自动纸张测量控制系统

PAGE12自动纸张测量控制系统摘要系统由STM32F103单片机、TPS566235稳压器、TPS62840降压转换器、LM555、蜂鸣器、OLED屏、按键等模块组成。系统运行稳定、抗干扰能力强、运行速度快，能精确测量并显示纸张数量。另外，本次毕业设计还有语音模块实时播报纸张数量，记录频率和显示计时时间的功能，并且当测量时间超过5秒时，LED闪烁报警，使整个装置更加完整。关键词STM32F103；TPS566235稳压器；TPS62840降压转换器；LM555；OLED屏1绪论在这个科技和文化飞速发展的科技社会，人工智能已经广泛的运用在我们的生产生活当中。在人们的日常生活学习中，方方面面都需要用到纸张，在生产制造、学习、教育时用到作业本以及笔记本的时候，需要对其质量进行把关，以防缺少页数不合格的残次品流入到市场当中，有损企业的社会形象[1]，通常人们采用直接拍摄纸张的侧面，根据侧面显示页与页之间的边缘线的数量来计算纸张的数目，但这种方法对摄像头像素具有极高的要求，而且经过图像处理后计数的准确性较低，达不到检测的要求。因此，本次毕业设计的新型自动纸张测量装置，可以有效解相关问题。这次做的毕业设计使用stm32f103作为整个装置的控制系统，其中还包括OLED液晶显示模块、基于555的电容式传感器、蜂鸣器模块、语音模块等。自动纸张测量系统造价低廉有较高的使用价值。通过设计该装置实现了对两极板间的纸张数量进行计数并显示的功能。通过此次对自动纸张测量系统的设计，可以大大缩短纸张装订生产过程中不必要的时间提高了生产效率，是生产力得到大大的提升。2系统方案2.1系统总体方案本控制装置以stm32f103单片机为控制核心，由TPS566235稳压器、TPS62840降压转换器、LM555、蜂鸣器、OLED屏等模块组成，自动纸张检测系统可以实时的读取从平行板电容器两端频率值的变化，通过频率值变化来测量纸张的数量。主控核心通过I0接口与基于555的电容式传感器相连接实现自动测量纸张的功能。单片机将输入的频率通过线性关系计算出纸张的数量并通过OLED液晶显示屏进行显示。显示部分使用OLED模块能够显示出平行板电容器两极板之间的电容值以及测量的纸张数目。2.2方案论证与比较2.2.1微处理器方案一：采用Atmel公司的AT89S51单片机。AT89S51通用性好、售价便宜，使用也方便，但该系列单片机字长比较有限，处理速度很慢，扩展性能差，控制能力较差，且功耗较大，难以满足毕业设计的要求。方案二：采用ST公司的STM32F103单片机。拥有32位ARM处理器，主控芯片带有512K字节的FLASH，拥有更高的集成度，外设功能丰富，具有较低的功耗有助于满足整体系统设计的要求，可以很好的实现毕业设计的功能。因此选择方案二。2.2.2放大电路选择方案一：使用三极管多谐振荡器。它是一种具有产生脉冲的电路，电路不需要外加信号就可以触发，三极管多谐振荡器能够产生矩形脉冲常用作于脉冲信号源。三极管的弊端在于操作起来比较困难不易调试，不适于此类经常调试的设计。方案二：采用运算放大器。将平行板电容器两端的电容变化转化为电压的变化，采用运算放大器将电压变化放大，读取电压变化，计算出纸张数量。但此情况输出信号波动大，线性度不好，放大效果不明显，抗干扰能力不强。方案三：采用555多谐振荡器。具有超强的时钟信号驱动能力，操作简单，电路简单方便制作成本较低，方便调试有较好的线性和较强的干扰能力。所以选择方案三。2.3硬件结构框图本次毕业设计的目的在于设计一个可以自动测出纸张数量的控制系统。本次毕设使用的单片机为STM32F103，STM32F103是一款价格低廉、方便操作、容易拓展可以连接多种外设并且是基于ARM内核的32位微处理器。自动纸张测量系统由TPS566235稳压器、TPS62840降压转换器、LM555、蜂鸣器、OLED屏等模块组成的，功能为自动的测量纸张的数量并通过OLED液晶显示屏显示，系统总体设计框图如2-1所示。图2-1硬件流程框图2.4软件系统设计方案软件设计方案以上面所提到的硬件电路为基础，自动纸张测量控制系统包含了STM32F103单片机模块、稳压器模块、降压转换器模块、LM555、电源模块、蜂鸣器、OLED屏等模块。本次毕业设计是基于STM32F103的嵌入式软件开发，是以C语言为基础的以keil软件编写的系统程序。3硬件电路设计自动纸张测量控制系统设计所用到的硬件和数量如表格3-1所示。器件的名称器件的数量电源OLED屏幕TPS566235稳压器TPS62840降压转换器单片机最小系统板电容传感器112111表3-1硬件清单3.1555电容式传感器测量电路通过电容传感器和555电路构成多谐振荡器,能够将所测得电容转化为频率,使平行板电容器的极距与频率成正比[2]。