困難，存在無法區(qū)分一張或幾張紙數(shù)量變化的情況。

在眾多干擾因素下，保持測量電容數(shù)值穩(wěn)定的具體方法有待進(jìn)一步討論。本文所采取的將電容轉(zhuǎn)化為頻率測量的方法，在提高振蕩電路穩(wěn)定性、頻率變化區(qū)分度和頻率測量的準(zhǔn)確性方面仍有極大的完善空間。