PAGE12自動紙張測量控制系統(tǒng)摘要系統(tǒng)由STM32F103單片機(jī)、TPS566235穩(wěn)壓器、TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器、LM555、蜂鳴器、OLED屏、按鍵等模塊組成。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快，能精確測量并顯示紙張數(shù)量。另外，本次畢業(yè)設(shè)計還有語音模塊實(shí)時播報紙張數(shù)量，記錄頻率和顯示計時時間的功能，并且當(dāng)測量時間超過5秒時，LED閃爍報警，使整個裝置更加完整。關(guān)鍵詞STM32F103；TPS566235穩(wěn)壓器；TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器；LM555；OLED屏1緒論在這個科技和文化飛速發(fā)展的科技社會，人工智能已經(jīng)廣泛的運(yùn)用在我們的生產(chǎn)生活當(dāng)中。在人們的日常生活學(xué)習(xí)中，方方面面都需要用到紙張，在生產(chǎn)制造、學(xué)習(xí)、教育時用到作業(yè)本以及筆記本的時候，需要對其質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，以防缺少頁數(shù)不合格的殘次品流入到市場當(dāng)中，有損企業(yè)的社會形象[1]，通常人們采用直接拍攝紙張的側(cè)面，根據(jù)側(cè)面顯示頁與頁之間的邊緣線的數(shù)量來計算紙張的數(shù)目，但這種方法對攝像頭像素具有極高的要求，而且經(jīng)過圖像處理后計數(shù)的準(zhǔn)確性較低，達(dá)不到檢測的要求。因此，本次畢業(yè)設(shè)計的新型自動紙張測量裝置，可以有效解相關(guān)問題。這次做的畢業(yè)設(shè)計使用stm32f103作為整個裝置的控制系統(tǒng)，其中還包括OLED液晶顯示模塊、基于555的電容式傳感器、蜂鳴器模塊、語音模塊等。自動紙張測量系統(tǒng)造價低廉有較高的使用價值。通過設(shè)計該裝置實(shí)現(xiàn)了對兩極板間的紙張數(shù)量進(jìn)行計數(shù)并顯示的功能。通過此次對自動紙張測量系統(tǒng)的設(shè)計，可以大大縮短紙張裝訂生產(chǎn)過程中不必要的時間提高了生產(chǎn)效率，是生產(chǎn)力得到大大的提升。2系統(tǒng)方案2.1系統(tǒng)總體方案本控制裝置以stm32f103單片機(jī)為控制核心，由TPS566235穩(wěn)壓器、TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器、LM555、蜂鳴器、OLED屏等模塊組成，自動紙張檢測系統(tǒng)可以實(shí)時的讀取從平行板電容器兩端頻率值的變化，通過頻率值變化來測量紙張的數(shù)量。主控核心通過I0接口與基于555的電容式傳感器相連接實(shí)現(xiàn)自動測量紙張的功能。單片機(jī)將輸入的頻率通過線性關(guān)系計算出紙張的數(shù)量并通過OLED液晶顯示屏進(jìn)行顯示。顯示部分使用OLED模塊能夠顯示出平行板電容器兩極板之間的電容值以及測量的紙張數(shù)目。2.2方案論證與比較2.2.1微處理器方案一：采用Atmel公司的AT89S51單片機(jī)。AT89S51通用性好、售價便宜，使用也方便，但該系列單片機(jī)字長比較有限，處理速度很慢，擴(kuò)展性能差，控制能力較差，且功耗較大，難以滿足畢業(yè)設(shè)計的要求。方案二：采用ST公司的STM32F103單片機(jī)。擁有32位ARM處理器，主控芯片帶有512K字節(jié)的FLASH，擁有更高的集成度，外設(shè)功能豐富，具有較低的功耗有助于滿足整體系統(tǒng)設(shè)計的要求，可以很好的實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計的功能。因此選擇方案二。2.2.2放大電路選擇方案一：使用三極管多諧振蕩器。它是一種具有產(chǎn)生脈沖的電路，電路不需要外加信號就可以觸發(fā)，三極管多諧振蕩器能夠產(chǎn)生矩形脈沖常用作于脈沖信號源。三極管的弊端在于操作起來比較困難不易調(diào)試，不適于此類經(jīng)常調(diào)試的設(shè)計。方案二：采用運(yùn)算放大器。將平行板電容器兩端的電容變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，采用運(yùn)算放大器將電壓變化放大，讀取電壓變化，計算出紙張數(shù)量。但此情況輸出信號波動大，線性度不好，放大效果不明顯，抗干擾能力不強(qiáng)。方案三：采用555多諧振蕩器。具有超強(qiáng)的時鐘信號驅(qū)動能力，操作簡單，電路簡單方便制作成本較低，方便調(diào)試有較好的線性和較強(qiáng)的干擾能力。所以選擇方案三。2.3硬件結(jié)構(gòu)框圖本次畢業(yè)設(shè)計的目的在于設(shè)計一個可以自動測出紙張數(shù)量的控制系統(tǒng)。本次畢設(shè)使用的單片機(jī)為STM32F103，STM32F103是一款價格低廉、方便操作、容易拓展可以連接多種外設(shè)并且是基于ARM內(nèi)核的32位微處理器。