555电容式传感器测量电路如图3-1所示。图3-1555电容式传感器测量电路原理图通过基于555的电容式传感器测量电路，可以将平行板电容器的电容值转化为频率，通过U0管脚将频率传递给stm32f103单片机进行处理，通过单片机计算频率值与放入平行板电容器中的纸张的数量进行线性分析找出频率值与纸张数之间的关系。3.2OLED屏一种在电场作用下，载流子复合而产生的发光现象称为OLED。OLED是一种发光的固态设备，是在LED基础上进一步发展后的产物。OLED可被分为双层分别是发射层和导电层，发射层用于传输空穴,导电层用于传输电子。该器件是用作显示被测量纸张数量的，OLED屏电路原理图如图3-2所示。图图2.3OLED电路图图3-2OLED液晶屏原理图使用OLED屏幕的目的在于通过OLED屏幕来显示测量的纸张数量，它的工作原理是OLED采用8080模式，首先就是进行将数据放到数据口的操作，然后可以读取我们想要的数据，数据开始读取RD电平开始升高，将数据锁存在D7上，当数据开始进行写入WR电平开始上升，最后要拉高CS和DC[3]。3.3蜂鸣器电路蜂鸣器电路是用于检测电容器两极板间是否出现了短路，当两极板间短路时，蜂鸣器将发出警报，来提示极板间短路，若未短路蜂鸣器将不发出警报。通过蜂鸣器电路就可以知道平行板电容器是否短路。图3-3蜂鸣器电路蜂鸣器，是与单片机连接的，因为单片机低电平的驱动能力要比高电平的驱动能力要大得多，所以当平行板电容器短路时，单片机输出低电平使蜂鸣器工作，这里的S8050三极管的作用是功率驱动[4]。3.4语音模块电路语音模块电路主控向语音模块发送指令，语音模块开始进行响应并根据主控所发来的指令来进行相应语音的播报[6]。其语音模块电路原理图如图3-4所示。图3-4语音模块电路单片机通过8个引脚与语音芯片一一相连，每个引脚对应一个语音，当某个引脚变成高电平的时候，就播放对应的语音，单片机就通过控制引脚来控制播放语音，来播报当前所测量的纸张的数量。3.5STM32F103主控电路本次毕设所用到的控制核心为ST公司生产的STM32F103单片机，该单片机拥有较高的集成度和性价比，简单容易操作，可靠性能好，不受强加电流的干扰，适合进行自动控制，有大规模的集成库存储区和大量外围模块，其中包括A/D和D/A转换模块，晶振采用了4-16MHz频率。STM32F103内部的RC振荡电路频率为40kHz，是基于Cortex-M3处理器内核[5]，具有丰富的外设，并且低功耗便于整体效率的提高，完全可以实现题目要求。STM32F103的原理图正如图3-5所示。图3-5单片机STM32F103原理图单片机stm32f103是主控系统，通过主控系统控制OLED液晶显示屏、蜂鸣器、并计算处理来自平行板电容器的频率，通过频率与纸张数量之间的线性关系计算出放入平行板电容器之间的纸张的数量。3.6TPS566235稳压器自动纸张测量控制系统对电压的要求极为精细所以必须要用到稳压器，稳压器的作用在于它能够自动的调整输出的电压保证电压的稳定，使电压值始终保持在稳定的工作环境下[7]。稳压电路如图3-6所示。图3-6直流5V电路图3.7TPS62840降压转换器降压转化器是用来将电压进行降低的，在此次设计中PS62840降压转换器[8]是将来自555电容式传感器的电压进行降低，使其保持在一个可以被输入的状态下。TPS62840降压转换器的原理图如图3-7所示。图3-7TPS62840降压转换器原理图4软件设计4.1软件流程设备运行过程如下：设备开始运行先经过初始化然后开始校准检测是否出现短路，若出现短路则会在OLED屏幕上显示短路字样并通过蜂鸣器发出警报。若未发生短路继续执行接下来的操作，单片机开始检测电路的频率，并计算出纸张的数目，最后显示在OLED屏幕上，并语音播报纸张数。系统流程图如图4-1所示。图图4-1程序流程图自动纸张测量系统在软件的设计中需要完成以下功能:通过此设备实现自动测量出放入设备中纸张的数量，并通过OLED屏幕显示纸张的数量，若未放入纸张让两极板接触将会通过蜂鸣器发出警报提示两极板短路。4.2OLED屏幕显示程序自动纸张测量系统中OLED屏幕主要功能是用来显示所测量纸张的数量。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'); }}//显示一个字符号串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频率计算程序自动纸张测量系统的测量原理是通过测量放入平行板电容器[9]两极板间纸张所产生的频率与纸张数量之间的线性规律进而来测量纸张数量。 