基于電容式傳感器的紙張數測量系統研究與設計

侯志偉, 杜青青, 包理群

(1.蘭州石化職業技術大學 電子電氣工程學院,甘肅 蘭州 730060；2.蘭州工業學院 電子信息工程學院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

在印刷、造紙行業實際工業生產活動中，重復統計批量紙張的數量顯得尤為重要[1-2]，目前紙張數量統計的主要方法有人工或機械計數、測厚度或測重量[3]、機器視覺識別[4-5]等，但傳統方法誤差較大、效率較低，機器視覺識別要求具有較高的紙張邊緣質量。德州儀器電容式傳感器FDC2214將極板電容的變化轉換為諧振頻率的變化[6]，處理器讀取I2C接口數據獲得測量值，還有采用NE555芯片、集成運放方波振蕩器將不同待測紙張數的電容變化轉換為振蕩頻率的變化，通過測頻的方法實現紙張數量的統計。上述方法實際上將紙張數的變化轉化為電容容量的變化，采用信號調理電路轉化為電壓或頻率的變化[7-11]，通過測量電壓或頻率的辦法實現紙張數的計數。

該文針對現有解決方案，采用兩平行極板間距微位移的方法來測量紙張數的實際問題，提出了一種基于變極距型電容式傳感器的測量系統。將不同數量的紙張放置于兩塊50 mm×50 mm單面覆銅板之間，以紙張的厚度變化作為兩平行極板的間距變化，從而改變了兩平行極板的電容容量，利用積分電路輸入正弦激勵信號，其輸出信號經經過調理電路輸出為電壓信號，采用STM32處理器片內ADC采樣量化電壓信號幅度值[12]，實質上將不同待測紙張數的電容變化轉換為幅度值的變化，從而計算分析得出待測紙張數量。

1 紙張數測量原理

由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為：

(1)

式中：ε為電容極板間介質的介電常數；S為兩平行極板所覆蓋的面積；d為兩平行極板之間的距離。

當傳感器的ε和S為常數，設初始極距為d0，若電容器極板間距離由初始值d0減小Δd，電容量增大ΔC，則有：

(2)

當Δd?d0時，則有：

(3)

式(4)中可以看出，C與Δd近似呈線性關系，當極板間距減小時，電容值增大，反之電容值減小。

因此，兩個平行極板間放置不同數量的紙張時，平行極板間距發生變化，從而改變了電容值的大小。

2 系統總體設計

該紙張數測量系統由模擬信號處理部分和數字信號處理部分組成，其系統總體組成結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

圖1中，該系統主要由DDS信號發生器、功率放大電路、電容式極板探頭、基準電壓源電路、積分電路、電容傳感器信號調理電路組成電容式極板傳感器模擬信號處理部分，由STM32H743XI處理器、USART、SD-Card、JTAG、TFT-LCD、E2PROM、SDRAM、蜂鳴器等組成電容式極板傳感器數字信號處理部分。DDS信號發生器輸出正弦波作為激勵輸入信號經功率放大電路加至積分電路反相輸入端，電容式極板作為積分電路反饋環節的電容，將積分電路輸出信號經過調理電路連接至STM32處理器具有ADC復用功能的GPIO接口，采用定時器事件觸發ADC采樣轉換，通過DMA將數據存儲至外設SDRAM。其中E2PROM用于存放紙張數標定幅度值，蜂鳴器提示標定數據存放成功，TFT-LCD用于人機交互界面，SD-Card卡用于存儲ADC轉換數據以供上位機數據分析，USART用于調試程序輸出運行過程信息，JTAG用于下載和追蹤調試程序。

3 系統硬件設計

該文紙張數測量系統模擬信號處理部分將電容式極板探頭變化的信號轉換為電壓幅度的變化量。采用DDS信號發生器產生正弦波信號，利用集成運算放大器輸出電壓幅度和直流分量可調節的激勵信號，經乙類推挽功率放大器加至積分電路的反相輸入端，電容式極板探頭作為積分電容，輸出頻率不變、幅度下降、相位超前90度的正弦波信號，其中積分電容決定了輸出幅度下降的程度，積分電路輸出信號采用集成運算放大器調理電路放大輸出后，送至STM32H743XI處理器片內ADC采樣量化分析。

3.1 基準參考電壓電路

基準參考電壓電路如圖2所示，將12 V電源電壓采用LM236AZ穩壓二極管輸出穩定的5 V基準電壓，調節電位器得到低參考電壓或運算放大器電路所需的參考電壓。

圖2 基準參考電壓電路

3.2 DDS模塊功率放大電路

該文采用的AD9834是一款75 MHz、低功耗DDS器件，支持產生正弦波和三角波，具有相位調制和頻率調制功能，片內比較器支持產生方波以用于時鐘發生，若時鐘速率為75 MHz，可實現0.28 Hz的分辨率，采用三線式串行接口寫入數據，串行接口能夠以最高40 MHz的時鐘速率工作，與STM32處理器標準兼容。供電電源電壓為2.3 V至5.5 V，若供電電壓為3 V時，其功耗僅為20 MW，非常適合于低功耗應用，并具有控制休眠的引腳，支持從外部控制斷電模式，在產生時鐘輸出時，芯片中不用的部分可以關斷DAC，以將功耗降至最低。

