电容式薄膜计数器_相钊.pdf

wwwele169com|7电子电路设计与方案0 引言随着电子设备的智能化，人机交互计数成为当前电子信息和计算机科学研究的重要方向。在传统的测量的方法中，有人工计数薄膜的测量方法，但是该方法效率低下，不适合大规模的测量，随着的增加，出错率也会增加，还有一种是直接侧面拍照法，它是通过对所测的侧面进行拍照，然后依据页与页的边缘线数量来计算数量，不仅取决于所选摄像头的像素高低，还与图像处理技术有很大关系，往往测量的准确度达不到测量要求。为了实现更高精度与更快时间的要求，本设计采用一种基于 FDC2214 电容传感器数量测量的系统。由电容传感器芯片采集不同数量的电容值信息,将数字化频率值通过 I2C 送入 STM32F4 单片机中进行处理,根据实验数据建立的模型,进行数字处理，从而将电容值信号转换为数量,实现测量不同数量的功能。1 项目概述计数器，其核心部分为电容值得测量，根据研究的初期方法，测量电容值的方法采取的是全波整流电路，其中全波整流电路是自主设计的，各元器件参数均要通过理论分析与实际测量得出，电容测量的性能指标与设计电路密切有关，设计电路抗干扰能力越好，则输出结果越准确。随着研究的不断深入及发展，电容式薄膜计数器要求电容采集模块高精度、低功耗、抗干扰能力强、与单片机通讯方式简单，因此目前制作电容式计数器大多数都采用 TI 公司的 FDC2214 电容值测量模块来测量电容值得变化。此 FDC2214 模块具有多通道电容数字转换器，可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。供电（12V可充电电池）降压模块（LM2596）主控模块（STM32）数据输出待测薄膜夹于平行极板电容测量模块（FDC2214）图 1 项目整体设计框图压薄膜方案则采用 25mm 厚轻透明亚克力板上固定双电容式薄膜计数器相钊，蔡耘韬，陈志明（佛山科学技术学院，广东佛山，528231）基金项目：2021年度佛山科学技术学院学生学术基金立项项目资助（xsjj202103kjb07）。摘要：在日常生活中，大多数时候都需要获得特定数量的薄膜，或是需要得知一叠薄膜的数量，在传统模式下，如若逐张计数，则会造成效率低下，同时通过人力计数薄膜数量出现误差的概率较高。因此我们团队为此设计一个基于电容与薄膜数量之间存在特定关系的电容式薄膜计数器，通过FDC2214与STM32进行数据采集与处理，准确与高效的获取薄膜数量。关键词：电容；薄膜；计数；FDC2214；STM3212C10.1uF12C2100uF/50VVIN1ON/OFF5GND3OUT2FB4U1LM2596S-ADJAKD1SS34AKD2080512R310K12L47uH12C30.1uF12C4220uF/50V12R1330R2 10KGNDVOUTVINGND12C5470pF213S1SS-12D1012J1Pin HDR1X212J4Pin HDR1X212J2Female HDR1X212J5Female HDR1X2VOUT123DC1DC_Socket12J3CON212J6CON2123DC2DC_SocketVINGNDGND图 2 LM2596S-ADJ 电源模块原理图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.0268|电子制作 2023 年 1 月电子电路设计与方案面覆铜板，上层亚克力板给予固定压力，利用 FDC2214 测量不同数两极板之间电容值。经过挤压，与之间空腔消失，且不会受到放置方式和轻微变形的影响，同时重块压制后的数据变化明显，规律明显。通过软件构建数学模型后，得到准确的回归方程。数据分析处理模块则选择单片机来与电容检测模块通讯，将数据进行收集，对极间电容值与相应数量通过软件构建数学模型，得到电容值与数量的函数关系式及图像。目前电容式计数器作品是较为成熟，但是能够同时满足其他薄膜领域测量的并不多，因此电容式薄膜计数器会进一步发展。2 项目设计 2.1 电源设计项目降压模块使用 LM2596S-ADJ 作为降压芯片，参照芯片数据手册和实际需要进行器件的选型，通过电位器实现电压值的输出调节，该模块可实现 2.0722.3V 稳定电压输出，使用LED灯的亮灭表示该降压模块是否处于工作状态。图 3 LM2596S-ADJ 电源模块 PCB 2.2 传感器 FDC2214 模块设计FDC2214 模块具有多通道电容数字转换器，可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。其传感平面，即为导体材质，当薄膜接近该导体传感平面时，传感端的电容发生了变化，这就会导致 LC 电路振荡频率的1357911132468101214J3TSW-107-07-G-DSCLSDAADDRSDINTBGND+3.3VSCLSDAADDRSDINTBGND+3.3VSCL1SDA2CLKIN3ADDR4INTB5SD6VDD7GND8IN0A9IN0B10IN1A11IN1B12IN2A13IN2B14IN3A15IN3B16PAD17U1FDC2214RGHRGNDADDRSCLSDAINTBSDIN3BIN3AIN2BIN2AIN1BIN1AIN0BIN0ACLKIN12C251uF12C340.1uF12C60.01uFGND12R18012R10012J8TSW-102-07-G-S+3.3V12345J2901-144-8RFX12R14012R1149.912R22012R16012C50.01uFE/D1GND2OUT3VCC4Y2XVHEELNANF-40MHZGNDGNDVDDGNDGNDGND12C1118pF12C1618pFGND12R24012R260GND12C1818pF12C1218pF12L1CMH322522-180KL12C733pF12J4172701012C1918pF12C3518pFGND12R27012R280GND12C3618pF12C2118pF12L2CMH322522-180KL12C1033pF12J5172701012C2018pF12C2318pFGND12R19012R200GND12C4418pF12C4218pF12L3CMH322522-180KL12C1533pF12J6172701012C3718pF12C3818pFGND12R23012R330GND12C4118pF12C3918pF12L4CMH322522-180KL12C1733pF12J71727010VDDSENSOR3SENSOR2SENSOR1SENSOR0图 4 FDC2214 模块原理图wwwele169com|9电子电路设计与方案变化，进而可用于对极板间一定数量的薄膜进行电容检测，从而反映出薄膜的变化，以及数量的判定。