while(1) { timestap=get_TimeStap()/10;//Add100by1s if(Timerflag==1) { Timerflag=0; FreVal=FreQueue_Calu();//计算频率 } 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)//按下按键后,2s出结果 { uint16_ti=1; key_flag=0; FreVal=FreQueue_Calu();//计算频率5测试分析5.1测试仪器测试仪器有数字万用表，直流稳压电源，示波器，信号发生器，秒表，直尺等。5.2测试条件在平行板电容器，纸张规格等各项指标都满足要求的情况下对各项要求进行多次测试。5.3测试方案分别改变555谐振电路中R1和R2的阻值，找到放置纸张数量对应频率线性度最好情况时的R15.4测试数据结果表1测试数据(R1=500放置纸张数量147101316192225283134R223591015162419202324R2148101115181823252526R2147101216202022272633R2147101416192324283034表2测试数据(R2=500放置纸张数量147101316192225283134R1=40025781017152323242627R112591214202225262829R123691215172326272932R114791316182224283035表3测试数据(R1=100KΩ，放置纸张数量12345678910测得的纸张数量12345678910表4每次测量从按下同一测量启动键到发出蜂鸣的时间t测试数据第N次测量12345678910时间t/s1121311211表5测试数据(R1=100ΚΩ，R放置纸张数量15161718192021222324252627282930测得的纸张数量15161718192021222324252627282830表6测试数据(R1=100KΩ，放置纸张数量31323334353637383940414243444546测得的纸张数量313234343536373839404142424545475.5测试结果及误差分析5.5.1测试结果经过测量与计算，纸张计数显示装置有如下的功能：（1）自动纸张测量控制系统具有“自动校准”的功能。（2）自动纸张测量控制系统可以检测出平行板电容器两端是否短路，若出现短路的情况将会通过蜂鸣器发出警报（3）自动纸张测量控制系统能够准确无误的测量出放入平行板电容器之间的纸张的数量（4）实现语音播报纸张数量的功能，实时记录频率的功能和显示计时时间的功能，并且当测量时间超过5秒时，LED会闪烁报警。经测试结果中的六个表格可以得知，该装置可以完美实现纸张测量的功能。在整个测试中，通过分别固定555振荡器中R1和R2的阻值，选取不同的R2和R1的阻值[10]，可以比较出当R1=100KΩ，5.5.2误差分析1.系统误差：由于装置纯手工制作，系统结构稳定会受到一定的影响，并且平行板电容器受多种因素干扰，例如外接电磁干扰，系统自干扰等，从而指标数据存在误差。2.人为误差：纸张摆放不整齐，测试时两极板没有严格对齐致使正对面积发生变化，在测量装置指标数据时造成误差。6结论本次毕设自动纸张测量系统，可以很好的完成对纸张数量的测量并进行语音播报。自动纸张测量控制系统对于人类来说有很重要的作用，可以代替人来进行快速纸张的计数并且可以拓展到用于鉴定纸张厚薄等残次品的鉴别，大大加速了造纸行业的快速发展。通过对自动纸张测量系统的检测，发现在测试过程中两极板是否对齐会影响到频率的大小进而影响到测试结果的准确性。平行板电容器两极板对放入其中纸张的压力大小也会影响到测量的精度，要保证平行板电容器两极板对放入其中的纸张要有相同的压力，才能保证测量的准确性。要保证数据尽可能的准确要选取导电性能和抗干扰能力强的导线以防受到外界的影响导致测试结果出现问题。选取的平行板电容器极板要保证有足够的强度不易变形若变形会导致测试数据出现偏差导致测量结果错误。555振荡器电路中电阻的选择，参考上面数据测试，可得两个电阻的阻值都为100k。通过对自动纸张测量系统的检测和修改最终可以完美实现其功能。参考文献[1]陈彦涛.基于模糊设定值加权IMC-PID算法的纸张定量控制[J].包装工程,2018,39(21):157-162.[2]浅谈电容式传感器原理及测量电路[J].王前洪.

