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基于STM32的智能纸张检测装置设计

一、选题的目的和意义

本课题研究目的设计一款基于单片机控制的智能纸张测量装置，随着社会的发展，人们生活水平的提高，对印刷制品的需求也在不断增强，促使印刷行业快速发展，相关企业为了准确掌握货物的库存情况，大量的纸张需要准确快速地进行计数。传统的计数方式多以电机驱动机械装置或者人工的方式来进行，这种方式在工业生产中会造成各种成本的提高，不适应现代化工业生产。市场上最新的计数方式是图像识别技术，但实现难度比较大，环境会影响到计数准确性。本设计采用一种极板电容传感器作为纸张计数的检测元件，利用STM32单片机控制，可将纸张计数装置的经济成本大幅降低，电路的实现比较简单、高效、无噪声且不会造成纸张的损害。只需将纸张放在电容传感器极板之间，计数装置通过测量电路采集信息，送到单片机进行处理，即可完成纸张数量的测量。

在金融行业和印刷行业中，传统的纸张计数主要采用机械计数设备与物理粗略计算等办法，但采用机械设备计数广泛存在噪声大、速度有限、精准度不高的缺点，对于纸张的尺寸和厚度以及材质有一定的要求，容易对纸面进行磨损，需要多次测量数据，存在机械误差、人为误差等因素，准确性不高，并且过程耗时耗力。随着传感器技术的不断发展，传感器在生产生活中具有广阔的应用，电容式传感器具有稳定性好、结构简单、灵敏度高等优点。采用单片机和传感器进行通信获取当前所采集的电容值，并通过单片机的滤波算法以及拟合算法能够准确地测量出当前的实际纸张数量，提高了装置的测量精度，减小了测量过程的噪声，也能适应多种纸张的材质，提高了纸张测量装置的智能化，具有现实意义。

二、相关文献综述

目前普遍性，技术方法是采用机械装置，通过机械运转实现纸张计数操作（如点钞机）。这些技术装置机械结构多样、使用的产品单一，同时他们需要接触计数对象，会对计数对象带来一定的损坏、影响产品的合格率。此设计是基于STM32F103RCT6单片机作为主控制器，FDC2214作为主要的测量模块来测量置于两极板间的纸张的电容，并通过卡尔曼滤波算法对接收到的电容数据进行处理并利用分段最小二乘法拟合，利用一定的硬件设计尽可能地减少该模块受到的外界干扰，实现对极板间纸张数据的准确判断。根据应用成本和性能要求，在可以完成预期效果的基础上，尽可能地选取性价比最高的单片机，同时技术准确、操作简单有利于提升生产效率、节省成本。

本设计中两个平行极板分别通过两根导线连接在电容传感器FDC2214上，再通过IIC接口与开发板相连接，开发板上自带电源模块连接到5V电源即可。通过USB串口即可下载程序到开发板中运行测量两极板间的纸张数量。

由于此设计的包含方面较广，不仅需要搭建单片机硬件电路，确定用来完成测量的传感器，而且需要选择合适的滤波算法以及拟合算法，故此借鉴参考文献如下：

（1）在方案可能性方面：主要是参考文献[7]、[8]、[10]、[13]、[16]。由于此设计所采用的微控制器与传感器和外围电路相较于机械装置，可以大幅降低设计成本，以及测量步骤简单、精度高且对纸张无损害等优点，确定方案可行。

（2）在器件选型方面：主要是参考文献[1]、[3]、[7]、[11]、[12]、[17]、[22]，微控制器采用STM32，此单片机具有高达72M的主频，且具有多种通信方式，实现功能方便。传感器主要采用德州仪器（TI）的高分辨率电容数字转换器FDC2214，该芯片精度高，测量电容准确，电容实现简单，可以对噪声和干扰进行高度抑制。具有低功耗，4通道的接触式感测技术，用来测量纸张的数量，根据纸张数量不同时两极板间的电容值不同可以准确进行分辨。

（3）在软件算法方面：主要是参考[2]、[4]、[7]、[14]、[17]、[18]、[21]、[23]、[24]、[25]，本设计采用卡尔曼滤波算法，在使用传感器进行测量时，当外界环境具有干扰导致测量值不准确时，卡尔曼滤波算法也能推算出正确的测量值。在得到准确的测量值后采用分段最小二乘法拟合的方式，将不同纸张所测得不同的电容值分别通过数学方法进行分段拟合，来准确地测量出纸张的数量。

（4）在技术性可行方面：主要是参考文献[5]、[6]、[8]、[9]、[10]、[15]、[19]、[20]，本设计基于单片机可实现弱电间的无线互联数据通信、信号无线传输的基本原理。利用电容传感器可以实时自动检测出两极板间所组成的电容器的电容，与进行自校准的电容值进行对比，即可实现测量两极板间纸张数量。

