2019电子设计大赛：纸张计数显示装置

纸张计数显示装置设计报告

摘要：纸张计数显示装置采用STM32F103单片机作为系统控制芯片，选用555振荡电路和极板电容进行数据采集，检测纸张数，经过单片机内部的AD转换送内部处理, 经处理后输送至JLXLCD12864液晶显示模块实现实时显示，通过键盘电路实现相应的功能，蜂鸣器在显示被测纸张数时发出鸣声，电路内部使用555多谐振荡电路产生由纸张数量引起的两极板间电容变化导致的负脉冲低电平持续时间的变化量，并通过单片机采集该变化量，进而利用相应的软件程序计算出纸张数量并显示于液晶屏上。该设计采用了集成模块化的设计思路，使整个系统更加的直观与简单，故障率低、可靠性高，系统的运转比较稳定与比较高的效率，设计成本比较低。
关键词：555多谐振荡 STM32F103 JLXLCD12864
1方案论证
1.1 方案比较与选择
方案一：555多谐振荡纸张测试电路。通过纸张的减少或增加改变电容两极板之间的距离进而改变电容，达到改变频率或周期的效果。
方案二：平衡电桥纸张测试电路。将由单片机产生的SPWM波经三级RC低通滤波电路后产生标准正弦信号输入经过仪用放大器抑制同频同相的共模信号，放大差模信号，得到相应的电压、电流，进而计算出电容的容抗。
选择方案：555多谐振荡测试电路简单，调试方便，能够较准确地测出纸张数量。平衡电桥纸张测试电路虽然能够屏蔽电磁干扰，测量误差较小，但电路较复杂，实现起来比较困难。所以选择方案一。
1.2 方案描述
系统方案框图如图1所示：

图1 系统方案框图
将纸张放入电容双极板内进行检测得到相应的电容量，输入至555多谐振荡电路，该电路产生由纸张数量引起的两极板间电容变化导致的负脉冲低电平持续时间的变化量，并通过单片机采集该变化量，进而利用相应的软件程序计算出纸张数量并显示于液晶屏上。
2 理论分析与计算
电容计算公式:
C=εS/δ=εS/4πkd
式中：S-------极板面积
δ------极板间距离
ε------真空介电常数
555定时器组成的多谐振荡电路如图2所示。采用555定时器组成的多谐振荡电路通过示波器定光标测量的电容充放电时间为tpH或tpL，

图2 555定时器多谐振荡电路
接通电源后，电容C被充电，当vc上升到2Vcc/3时，使vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，vc下降。当vc下降到Vcc/3时，vo翻转为高电平，电容器C放电所需时间为

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容充电，vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需时间为

当vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转到低电平。周而复始，在电路输出端就得到一个周期性的矩形波，波形如图3所示。

图3 矩形波
计算原理：放入张数不同的纸张，电容C的大小会发生改变，当电容大小发生变化，555多谐振荡器的周期频率也会发生改变，并用单片机采样电压获取数据进行分析得到结果。
3 硬件电路设计
3.1 STM32F103控制模块
STM32F103控制模块其内部结构图如图4所示:

图4 STM32F103控制模块
STM32优势：执行代码效率高、高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM,以72MHz频率从闪存执行代码，仅消耗 27mA电流。
STM32特点：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。单周期乘法和硬件除法。该系列微处理器工作频率设定在72MHz，高达128K字节的内置FIash 存储器和20K字节的SRAM,方便程序编写，而且具有丰富的通用I/0 端口。
2液晶显示模块
液晶显示模块如图5所示：

图5液晶显示模块电路原理图
LCD12864显示特点：具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。
LCD12864显示原理：将单价、重量、总价大小显示出来。
3蜂鸣器模块
蜂鸣器模块电路如图6所示。

图6 蜂鸣器模块
当三极管导通时，蜂鸣器发声，指示按键已按下；当三极管截止时，蜂鸣器停止工作，表示未有按键按下。其中，二极管的作用为保护电路。
蜂鸣器优点：
（1）不产生飞弧或者射频噪声，对其他线路无干扰；
（2）工作温度范围宽，便于安装，而且无电磁线圈和动圈，不必担心绝缘恶化，并无漏电的可能。
4 按键模块
按键模块电路如图7所示。

图7 按键模块电路
本系统由于采用按键数目较少，所以采用独立键盘独立按键式直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点式每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态。
5双极板电容模块
双极板电容模块如图8所示：

图8 双极板电容模块
双极板电容原理：电容的大小是由电容极板的正对面积S，电容极板间的距离d，以及介电常数ε决定的，即: C=εS/4πkd。
4 软件电路设计
软件设计流程图如图9所示：

图9 软件设计流程图
5 测试
5.1 测试方案
测试设备见附录4，固定实验装置，将不同张数纸张放入待测区，进行检测通过液晶进行显示得到纸张数目，记录数据并制图，重复多次。
5.2 测试结果

6 结论
系统结构合理，性价比高，电路实现校验功能，电路可自检并通过蜂鸣器报告极板 A 和极板 B 电极之间是否短路，能准确测量1-35纸张数目，达到或超过题目要求。
参考文献
[1]《电子技术基础》康华光著.北京：高等教育出版社，2006.
[2]《STM32单片机应用基础与项目实验》屈微,王志良著.北京：清华大学出版社，2019.
[3]《Altium Designer 14 PCB设计教程》彭远芳,黄晓峰著.北京：清华大学出版社，2017.
[4]《信号与系统》ALAN VOPPENHEIM著，西安:西安交通大学出版社，1997.
[5]《单片机原理及应用》，李建忠著，西安:西安电子科技大学，2002.
[6]《ARM&Limux嵌入式系统教程》马忠梅等著，北京:北京航空航天大学出版社，2004.

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