科技与企业.

2014(21)[3]刘明.有源OLED显示驱动控制电路分析与设计[J].中国高新技术企业,2017(02):24-26.[4]徐玮.51单片机综合学习系统——蜂鸣器、继电器篇[J].电子制作,2007(12):62-63.[5]陈旭辉.基于stm32f103的多串口并行设计[J].计算及测量与控制,2019,(15):11-17.[6]李世红,蒋海潮.简易智能语音模块的设计与实现[J].电子设计工程,2011,19(22):191-192.[7]S.L.S.LimaBarcelos,RobsonF.S.Dias,A.J.G.Abrantes-Ferreira,AndréG.P.Alves,EdsonHirokazuWatanabe.DynamicDirectVoltageController(D2VC)forgridswithintermittentsources[J].ElectricPowerSystemsResearch,2020,182.[8].TI推出了三款全新一代电源产品:36Vin电源模块,5.5Vin降压转换器,高压GaN功率级[J].世界电子元器件,2018(11):4-7.[9]居津.定量探究平行板电容器电容的简易装置设计[J].物理教师,2020,41(01):49-50+54-55.[10]努尔波拉提·马米.一种多谐振荡器的优化设计[J].数字技术与应用,2015(10):184+186.AutomaticPaperMeasurementControlSystemWangMinghao(CollegeofPhysicsandElectricity,DezhouUniversity,Shandong253023)AbstractThesystemconsistsofSTM32F103singlechipmicrocomputer,TPS566235voltageregulator,TPS62840voltageconverter,buzzer,OLEDscreen,keyandothermodules.Thesystemrunssmoothly,hasstronganti-disturbanceability,hascompletedthetopicbasicdesignrequestverywell,canaccuratelymeasureanddisplaythepaperquantity.also,onthisbasis,weincreasethenumberofreal-timenewspapersheetsbroadcastbyvoicemodule,increasethefilerecordingfrequencyfunctionanddisplaytimingtimefunction,andwhenthemeasurementtimeismorethan5seconds,LEDflickeralarmtomakethewholedevicemorecomplete.KeywordsSTM32F103；TPS566235regulator；TPS62840buckconverter；LM555,；capacitor；OLEDscree致谢本次自动纸张测量控制系统毕业设计能够顺利的完成，首先非常感谢我的指导老师董文会老师，感谢她在我准备毕业设计的这段时间悉心的指导，让我从一个对毕业设计一无所知的学生，开始了解了这个毕业设计的必要性和市场前景，导师总是及时的耐心的回复我的疑惑和难题，促成了这次毕业设计的顺利完成。最后，我还要感谢一下我的父母支持我上大学，感谢德州学院给我一个能够学习知识的平台，感谢老师们细心的教导，感谢同学们的帮助，让我能够顺利的完成我的学业，真的非常感谢你们，没有你们的帮助和陪伴，我也不会这么顺利的完成学业，谢谢你们，非常感谢！经过一个多月的的辛勤努力，终于完成了此次设计但是由于工作量大，时间很紧，我们还有很多需要改进的地方，比如产品的包装，电路布局等方面，有很多值得需要以后后改进的地方，相信经过改进后性能一定会进一步提升。虽然在制作的过程当中遇到了重重困难和障碍，但是我们知道要取得最后的成功，挫折是必然存在的，所有的这一切使我们不仅能学到更多的科学知识，还能很好的锻炼我们的意志，这次毕业设计会是我们人生中最宝贵的财富，在今后的科研和生活中我们还会更加努力！