自動紙張測量系統(tǒng)由TPS566235穩(wěn)壓器、TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器、LM555、蜂鳴器、OLED屏等模塊組成的，功能為自動的測量紙張的數(shù)量并通過OLED液晶顯示屏顯示，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如2-1所示。圖2-1硬件流程框圖2.4軟件系統(tǒng)設(shè)計方案軟件設(shè)計方案以上面所提到的硬件電路為基礎(chǔ)，自動紙張測量控制系統(tǒng)包含了STM32F103單片機(jī)模塊、穩(wěn)壓器模塊、降壓轉(zhuǎn)換器模塊、LM555、電源模塊、蜂鳴器、OLED屏等模塊。本次畢業(yè)設(shè)計是基于STM32F103的嵌入式軟件開發(fā)，是以C語言為基礎(chǔ)的以keil軟件編寫的系統(tǒng)程序。3硬件電路設(shè)計自動紙張測量控制系統(tǒng)設(shè)計所用到的硬件和數(shù)量如表格3-1所示。器件的名稱器件的數(shù)量電源OLED屏幕TPS566235穩(wěn)壓器TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器單片機(jī)最小系統(tǒng)板電容傳感器112111表3-1硬件清單3.1555電容式傳感器測量電路通過電容傳感器和555電路構(gòu)成多諧振蕩器,能夠?qū)⑺鶞y得電容轉(zhuǎn)化為頻率,使平行板電容器的極距與頻率成正比[2]。555電容式傳感器測量電路如圖3-1所示。圖3-1555電容式傳感器測量電路原理圖通過基于555的電容式傳感器測量電路，可以將平行板電容器的電容值轉(zhuǎn)化為頻率，通過U0管腳將頻率傳遞給stm32f103單片機(jī)進(jìn)行處理，通過單片機(jī)計算頻率值與放入平行板電容器中的紙張的數(shù)量進(jìn)行線性分析找出頻率值與紙張數(shù)之間的關(guān)系。3.2OLED屏一種在電場作用下，載流子復(fù)合而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為OLED。OLED是一種發(fā)光的固態(tài)設(shè)備，是在LED基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展后的產(chǎn)物。OLED可被分為雙層分別是發(fā)射層和導(dǎo)電層，發(fā)射層用于傳輸空穴,導(dǎo)電層用于傳輸電子。該器件是用作顯示被測量紙張數(shù)量的，OLED屏電路原理圖如圖3-2所示。圖圖2.3OLED電路圖圖3-2OLED液晶屏原理圖使用OLED屏幕的目的在于通過OLED屏幕來顯示測量的紙張數(shù)量，它的工作原理是OLED采用8080模式，首先就是進(jìn)行將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)口的操作，然后可以讀取我們想要的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開始讀取RD電平開始升高，將數(shù)據(jù)鎖存在D7上，當(dāng)數(shù)據(jù)開始進(jìn)行寫入WR電平開始上升，最后要拉高CS和DC[3]。3.3蜂鳴器電路蜂鳴器電路是用于檢測電容器兩極板間是否出現(xiàn)了短路，當(dāng)兩極板間短路時，蜂鳴器將發(fā)出警報，來提示極板間短路，若未短路蜂鳴器將不發(fā)出警報。通過蜂鳴器電路就可以知道平行板電容器是否短路。圖3-3蜂鳴器電路蜂鳴器，是與單片機(jī)連接的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)低電平的驅(qū)動能力要比高電平的驅(qū)動能力要大得多，所以當(dāng)平行板電容器短路時，單片機(jī)輸出低電平使蜂鳴器工作，這里的S8050三極管的作用是功率驅(qū)動[4]。3.4語音模塊電路語音模塊電路主控向語音模塊發(fā)送指令，語音模塊開始進(jìn)行響應(yīng)并根據(jù)主控所發(fā)來的指令來進(jìn)行相應(yīng)語音的播報[6]。其語音模塊電路原理圖如圖3-4所示。圖3-4語音模塊電路單片機(jī)通過8個引腳與語音芯片一一相連，每個引腳對應(yīng)一個語音，當(dāng)某個引腳變成高電平的時候，就播放對應(yīng)的語音，單片機(jī)就通過控制引腳來控制播放語音，來播報當(dāng)前所測量的紙張的數(shù)量。3.5STM32F103主控電路本次畢設(shè)所用到的控制核心為ST公司生產(chǎn)的STM32F103單片機(jī)，該單片機(jī)擁有較高的集成度和性價比，簡單容易操作，可靠性能好，不受強(qiáng)加電流的干擾，適合進(jìn)行自動控制，有大規(guī)模的集成庫存儲區(qū)和大量外圍模塊，其中包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，晶振采用了4-16MHz頻率。STM32F103內(nèi)部的RC振蕩電路頻率為40kHz，是基于Cortex-M3處理器內(nèi)核[5]，具有豐富的外設(shè)，并且低功耗便于整體效率的提高，完全可以實(shí)現(xiàn)題目要求。