CN110823260A - 一种基于电容传感器纸张数量检测装置及其数量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容传感器纸张数量检测装置及其数量检测方法。常规纸张计数装置容易受到其他干扰因素影响如环境温度、湿度及人体接近对电容信号的干扰。本发明一种基于电容传感器纸张数量检测装置，包括纸张测量装置和检测电路。纸张测量装置包括第一金属极板、第二金属极板、固定板和滑动板。检测电路包括电源模块、控制模块和信号输入模块。信号输入模块包括电容传感器。本发明采用双极板对纸张整体厚度返回电容信号的数据处理能快速高效得出纸张数量，改变了传统基于机械结构对纸张逐一计数的复杂方式提高了计数效率。此装置能够应用于多种办公场景适用于多种规格纸张。

Description

一种基于电容传感器纸张数量检测装置及其数量检测方法

技术领域

本发明属于纸张检测计数技术领域，具体涉及一种基于电容传感器纸张数量检测装置 及其数量检测方法。

背景技术

纸张计数具有以下难点：1.纸张计数的正确性是第一标准由于每一张纸厚度极小对传 感器精度要求较高；2.纸张计数装置容易受到其他干扰因素影响如环境温度、湿度及人体 接近对电容信号的干扰；3.由于不同纸张会存在使用新旧上的不同，较为旧的纸张会有褶 皱明显增加了误差产生不容易正确计数使计数精度较低。因此需要设计一种能够准确纸张 计数的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电容传感器纸张数量检测装置及其数量检测方法。

本发明一种基于电容传感器纸张数量检测装置，包括纸张测量装置和检测电路。所述 的纸张测量装置包括第一金属极板、第二金属极板、固定板和滑动板。滑动板与固定板相 对滑动。固定板、滑动板的相对侧面分别固定有第一金属极板、第二金属极板。第一金属 极板与第二金属极板正对设置。所述的检测电路包括电源模块、控制模块和信号输入模块。 电源模块为信号输入模块和控制模块供电。

所述的信号输入模块包括电容传感器。电容传感器的IIC时钟引脚接电阻R3的一端及 控制模块的IIC时钟端，IIC数据传输引脚接电阻R4的一端及控制模块的IIC数据端。电 阻R3及电阻R4的另一端均接电源模块的供电输出端。电容传感器的SD引脚接地。电容传感器的VDD引脚接电容C5、电容C6的一端及电源模块的供电输出端。电容传感器的 GND引脚、电容C5、电容C6的另一端均接地。电容传感器的两个第一输入引脚与电感 L1的两端分别相连，并与电容C7的两端分别相连。电容传感器的两个第一输入引脚与纸 张测量装置中第一金属极板、第二金属极板分别连接。

作为优选，所述电容传感器的型号为FDC2214。

作为优选，所述的纸张测量装置还包括导柱。四根导柱的底端与固定板的四个角分别 固定。滑动板的四个角均固定有导套。四个导套与四根导柱分别构成滑动副。

作为优选，所述的检测电路还包括显示模块。所述的显示模块包括LCD显示屏和三极 管Q1。LCD显示屏的型号为LCD12864。LCD显示屏的1引脚接地，2及19引脚接电源 模块的供电输出端，3引脚接可调电阻R6的电刷，18引脚接可调电阻R6内电阻体的一端。 可调电阻R6内电阻体的另一端接地。LCD显示屏的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、 14、15、17引脚均与控制模块连接。

作为优选，所述的检测电路还包括矩阵按键。所述矩阵按键的八个输出引脚均与控制 模块连接。

作为优选，所述的电源模块包括降压芯片、稳压管DZ1和显示数码管。数码管采用共 阳型数码管；降压芯片的型号为LM2596S-5.0。降压芯片的1引脚接发光二极管LED1、 电容C10的正极、电容C11的一端及外部输入电压。发光二极管LED1的负极接电阻R2 的一端。降压芯片的3、5引脚、电容C10的负极、电阻R2及电容C11的另一端均接地。 降压芯片的2引脚接电感L2的一端及稳压管DZ1的负极。稳压管DZ1的正极接地。降压 芯片的4引脚接电感L2的另一端、电容C14的一端、电容C12及电容C13的正极。降压 芯片的6引脚、电容C12、电容C13的负极及电容C14的另一端均并接地。电感L2远离 降压芯片的那端即为电源模块的供电输出端。