附录一：附录图附录图1总硬件原理图附录2部分程序源码#include"Timer.h"#include"led.h"#include"zxp_queue.h"#include"key.h"#include"oled.h"voidTIM_FreInit(void){ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; RCC_APB1PeriphClockCmd(CLK_CALU(Fre_TIMxPORT),ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(CLK_CALU(Fre_GPIOPORT),ENABLE); GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=Fre_GPIOPIN; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(Fre_GPIOPORT,&GPIO_InitStruct); //TIM_TIxExternalClockConfig(Fre_TIMxPORT,TIM_TIxExternalCLK1Source_TI2,TIM_ICPolarity_Rising,0); TIM_ETRClockMode2Config(Fre_TIMxPORT,TIM_ExtTRGPSC_OFF,TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted,0); TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=65535; TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=0; TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(Fre_TIMxPORT,&TIM_TimeBaseInitStruct); TIM_ITConfig(Timing_TIMxPORT,TIM_IT_Update,ENABLE); TIM_ClearFlag(Fre_TIMxPORT,TIM_FLAG_Update); TIM_SetCounter(Fre_TIMxPORT,0); TIM_Cmd(Fre_TIMxPORT,ENABLE);}voidTIM_TimingInit(uint16_tarr,uint16_tpsc){ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct; RCC_APB1PeriphClockCmd(CLK_CALU(Timing_TIMxPORT),ENABLE); NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=Timing_TIMxIRQN; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=2; NVIC_Init(&NVIC_InitStruct); TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=arr; TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=psc; TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(Timing_TIMxPORT,&TIM_TimeBaseInitStruct); TIM_ClearITPendingBit(Timing_TIMxPORT,TIM_IT_Update); TIM_SetCounter(Timing_TIMxPORT,0); TIM_ITConfig(Timing_TIMxPORT,TIM_IT_Update,ENABLE); TIM_Cmd(Timing_TIMxPORT,ENABLE); }uint8_tTimerflag=0,ShortCircuitflag=0,Verify_DubugFlag=0;charstr_OLED[50];//#defineCLEAR_OR_NOT_METHOR_MODE 1#ifdefCLEAR_OR_NOT_METHOR_MODE voidTIM3_IRQHandler(void){ staticuint16_tval=0,last_val=0,mid_val=0; if(TIM_GetITStatus(Timing_TIMxPORT,TIM_IT_Update)==SET) { Queue_Pop(&val);//最