AD9834正弦波最大輸出幅度為530 mVpp，也會隨著頻率增加幅度減小，為此采用集成運放電路和功率放大電路以提高輸出幅度及功率，AD9834高速低功耗DDS器件模塊功率放大電路如圖3所示。

圖3 DDS模塊功率放大電路

圖3中，AD9834輸出正弦波幅度不可控制，含有直流分量，采用同相放大器調節正弦波輸出幅度，差分放大器調節正弦波直流分量，最后采用乙類推挽功率放大器輸出可調節的正弦波信號。

3.3 電容式傳感器調理電路

電容式傳感器信號調理電路如圖4所示。

圖4 電容式傳感器信號調理電路

正弦激勵信號經反相積分電路輸出得到：

(4)

設正弦激勵信號為：

Ui=Umsin(ωt)

(5)

將式(5)代入式(4)，并設Uo(t0)=0，則有：

(6)

經過OP37差分放大電路，輸出電壓為：

(7)

式中：Rp為R20和可調電位器VR3的總值，可以看出Cx減小，Vadc也隨之減小。

電容式傳感器輸出電壓Vadc的片內ADC采樣量程范圍為0～3.3 V，若設第二項余弦幅度只與第一項直流分量相等，那么Vadc的幅度范圍為0～(1+Rp/10)Vref2V，則有：

(8)

若Vref2=Um，則積分時間常數為：

(9)

從式(8)中得知(1+Rp/10)Vref2不大于3.3 V，則有：

Vref2<230 mV

(10)

因此，正弦激勵信號的輸出幅度不大于230 mV。

4 系統軟件設計

該文紙張數測量系統數字信號處理部分是將電容式極板探頭隨紙張數變化的信號，經調理電路輸出連接至具有ADC復用功能的GPIO接口后，采用定時器事件觸發片內ADC采樣調理電路輸出信號的幅度，分析處理轉換數據，最終顯示電容式極板探頭間的紙張數。為確定紙張數對應的模擬處理部分輸出的幅度值，采用紙張數標定輸出的幅度值。

4.1 系統主控程序設計

該紙張數測量系統軟件設計部分主要包括系統初始化模塊、紙張數標定模塊、片內ADC采樣量化模塊、數據處理模塊、TFT-LCD觸摸屏人機交互模塊，系統主控程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統主控程序流程圖

STM32H743XI處理器采用HAL固件庫STM32Cube_FW_H7_V1.5.0，使用時需初始化HAL固件庫，系統初始化模塊主要包括系統時鐘、MPU內存管理單元、HAL固件庫、GPIO外設接口、SDRAM存儲器、E2PROM、SysTick、TIM定時器、ADC寄存器、TFT-LCD觸摸屏、SD-Card卡、USART以及DDS模塊等。TFT-LCD人機交互模塊采用GUI圖形界面庫STemWin V5.44，用來選擇紙張數標定和紙張數測量功能，SD-Card卡讀寫采用文件系統FatFs R0.14，用來存儲ADC采樣數據以供上位機分析。

4.2 紙張數測量程序設計

紙張數測量程序流程圖如圖6所示。

圖6 紙張數測量程序流程圖

根據奈奎斯特采樣定理，設置定時器周期間隔觸發ADC轉換，為避免CPU干預利用DMA傳輸，系統主控程序輪詢DMA完成傳輸中斷信號，采樣完成后采用FIR低通數字濾波，根據紙張數標定的幅度值分區間插值計算，得到待測紙張的數量，TFT-LCD上顯示測量結果。

5 系統測試及結果分析

為驗證該文紙張數測量系統的性能，DDS模塊經集成運放和乙類推挽功率放大器輸出頻率8 kHz、幅度200 mV的正弦波激勵信號，將銅箔18 μm、基材1.5 mm的FR4單面覆銅板裁剪為50 mm±1 mm正方形作為電容式傳感器極板，依次放置不同A4紙張數，標定輸出信號幅度值，紙張數標定的幅度值如表1所示。

從表1可以得出，隨著紙張數的遞增，輸出幅度值呈下降趨勢。標定紙張數大于51時，幅度值變化不明顯。

表1 紙張數標定的幅度值

利用二分法查找所在的標定區間，采用插值法計算得到紙張數，反復測量不同A4紙張數100次，紙張數測量實驗結果如表2所示。

表2 紙張數測量實驗結果

從表2可以得出，紙張數小于46張時準確率為100%，大于46張時紙張測量的準確率有所下降，紙張數為50時實驗準確率為96%。經反復多次實驗，分析結果得出該文紙張數測量系統的綜合準確率為99.6%。

6 結束語

該文提出了一種基于電容式傳感器的紙張數測量系統的解決方案，將紙張數的厚度轉化為電容的變化量，采用FR4銅箔極板探頭作為積分電路的反饋環節電容，采用DDS模塊產生正弦激勵信號加至積分電路反相輸入端，輸出相位超前90度、幅度變化的正弦波信號，從而以信號調理后的輸出幅度值來換算放置的紙張數量。經過多次反復實驗結果表明，該紙張數測量系統A4紙張數小于50張時的測量綜合準確率為99.6%，能夠有效、準確地測量紙張數的實際需求，具有較好的市場實用價值。在后續的研究中，有待進一步深入討論紙張數較多時測量的問題。