作为优选，所述的控制模块包括控制器。控制器采用型号为STM32F103ZET6的单片机。控制器的8引脚接电阻R33的一端。电阻R33的另一端接电容C11及第一晶振X2的 一端。电容C11的另一端接地。控制器的9引脚接电阻R34的一端。电阻R34的另一端接 电容C12及第一晶振X2的另一端。电容C12的另一端接地。控制器的138引脚接电阻R35 的一端。电阻R35的另一端接单刀双掷开关的动触头连接。单刀双掷开关的第一静触头接 电源模块的供电输出端，第二静触头接地。控制器的23引脚接电容C13及第二晶振X3 的一端，24引脚接电容C14的一端及第二晶振X3的另一端。电容C13及电容C14的另一 端均接地。控制器的25引脚接电阻R37、电容C15的一端及复位按钮B1的一个接线端。 电阻R37的另一端接电源模块的供电输出端。电容C15的另一端及复位按钮B1的另一个 接线端均接地。控制器的34引脚接电源开关S1的一端。电源开关S1的另一端接电源模 块的供电输出端。控制模块的44引脚为控制模块的IIC时钟端，45引脚为控制模块的IIC 数据端。

该基于电容传感器纸张数量检测装置的数量检测方法，具体步骤如下：

步骤一：建立纸张测量各纸张数阈值数据库。

1-1.将1赋值给k。

1-2.在第一金属极板与第二金属极板之间放入k张被测纸张。

1-3.使用者将滑动板向下滑动，使得第二金属极板与被测纸张的顶面接触。

1-4.电容传感器连续进行n次检测采样并发送给控制器。控制器计算出第一金属极板 输出的后n-50个检测结果的平均值，记为第k标准下检测值

控制器计算出第二金 属极板输出的后n-50个检测结果的平均值，记为第k标准上检测值

之后，进入步骤 1-5。

1-5.若k＜30，则将k增大1，并重复执行步骤1-2至1-4；否则，进入步骤1-6。

1-6.将

重新排序。将

重新排序。

步骤二：计算上数据增量cha_up如式(1)所示，下数据增量cha_down如式(2)所示。

步骤三、计算

的数值， k＝31,32,…,60；计算

的数值，

k＝31,32,…,60。

步骤四、建立上电容数据组G_up＝{g_up,1,g_up,2,......,g_up,60}和下电容数据组 G_down＝{g_down,1,g_down,2,......,g_down,60}。

其中，

k＝1,2,…,60；

CHx_SEL为预设频率； f_REFx为输入电容传感器的晶振频率；L、C分别为电容传感器的固定电感值、固定电容值。

步骤五、计算加权特征集合G′＝{g_sum,1,g_sum,2,...,g_sum,60}。g_sum,k的表达式如式(3)所示， k＝1,2,…,60。

g_sum,k＝1.67·g_up,k+0.33·g_down,k 式(3)

步骤六、将需要检测数量的一叠被测纸张，使得被测纸张的一侧边缘和固定板的一侧 边缘齐平。电容传感器连续进行n次检测采样并发送给控制器。控制器计算出第一金属极 板输出的后n-50个检测结果的平均值，记为目标下检测值控制器计算出第二金属 极板输出的后n-50个检测结果的平均值，记为目标上检测值

步骤七、分别计算目标上电容值

目标下电容值

其中

步骤八、计算加权目标值g′_sum＝1.67·g′_up+0.33·g′_down。若g_sum,a≤g′_sum<g_sum,a+1，则a即 为第一金属基板与第二金属基板之间被测纸张的数量。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用双极板对纸张整体厚度返回电容信号的数据处理能快速高效得出纸张数 量，改变了传统基于机械结构对纸张逐一计数的复杂方式提高了计数效率。此装置能够应 用于多种办公场景适用于多种规格纸张。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中检测电路的系统框图；

图3是本发明中电源模块的电路原理图；

图4是本发明中控制模块的电路原理图；

图5是本发明中信号输入模块的电路原理图；

图6是本发明中显示模块的电路原理图；

图7是本发明中矩阵按键的电路连接图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种基于电容传感器纸张数量检测装置，包括纸张测量装置和检测 电路1。纸张测量装置包括第一金属极板2、第二金属极板3、导柱4、固定板5和滑动板 6。四根导柱4的底端与固定板5的四个角分别固定。滑动板6的四个角均固定有导套。四 个导套与四根导柱4分别构成滑动副。固定板5、滑动板6的相对侧面分别固定有第一金 属极板2、第二金属极板3。第一金属极板2与第二金属极板3正对设置。第一金属极板2、 第二金属极板3分别通过导线接入电容传感器的检测电路1。厚度检测时，第一金属极板2、 第二金属极板3分别置于测试纸张上下两侧。

如图3所示，检测电路1包括电源模块1-1、控制模块1-2、信号输入模块1-3、显示模块1-4和矩阵按键U5。电源模块通过稳压模块为信号输入模块、控制模块及显示模块供电。信号输入模块1-3采集第一金属极板2、第二金属极板3上的电位数据并转化为数字 信号传输给控制模块1-2。显示模块1-4通过LCD显示屏显示检测出的纸张数量。

