[17]。

第4章硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是以STM32F103為開發(fā)平臺(tái)，通過顯示端、控制端、數(shù)據(jù)處理端、傳輸端、采集端等四大部分構(gòu)成。在采集端為兩個(gè)50mm的銅片構(gòu)成的電容極板；傳輸端為以FDC2214為主的FDC2214電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換集成的測量電路；控制端是一個(gè)按鍵與蜂鳴器集合而成的按鍵模塊；顯示端為OLED模塊進(jìn)行每次測量紙張數(shù)量的實(shí)時(shí)顯示數(shù)；數(shù)據(jù)處理端為STM32F103最小系統(tǒng)板。系統(tǒng)框圖的規(guī)劃如圖3所示。圖3系統(tǒng)框圖4.1STM32F103最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)不可缺少的主要電路有三種分別為：復(fù)位、晶振以及電源接口電路，本設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)用STM32RCT6來制作系統(tǒng)板，集成復(fù)位電路、晶振電路以及電源接口BOOT模式選擇、JTAG接口等基本需要。STM32F103在STM32系列中相對基礎(chǔ)，其中STM32F103RCT6單片機(jī)為STM32F103中的高性能單片機(jī)，內(nèi)置有32位處理器，Cortex-3內(nèi)核，有64個(gè)引腳，擁有51個(gè)通用I/O口，并且內(nèi)部集成了3個(gè)16位普通定時(shí)器以及1個(gè)16位高級定時(shí)器，芯片的FLASH容量為64K，片內(nèi)SARM為256K，資源也十分豐富，芯片引腳如圖4所示。圖4STM32F103RCT6引腳圖復(fù)位電路對于一個(gè)系統(tǒng)是極其重要的，在各種設(shè)備中都需要重啟鍵。在設(shè)定的程序不能正常運(yùn)行的時(shí)候就需要手動(dòng)復(fù)位。STM32F103RCT6為低電平復(fù)位，只要在單片機(jī)的復(fù)位引腳上給定一個(gè)大于10ms的低電平，程序計(jì)數(shù)器就可以回到000h地址，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從頭開始運(yùn)行。如圖5的電路所示，在系統(tǒng)上電時(shí)，電容作用，NRST處電壓不突變，初始狀態(tài)為低電平，單片機(jī)復(fù)位；電容進(jìn)入充電狀態(tài)后，電壓升高，充電完畢后，NRST處為3.3V，單片機(jī)開始正常工作；在程序混亂時(shí)，可以手動(dòng)復(fù)位，此時(shí)NRST與GND相連，單片機(jī)復(fù)位。圖5復(fù)位電路原理圖晶振電路決定單片機(jī)的工作速率，現(xiàn)在在部分單片機(jī)中集成的有晶體振蕩器，但有部分內(nèi)部沒有集成晶振例如51單片機(jī)，STM32F103內(nèi)部集成的有8MHz的晶振，在系統(tǒng)上電后，優(yōu)先使用的是內(nèi)部的晶振，如圖6所示，硬件設(shè)計(jì)上，外接8MHz晶振與32.768KHz晶振后，就可以在內(nèi)外部晶振之間進(jìn)行切換，系使統(tǒng)頻率倍頻到72MHz，32.768KHz。晶振給STM32F103RCT6提供RTC。圖6晶振電路原理圖4.2FDC2214模塊設(shè)計(jì)FDC2214測量電路自重與創(chuàng)新型抗EMI架構(gòu)，其具有的28位分辨率，以及其高達(dá)4.08ksps的輸出速率，使其擁有高度抑制噪聲及抗干擾的能力。由于其設(shè)計(jì)的合理性具有較低的功耗和多條接觸式感測技術(shù)的通道來支持寬激勵(lì)頻率范圍，因此可以使設(shè)計(jì)有更多的靈活性如圖7所示。圖7FDC2214設(shè)計(jì)圖4.3按鍵蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中，按鍵作為整個(gè)程序進(jìn)行的控制端必不可少。蜂鳴器作為整個(gè)系統(tǒng)的聲音提示模塊同樣重要。按鍵的作用是通過控制電路的通斷，從而給單片機(jī)一個(gè)高或者低的電平信號(hào)。從而起到控制程序進(jìn)程的作用。蜂鳴器的主要作用是程序在進(jìn)行到一定程度時(shí)給予人們直觀的提醒。由于這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)比較簡單，所以將其綜合設(shè)計(jì)到一個(gè)模塊上。如圖8所示。