STM32F103的原理圖正如圖3-5所示。圖3-5單片機(jī)STM32F103原理圖單片機(jī)stm32f103是主控系統(tǒng)，通過主控系統(tǒng)控制OLED液晶顯示屏、蜂鳴器、并計算處理來自平行板電容器的頻率，通過頻率與紙張數(shù)量之間的線性關(guān)系計算出放入平行板電容器之間的紙張的數(shù)量。3.6TPS566235穩(wěn)壓器自動紙張測量控制系統(tǒng)對電壓的要求極為精細(xì)所以必須要用到穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器的作用在于它能夠自動的調(diào)整輸出的電壓保證電壓的穩(wěn)定，使電壓值始終保持在穩(wěn)定的工作環(huán)境下[7]。穩(wěn)壓電路如圖3-6所示。圖3-6直流5V電路圖3.7TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器降壓轉(zhuǎn)化器是用來將電壓進(jìn)行降低的，在此次設(shè)計中PS62840降壓轉(zhuǎn)換器[8]是將來自555電容式傳感器的電壓進(jìn)行降低，使其保持在一個可以被輸入的狀態(tài)下。TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖3-7所示。圖3-7TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器原理圖4軟件設(shè)計4.1軟件流程設(shè)備運(yùn)行過程如下：設(shè)備開始運(yùn)行先經(jīng)過初始化然后開始校準(zhǔn)檢測是否出現(xiàn)短路，若出現(xiàn)短路則會在OLED屏幕上顯示短路字樣并通過蜂鳴器發(fā)出警報。若未發(fā)生短路繼續(xù)執(zhí)行接下來的操作，單片機(jī)開始檢測電路的頻率，并計算出紙張的數(shù)目，最后顯示在OLED屏幕上，并語音播報紙張數(shù)。系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示。圖圖4-1程序流程圖自動紙張測量系統(tǒng)在軟件的設(shè)計中需要完成以下功能:通過此設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動測量出放入設(shè)備中紙張的數(shù)量，并通過OLED屏幕顯示紙張的數(shù)量，若未放入紙張讓兩極板接觸將會通過蜂鳴器發(fā)出警報提示兩極板短路。4.2OLED屏幕顯示程序自動紙張測量系統(tǒng)中OLED屏幕主要功能是用來顯示所測量紙張的數(shù)量。voidOLED_ShowNum(u8x,u8y,u32num,u8len,u8size2){ u8t,temp; u8enshow=0; for(t=0;t<len;t++) { temp=(num/oled_pow(10,len-t-1))%10; if(enshow==0&&t<(len-1)) { if(temp==0) { OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,''); continue; }elseenshow=1; } OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,temp+'0'); }}//顯示一個字符號串voidOLED_ShowString(u8x,u8y,char*chr){ unsignedcharj=0; OLED_WriteingData_Flag=1; while(chr[j]!='\0') { OLED_ShowChar(x,y,chr[j]); x+=8; if(x>120){x=0;y+=2;} j++; } OLED_WriteingData_Flag=0;}4.3頻率計算程序自動紙張測量系統(tǒng)的測量原理是通過測量放入平行板電容器[9]兩極板間紙張所產(chǎn)生的頻率與紙張數(shù)量之間的線性規(guī)律進(jìn)而來測量紙張數(shù)量。 while(1) { timestap=get_TimeStap()/10;//Add100by1s if(Timerflag==1) { Timerflag=0; FreVal=FreQueue_Calu();//計算頻率 } if(ShortCircuitflag==1) //短接 { BEEP_ON(); OLED_ShowString(0,6,"ShortCircuit!!!"); FreVal=0; }else { BEEP_OFF(); //OLED_ShowString(0,6,""); } if(key_flag==1) { uint32_ttimeSub=timestap-time_flag; sprintf(str_OLED,"Time:%5u.%02uS",timeSub/100,timeSub%100); OLED_ShowString(0,2,str_OLED); if((timestap-time_flag)>=186)//按下按鍵后,2s出結(jié)果 { uint16_ti=1; key_flag=0; FreVal=FreQueue_Calu();//計算頻率5測試分析5.1測試儀器測試儀器有數(shù)字萬用表，直流穩(wěn)壓電源，示波器，信號發(fā)生器，秒表，直尺等。