如图4所示，电源模块1-1包括降压芯片U4、稳压管DZ1和显示数码管。数码管采 用共阳型数码管；降压芯片U4的型号为LM2596S-5.0。降压芯片U4的1引脚接发光二极 管LED1、电容C10的正极、电容C11的一端及外部输入电压VDD。外部输入电压VDD 的电压值为8.5V。发光二极管LED1的负极接电阻R2的一端。降压芯片U4的3、5引脚、 电容C10的负极、电阻R2及电容C11的另一端均接地。降压芯片U4的2引脚接电感L2 的一端及稳压管DZ1的负极。稳压管DZ1的正极接地。降压芯片U4的4引脚接电感L2 的另一端、电容C14的一端、电容C12及电容C13的正极。降压芯片U4的6引脚、电容 C12、电容C13的负极及电容C14的另一端均并接地。电感L2远离降压芯片U4的那端即 为电源模块1-1的供电输出端VCC。

如图5所示，控制模块1-2包括控制器U1。控制器U1采用型号为STM32F103ZET6 的单片机。控制器U1的8引脚接电阻R33的一端。电阻R33的另一端接电容C11及第一 晶振X2的一端。电容C11的另一端接地。控制器U1的9引脚接电阻R34的一端。电阻 R34的另一端接电容C12及第一晶振X2的另一端。电容C12的另一端接地。控制器U1 的138引脚接电阻R35的一端。电阻R35的另一端接单刀双掷开关BOOT0的动触头连接。 单刀双掷开关BOOT0的第一静触头接电源模块1-1的供电输出端VCC，第二静触头接地。 控制器U1的23引脚接电容C13及第二晶振X3的一端，24引脚接电容C14的一端及第 二晶振X3的另一端。电容C13及电容C14的另一端均接地。控制器U1的25引脚接电阻 R37、电容C15的一端及复位按钮B1的一个接线端。电阻R37的另一端接电源模块1-1 的供电输出端VCC。电容C15的另一端及复位按钮B1的另一个接线端均接地。控制器 U1的34引脚接电源开关S1的一端。电源开关S1的另一端接电源模块1-1的供电输出端 VCC。控制模块1-2的44引脚为控制模块1-2的IIC时钟端SCL，45引脚为控制模块1-2 的IIC数据端SDA。

如图6所示，信号输入模块1-3包括电容传感器U2。电容传感器U2的型号为FDC2214。 电容传感器U2的IIC时钟引脚(1引脚)接电阻R3的一端及控制模块1-2的IIC时钟端 SCL，IIC数据传输引脚(2引脚)接电阻R4的一端及控制模块1-2的IIC数据端SDA。 电阻R3及电阻R4的另一端均接电源模块1-1的供电输出端VCC。电容传感器U2的SD 引脚(6引脚)接地。电容传感器U2的VDD引脚(7引脚)接电容C5、电容C6的一端 及电源模块1-1的供电输出端VCC。电容传感器U2的GND、PAD引脚、电容C5、电容 C6的另一端均接地。电容传感器U2的两个第一输入引脚(9、10引脚)与电感L1的两端 分别相连，并与电容C7的两端分别相连。电容传感器U2的两个第一输入引脚(9、10引 脚)与纸张测量装置中第一金属极板2、第二金属极板3分别连接。电容传感器U2的其余 引脚悬空。

如图7所示，显示模块1-4包括LCD显示屏U3和三极管Q1。LCD显示屏U3的型号 为LCD12864。LCD显示屏U3的1引脚接地，2及19引脚接电源模块1-1的供电输出端 VCC，3引脚接可调电阻R6的电刷，18引脚接可调电阻R6内电阻体的一端。可调电阻 R6内电阻体的另一端接地。LCD显示屏的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、 17引脚与控制器U1的第一I/O口至第十三I/O口(135、136、137、10、11、12、13、14、 15、16、17、140、134引脚)分别相连。LCD显示屏U3的其余引脚悬空。

如图7所示，矩阵按键U5的八个输出引脚与控制器U1的第十四I/O口至第二十一I/O 口(114、115、116、117、118、119、122、123引脚)分别相连。控制器U1的其余引脚 悬空。矩阵按键U5采用4*4的矩阵按键，用于设置和切换模式。

该基于电容传感器纸张数量检测装置的数量检测方法的具体步骤如下：

步骤一：将上极板抬高悬空至预设高度，电容传感器U2连续进行100次检测采样并发送给控制器U1。控制器U1计算出100个检测结果的平均值，记为空载阈值。

步骤二：将上极板与下极板贴合，电容传感器U2连续进行100次检测采样并发送给控制器U1。控制器U1计算出100个检测结果的平均值，记为短路阈值。

步骤三：建立纸张测量各纸张数阈值数据库。

3-1.将1赋值给k。

3-2.在第一金属极板2与第二金属极板3之间放入k张被测纸张。使得被测纸张的一 侧边缘和固定板5的一侧边缘齐平。

3-3.使用者将滑动板6向下滑动，使得设置在滑动板6上的第二金属极板3与被测纸 张的顶面接触。

3-4.电容传感器U2连续进行n次检测采样并发送给控制器U1，n＝250。控制器U1计算出第一金属极板2输出的后n-50个检测结果的平均值(即舍弃本步骤的前50个检测结果)，记为第k标准下检测值控制器U1计算出第二金属极板3输出的后n-50个 检测结果的平均值，记为第k标准上检测值