圖8按鍵蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)4.4OLED電路設(shè)計(jì)硬件采用0.96寸的OLED屏來進(jìn)行信息顯示，在模塊的內(nèi)部用SSD1306驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部集成DC-DC升壓，所以只要外接3.3V的電源便可正常工作，OLED屏幕通過IIC與核心板進(jìn)行通信，可以節(jié)約引腳資源，模塊的1引腳與2引腳于電源的VCC跟GND相連接，電壓為3.3V，3引腳、4引腳是時(shí)鐘引腳與數(shù)據(jù)傳輸引腳，為SCL和SDA，與STM32的B6與B7連接，通過IIC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。OLED的模塊結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9OLED模塊結(jié)構(gòu)

第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件搭建完畢后，此章介紹本設(shè)計(jì)軟件部分的設(shè)計(jì)。在軟件部分的設(shè)計(jì)中，主要有數(shù)據(jù)采集區(qū)、數(shù)據(jù)處理區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、各區(qū)模塊化編程，使系統(tǒng)之間進(jìn)行有機(jī)連接；通過FDC2214數(shù)據(jù)采集區(qū)采集這個(gè)模塊來編寫相應(yīng)的模塊化程序，除此以外還需要對OLED屏幕進(jìn)行程序編寫，把測量到的數(shù)據(jù)用OLED屏幕顯示；整個(gè)過程的數(shù)據(jù)都在數(shù)據(jù)處理區(qū)也就是單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行交換處理。從而完整實(shí)現(xiàn)全部功能。5.1數(shù)據(jù)處理區(qū)主程序設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)需要軟硬件完美結(jié)合，硬件和軟件的上限決定了成品的上限，軟件部分著重于解決用戶交互方面的問題與數(shù)據(jù)處理及算法方面的問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作功能為重中之重，通過系統(tǒng)各部分之間的線程調(diào)度使各個(gè)模塊之間能夠得到良好的溝通。在整個(gè)軟件過程中，通過按鍵來進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前測量紙張數(shù)據(jù)的采集。程序是簡單的任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)與核心算法計(jì)算之間的連接媒介。核心的控制算法為FDC2214為主的電容模擬值的采集、通過對學(xué)習(xí)的數(shù)值進(jìn)行比較求均值，從而測得當(dāng)前待測量的紙張數(shù)量。系統(tǒng)的整體框圖如圖10所示。圖10系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)框圖5.2FDC2214子程序設(shè)計(jì)FDC2214作為創(chuàng)新型抗EMI架構(gòu)，28位分辨率，4.08ksps輸出速率的電容傳感器，每隔20ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集以用于通訊，每次通訊的數(shù)據(jù)為掃描得到的每增加一張紙的數(shù)據(jù)的一百次測量值的平均值。從而儲(chǔ)存在單片機(jī)閃存內(nèi)以便后續(xù)測量時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。數(shù)據(jù)初始化之后，發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，在完成響應(yīng)后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FDC2214子程序設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。圖11FDC2214子程序設(shè)計(jì)框圖5.3OLED子程序設(shè)計(jì)在顯示子程序設(shè)計(jì)中，主要存在兩部分，分別為編寫固定字符串，編寫動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。OLED為128*64個(gè)點(diǎn)組成的0.96寸顯示屏，其列點(diǎn)數(shù)為64個(gè)，行點(diǎn)數(shù)為128個(gè)，字符串編寫由PCtoLCD2002軟件進(jìn)行字模選取。取模時(shí)用C51的格式由逆向、陰碼、十六進(jìn)制掃描、列行式的方法編寫字符，程序中，OLED顯示屏為兩行顯示，第一行內(nèi)容當(dāng)前程序進(jìn)行的模式；第二行顯示的是當(dāng)前的紙張數(shù)量。序流程圖如圖12所示。圖12OLED子程序設(shè)計(jì)框圖