5.2測試條件在平行板電容器，紙張規(guī)格等各項指標(biāo)都滿足要求的情況下對各項要求進(jìn)行多次測試。5.3測試方案分別改變555諧振電路中R1和R2的阻值，找到放置紙張數(shù)量對應(yīng)頻率線性度最好情況時的R15.4測試數(shù)據(jù)結(jié)果表1測試數(shù)據(jù)(R1=500放置紙張數(shù)量147101316192225283134R223591015162419202324R2148101115181823252526R2147101216202022272633R2147101416192324283034表2測試數(shù)據(jù)(R2=500放置紙張數(shù)量147101316192225283134R1=40025781017152323242627R112591214202225262829R123691215172326272932R114791316182224283035表3測試數(shù)據(jù)(R1=100KΩ，放置紙張數(shù)量12345678910測得的紙張數(shù)量12345678910表4每次測量從按下同一測量啟動鍵到發(fā)出蜂鳴的時間t測試數(shù)據(jù)第N次測量12345678910時間t/s1121311211表5測試數(shù)據(jù)(R1=100ΚΩ，R放置紙張數(shù)量15161718192021222324252627282930測得的紙張數(shù)量15161718192021222324252627282830表6測試數(shù)據(jù)(R1=100KΩ，放置紙張數(shù)量31323334353637383940414243444546測得的紙張數(shù)量313234343536373839404142424545475.5測試結(jié)果及誤差分析5.5.1測試結(jié)果經(jīng)過測量與計算，紙張計數(shù)顯示裝置有如下的功能：（1）自動紙張測量控制系統(tǒng)具有“自動校準(zhǔn)”的功能。（2）自動紙張測量控制系統(tǒng)可以檢測出平行板電容器兩端是否短路，若出現(xiàn)短路的情況將會通過蜂鳴器發(fā)出警報（3）自動紙張測量控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤的測量出放入平行板電容器之間的紙張的數(shù)量（4）實(shí)現(xiàn)語音播報紙張數(shù)量的功能，實(shí)時記錄頻率的功能和顯示計時時間的功能，并且當(dāng)測量時間超過5秒時，LED會閃爍報警。經(jīng)測試結(jié)果中的六個表格可以得知，該裝置可以完美實(shí)現(xiàn)紙張測量的功能。在整個測試中，通過分別固定555振蕩器中R1和R2的阻值，選取不同的R2和R1的阻值[10]，可以比較出當(dāng)R1=100KΩ，5.5.2誤差分析1.系統(tǒng)誤差：由于裝置純手工制作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定會受到一定的影響，并且平行板電容器受多種因素干擾，例如外接電磁干擾，系統(tǒng)自干擾等，從而指標(biāo)數(shù)據(jù)存在誤差。2.人為誤差：紙張擺放不整齊，測試時兩極板沒有嚴(yán)格對齊致使正對面積發(fā)生變化，在測量裝置指標(biāo)數(shù)據(jù)時造成誤差。6結(jié)論本次畢設(shè)自動紙張測量系統(tǒng)，可以很好的完成對紙張數(shù)量的測量并進(jìn)行語音播報。自動紙張測量控制系統(tǒng)對于人類來說有很重要的作用，可以代替人來進(jìn)行快速紙張的計數(shù)并且可以拓展到用于鑒定紙張厚薄等殘次品的鑒別，大大加速了造紙行業(yè)的快速發(fā)展。通過對自動紙張測量系統(tǒng)的檢測，發(fā)現(xiàn)在測試過程中兩極板是否對齊會影響到頻率的大小進(jìn)而影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。平行板電容器兩極板對放入其中紙張的壓力大小也會影響到測量的精度，要保證平行板電容器兩極板對放入其中的紙張要有相同的壓力，才能保證測量的準(zhǔn)確性。要保證數(shù)據(jù)盡可能的準(zhǔn)確要選取導(dǎo)電性能和抗干擾能力強(qiáng)的導(dǎo)線以防受到外界的影響導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)問題。選取的平行板電容器極板要保證有足夠的強(qiáng)度不易變形若變形會導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤。555振蕩器電路中電阻的選擇，參考上面數(shù)據(jù)測試，可得兩個電阻的阻值都為100k。通過對自動紙張測量系統(tǒng)的檢測和修改最終可以完美實(shí)現(xiàn)其功能。參考文獻(xiàn)[1]陳彥濤.基于模糊設(shè)定值加權(quán)IMC-PID算法的紙張定量控制[J].包裝工程,2018,39(21):157-162.[2]淺談電容式傳感器原理及測量電路[J].王前洪.

科技與企業(yè).

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