三、研究内容

（一）研究内容

1.确定研究范围。基于STM32的智能纸张检测装置设计研究范围进行界定，搜集相关研究的文献资料；了解电容传感器测量纸张的工作原理，通过调研，确定该设计研究范围，分析该项目的设计内容，要实现的主要功能。

2.制定研究方案。选择几个典型的纸张检测装置设计作为参考，根据传感器的选择以及控制算法的不同来定制方案，列出可选方案，实现智能纸张检测装置的设计。

3.系统设计实现。采用单片机作为主控制器进行运算和控制，使用电容传感器作为主传感器对纸张之间间隙的电容值进行测量。至少应具备以下功能：

（1）合理的电路硬件、软件设计；

（2）能准确测量0~30张不等的给定纸张数；

（3）WIFI、蓝牙启动测量、切换测量模式和获取当前测量纸张数；（4）OLED屏幕实时显示当前的测量纸张数。

（二）论文（设计）提纲

引论

1课题研究背景

1.1选题背景和意义

1.2发展现状及前景

1.3设计任务与思路

2方案选择与论证

2.1设计内容及要求

2.2测量方案选择与论证

2.3主控芯片选择与论证

3系统硬件设计

3.1总体框图设计

3.2单片机最小系统板设计

2.3FDC2214电容传感器设计

3.4蓝牙模块

3.5WIFI模块设计

4系统软件设计

4.1主程序设计

4.2FDC2214模块子程序设计

4.3卡尔曼滤波算法子程序设计

4.4最小二乘法分段拟合子程序设计

4.5蓝牙通信子程序设计

4.6WIFI通信子程序设计

5系统调试与分析

5.1设计环境

5.2实物调试

结语

四、研究方法、步骤及措施等

（一）研究方法

1.文献分析法

通过图书馆以及知网、百度学术等学术网查阅此设计所涉及的相关技术文献，并分析文献中相关技术的具体实现方法，为论文的撰写以及毕业设计的实物制作打下基础。

2.理论和实践相结合开发法

选择基于微控制器与传感器进行通信的合适方法，在考虑硬件设计的同时还应考虑硬件设备的设计是否能够最好的进行测量，选择合适的硬件设备来保证测量过程中能实时保持测量的最大精度。

（二）研究步骤和措施

1．知识储备阶段

通过查阅知网文献以及往届全国大学生电子设计大赛设计方案，分析总体设计方

案、往届设计中所用到的电容值测量方案与算法的实现方法。

2.调研和需求设计阶段

根据当前传统纸张测量装置，选择合适的控制器、传感器以及控制算法，实现简易的两极板间纸张测量装置并能进行无线通信，初步确定论文整体框架，撰写此设计

的开题报告。

3.初步设计阶段

针对需求，结合自己所掌握的大数据知识初步研发本系统，初步设计出整体需要完成的功能，以及对数据库的概要和详细设计，遇到难题及时与指导老师联系解决。4.完善设计和论文初稿形成阶段

根据此设计所需完成的功能，学习相关的陌生模块知识，查阅相关资料并初步完成单个模块的各个功能，并对此设计有一个整体的框架，遇到难题及时与指导老师联系解决。

5.成文和评审阶段

对此设计的整个系统完成参数的调试以及测试，确保能够完成所有的设计要求，并完成论文的定稿，将系统和论文定稿提交指导老师评审。

6.毕业论文（设计）答辩

研究措施：

（1）使用STM32F1系列单片机作为智能纸张检测设计的主控制器，并进行使用c语言通过调用标准库API接口函数来完成程序的编写。

（2）使用AD20进行硬件电路的设计，绘制原理图、打板并焊接STM32F1最小系统板、检测模块。

（3）电路的接线，准备测量环境并使用串口通讯调试，加入无线通信调试。（4）对系统进行整体调试、运行后，根据测量结果进行分析。

进度安排

1查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能，论文写作大纲，撰写开题报告。教师召集学生面谈，进行论文开题指导，讲解开题报告写作注意事项；学生查阅文献，总结提炼论文写作大纲，教师修改论文大纲，完善论文结构，完成开题报告

2独立设计，修改设计和修改论文，中期检查。在这阶段指导老师与学生要经常交流，老师指导，学生根据老师的要求完善系统和修改论文
3中期检查

4设计、论文完成和定稿。按照学校论文格式要求调整论文格式和排版，形成定稿

5设计和论文验收与评审。学生对论文查重并提交符合学校要求的查重报告，重复率控制在30%以内。指导老师和评阅老师对论文进行评审，形成评审意见和成绩

6毕业论文（设计）答辩。学生准备所有毕设资料，制作汇报PPT，按照学院统一时间要求参加毕设（论文）答辩

7论文档案材料整理存档

六、主要参考文献

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[3]屈霞.单片机原理及接口技术[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2019:37-65.

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