第6章系統(tǒng)測試6.1硬件測試在硬件測試中，有下面幾個(gè)問題：（1）PCB與原理圖的設(shè)計(jì)是否正確。其中最重要的是，在設(shè)計(jì)時(shí)的封裝庫與實(shí)物的參數(shù)是否一樣，要使原器件和實(shí)際的電路板的位置可以完美的貼合。在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)一些小問題。可以通過延長數(shù)據(jù)線或提前預(yù)留足夠的可以跳線的排針與排母以供后期方便調(diào)試。（2）焊接過程中是否有致命錯(cuò)誤，例如會(huì)存在虛焊，使元器件與電路板的貼合程度不夠?qū)е鹿δ懿荒芡暾麑?shí)現(xiàn)。通過萬用表可測得設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)的管腳的通斷，是否出現(xiàn)接觸不良和短路、斷路的現(xiàn)象，對上述問題進(jìn)行認(rèn)真排查就可以得到功能完備的硬件。（3）通電以后。元器件不存在功率過大導(dǎo)致的發(fā)熱冒煙等情況，并且可以完成預(yù)想的功能，電路硬件情況至此測試完畢。（4）除電子硬件之外，機(jī)械硬件也存在重要的作用。對紙張給予壓力的壓力夾需要有足夠的夾力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力損傷較小，達(dá)到每次測量時(shí)的誤差可以在合理的范圍內(nèi)。6.2軟件測試在整個(gè)系統(tǒng)測試中，軟件方面的測試是整個(gè)測試過程中的難重點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)方面，極容易出現(xiàn)各方面的問題，下面將對設(shè)計(jì)整個(gè)過程中的問題加以分析以及給出測試的結(jié)果：（1）有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)程序無法燒錄的問題，這個(gè)問題也是經(jīng)常出現(xiàn)的問題。容易造成這個(gè)問題的錯(cuò)誤主要有兩方面：一方面是在線仿真過程中，仿真器是不具有提供電源的功能的，因此需要在外部給系統(tǒng)單獨(dú)增加一個(gè)電源來給系統(tǒng)供電，從而確保仿真一直處在有電狀態(tài)下，若沒有遵循上述方法就會(huì)出現(xiàn)如圖13的錯(cuò)誤；另一方面是的問題是仿真過程中keil5編程軟件之中的芯片與系統(tǒng)板主控芯片的型號(hào)不一致，從而導(dǎo)致燒寫程序過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤如圖14所示，以上是在整個(gè)燒寫程序過程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤以及對應(yīng)的解決辦法。圖13錯(cuò)誤圖例1圖14錯(cuò)誤圖例2（2）在程序燒錄過后，就可以進(jìn)行測試。在一個(gè)穩(wěn)定的測試環(huán)境中就可以采集在0到50張紙的情況下分別測得的電容值。測試的電容值以及測試結(jié)果如圖15至圖17所示。圖15測試結(jié)果1圖16測試結(jié)果2圖17測試結(jié)果3（3）通過測得的50個(gè)樣本在EXCEL中擬合出相應(yīng)的圖像如圖18所示，要想劃分模糊子集需要從五十個(gè)樣本中確定電容的模擬值并得到紙張數(shù)的論域。根據(jù)模糊子集不變就可以進(jìn)行紙張測量。在多次測試結(jié)果中擁有了足夠的準(zhǔn)確度。從而基本保證每次的測量結(jié)果都足夠準(zhǔn)確，且誤差在題目的要求范圍之內(nèi)。至此，系統(tǒng)所需要完成的功能全部實(shí)現(xiàn)，軟件調(diào)試結(jié)束。圖18紙張數(shù)量與電容值對應(yīng)圖