图 5 FDC2214 模块 PCB 图 2.3 程序设计本项目是通过 I2C 建立与 STM32F4 内核的通信，利用串口通信进行电脑与单片机的联系，首先，初始化FDC硬件，I2C，和串口等设施，然后读取 FDC 硬件的地址为 0 x7E 和0 x7F 的 ID，判断 FDC2214 与 STM32 通信是否正常，如正常可开始读取通道数据，通过读取的数据进行换算，然后手动测试增加薄膜数量后的电容值的数据，并记录到数组中进行匹配。其设计流程图如图 6 所示。该设计以 STM32 单片机为主控芯片，通过 STM32 中的I2C 通信协议进行测量，电容采集装置使用的是 FDC2214 电容传感器装置，通过两极板测量不同，我们使用的是多通道的 FDC2214，其电容计算公式如下所示：()21*2*SENDORSENSORxCCLf=(1)其中，C为并联传感器电容。FDC2214 传感器频率如下所示：28_*2REFxSENDORxCHxFINSELfDATAxf=(2)其中，DATAx为_DATA CHx寄存器的转换值。I2C 通信的写时序和读时序图如图 7 图 8 所示。串口、I2C、FDC、GPIO口初始化读取FDC地址为0 x7E和0 x7F的ID读取电容测量通道的数值通过串口助手显示读取的值测量增加薄膜后电容值的变化建立数组储存数值记录20次数据循环识别放入薄膜的厚度，通过记录值输出对应的薄膜数量判断是否为0 x5449和0 x3055开始结束是否图 6 设计流程图程序设计方框图如图 9 图 10 所示。FDC2214 通过 I2C 协议会给单片机进行反馈，通过串口显示到计算机屏幕上，然后每当放一张薄膜的时候就记录多组数据，通过软件进行数据监控范围，每次测量 100 组数据，然后打印出一张薄膜会出现的范围，然后去掉头和尾部的 10 组数据，取最佳范围依次增加的数量进行测量数据会出现的范围，以此类推，当得到相当大的数据量后，找出图 7 I2C 写寄存器时序（来源于 FDC2214 芯片数据手册）图 8 I2C 读寄存器时序（来源于 FDC2214 芯片数据手册）10|电子制作 2023 年 1 月电子电路设计与方案每增加一张的电容值会变化多少的差值范围，由于两极板间硬件的误差太大，我们于是采用每次增加 3 张，以此测出来的效果为最佳。产生START信号发送0 x54发送要写入的寄存器地址发送高8位数据发送低8位数据产生停止信号图 9 写程序框图产生START信号发送0 x54发送要读的寄存器地址产生START信号发送0 x55读出高8位数据读出低8位数据产生停止信号图 10 读程序框图又因为每次放的时候，不能保证两极板间的完全平行，所以实验会出现误差，于是我们采用自动学习功能，每次开机启动的时候会分别对五张，十张，十五张，进行校对参数，根据平行板电容器计算公式 C=S/4kd 校准 k 值，于是可以更好的进行因为种类等等原因的测量。然后经过测量出大量的数据后，使用软件绘图，找出最具概率性的电容差别值。3 测试数据经过多次测量与统计，共统计050张薄膜各30个数据，处理得出数据图表如表 1 所示。表1 处理后测试数据 数量(张)项目01234最大值2721770427209738272419682722827727438766最小值2718757527208887272358452722602527315794平均值27206007.93 27209172.39 27237637.31 27227091.47 27362748.33567891027361968273758832719879327333833271904212720229027214134273750312718290427333236271883782720006727235463.07 27375321.97 27188953.03 27333525.9327189249.827201754.3311121314151627458881274137822742055327421028274212062726230727404865274069862741618427420380274205022724968827434108.127411497.23 27416628.37 27420738.87 27420833.17 27255873.4717181920212227449683274773192747371827473321274659732744965727447863274669732746592227472918274652752744486527448516.127467906.12747247327473115.97 27465693.2327447289.123242526272827444865274468122744856127449734274439112721133527444013274463382744516027447837274428402720836227444352.527446685.23 27448143.6327448410.727443678.3327209521