第6章總結(jié)與展望本系統(tǒng)較好的完成了題目的要求，能夠充分完成人機(jī)交互行為。具有十分合理的、簡單的操作方式，僅用一個(gè)按鍵就可以完成所有操作。簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)造為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了必要的條件。采用最簡單的物理夾合式結(jié)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定式結(jié)構(gòu)，用來使上下對應(yīng)的極板對應(yīng)面積在夾合過程中保持面積不變。通過合理的電路、軟件、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。將MCU資源利用度達(dá)到最大，使系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)、穩(wěn)定響應(yīng)。除此以外由于系統(tǒng)的原理，該系統(tǒng)還可以運(yùn)用與許多方面。如：打印機(jī)紙張數(shù)量的檢測，以及紙張臨界值警報(bào)。通過提前的閾值學(xué)習(xí)還可以測量不同的材料的東西例如紙幣數(shù)量的測量。在實(shí)物制造及論文的編寫過程中，達(dá)到的結(jié)果在以下幾種方面：（1）總結(jié)并分析了國內(nèi)外在紙張測量的制作方法上以及硬件采用上的區(qū)別以及處于比較先進(jìn)的半導(dǎo)體器件的選擇和使用。用過對他們的經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與比較選擇一種最適合自己的方案。（2）在設(shè)計(jì)內(nèi)容確定以后，通過學(xué)校圖書館查閱相關(guān)書刊了解資料，也從網(wǎng)上得到了部分文獻(xiàn)，了解與本設(shè)計(jì)相關(guān)的研究方法及設(shè)計(jì)方法，理解不同人的思路所創(chuàng)造出的不同結(jié)果，從而給自己在思維上的轉(zhuǎn)變。（3）對系統(tǒng)方案進(jìn)行總體分析。依據(jù)所設(shè)計(jì)物品的特性選擇合適的電容傳感器、壓力傳感器、控制模塊。并通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對相應(yīng)的原理進(jìn)行計(jì)算與分析。得到相應(yīng)的理論數(shù)據(jù)，從而確定最佳的系統(tǒng)方案。（4）依據(jù)任務(wù)來搭建相應(yīng)硬件模塊。選擇合適的元件。查閱相關(guān)元件的數(shù)據(jù)手冊，確定出相應(yīng)的電路方案。進(jìn)一步畫出原理圖與PCB。設(shè)計(jì)正確的封裝，從而保證制作的實(shí)物符合設(shè)計(jì)要求。（5）通過系統(tǒng)方案來編寫相應(yīng)的軟件程序。對程序的各個(gè)部分進(jìn)模塊化，分批次編程。最后再將各個(gè)模塊化編程的程序，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕M合，從而使系統(tǒng)所需要的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。（6）對系統(tǒng)進(jìn)行測試，分別從硬件和軟件方面分別進(jìn)行測試。觀察硬件與軟件的適配程度是否達(dá)到預(yù)期要求。能否完整的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所需要的各種功能。主要通過實(shí)際測試來觀察硬件的設(shè)計(jì)是否合理。以及獲得在已完成的硬件條件軟件測得的相應(yīng)數(shù)據(jù)是否達(dá)到預(yù)期。在最后雖然實(shí)現(xiàn)了畢業(yè)設(shè)計(jì)所需要的任務(wù)要求。但很清楚自己在紙張測量精度以及數(shù)量上面還有很大的不足。作為一個(gè)智能測量產(chǎn)品，他需要能夠適配的環(huán)境還有許多種。因此在通往實(shí)用性的道路上，還有很長的路可以走。因此本系統(tǒng)還有許多可以改進(jìn)以及更加完善的地方，舉例如下：（1）在測量數(shù)量上，通過元器件的更加精細(xì)化。以及相關(guān)芯片對數(shù)據(jù)處理能力的提升。應(yīng)該可以在更多的數(shù)量條件下可以進(jìn)行精確測量。（2）由于個(gè)人能力有限，在產(chǎn)品的硬件、軟件各方面還有巨大的進(jìn)步空間以及存在更加合理配置空間。（3）在硬件方面，依據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，還可以增加自動(dòng)添加紙張以及通過單片機(jī)控制對紙張進(jìn)行自動(dòng)壓合的機(jī)械設(shè)計(jì)。

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