之后，进入步骤3-5。

3-5.若k＜30，则将k增大1，并重复执行步骤3-2至3-4；否则，进入步骤3-6。

3-6.将

通过冒泡排序法按照从小到大的排列重新排序，并重新赋 予下标，使得

将通过冒泡排序法按照从小到 大的排列重新排序，并重新赋予下标，使得

步骤四：计算上数据增量cha_up如式(1)所示，下数据增量cha_down如式(2)所示。

步骤五、计算的数值，具体为

k＝31,32,…,60；计算

的数值，具体为

k＝31,32,…,60。

步骤六、建立上电容数据组G_up＝{g_up,1,g_up,2,......,g_up,60}和下电容数据组 G_down＝{g_down,1,g_down,2,......,g_down,60}。

其中，

k＝1,2,…,60；f_up,k为第二金属 基板对应的数据寄存器转换的结果，其表达式为

f_down,k为第 一金属基板对应的数据寄存器转换的结果，其表达式为

CHx_SEL为预设频率，其值为5～10mhz；f_REFx为输入电容传感器U2的外部晶振频率， 其由控制器U1输入；L、C分别为电容传感器U2的固定电感值、固定电容值。

步骤七、计算加权特征集合G′＝{g_sum,1,g_sum,2,...,g_sum,60}。g_sum,k的表达式如式(3)所示， k＝1,2,…,60。

g_sum,k＝1.67·g_up,k+0.33·g_down,k 式(3)

本步骤中得到的加权特征集合G′均存入控制器U1的Flash中，且加权特征集合G′能 够通过显示模块1-4转为图像供使用者校验。

步骤八、将需要检测数量的一叠被测纸张，使得被测纸张的一侧边缘和固定板5的一 侧边缘齐平。电容传感器U2连续进行n次检测采样并发送给控制器U1。控制器U1计算 出第一金属极板2输出的后n-50个检测结果的平均值，记为目标下检测值控制器 U1计算出第二金属极板3输出的后n-50个检测结果的平均值，记为目标上检测值

步骤九、分别计算目标上电容值

目标下电容值其中

步骤十、计算加权目标值g′_sum＝1.67·g′_up+0.33·g′_down。若g_sum,a≤g′_sum<g_sum,a+1，则a即 为第一金属基板与第二金属基板之间被测纸张的数量。

Claims (7)

1.一种基于电容传感器纸张数量检测装置，包括纸张测量装置和检测电路；其特征在于：所述的纸张测量装置包括第一金属极板、第二金属极板、导柱、固定板和滑动板；多根导柱的底端均与固定板固定；滑动板上固定有多个导套；各导套与各导柱分别构成滑动副。固定板、滑动板的相对侧面分别固定有第一金属极板、第二金属极板；第一金属极板与第二金属极板正对设置；所述的检测电路包括电源模块、控制模块和信号输入模块；电源模块为信号输入模块和控制模块供电；

所述的信号输入模块包括电容传感器；电容传感器的IIC时钟引脚接电阻R3的一端及控制模块的IIC时钟端，IIC数据传输引脚接电阻R4的一端及控制模块的IIC数据端；电阻R3及电阻R4的另一端均接电源模块的供电输出端；电容传感器的SD引脚接地；电容传感器的VDD引脚接电容C5、电容C6的一端及电源模块的供电输出端；电容传感器的GND引脚、电容C5、电容C6的另一端均接地；电容传感器的两个第一输入引脚与电感L1的两端分别相连，并与电容C7的两端分别相连；电容传感器的两个第一输入引脚与纸张测量装置中第一金属极板、第二金属极板分别连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器纸张数量检测装置，其特征在于：所述电容传感器的型号为FDC2214。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器纸张数量检测装置，其特征在于：所述的检测电路还包括显示模块；所述的显示模块包括LCD显示屏和三极管Q1；LCD显示屏的型号为LCD12864；LCD显示屏的1引脚接地，2及19引脚接电源模块的供电输出端，3引脚接可调电阻R6的电刷，18引脚接可调电阻R6内电阻体的一端；可调电阻R6内电阻体的另一端接地；LCD显示屏的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17引脚均与控制模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器纸张数量检测装置，其特征在于：所述的检测电路还包括矩阵按键；所述矩阵按键的八个输出引脚均与控制模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器纸张数量检测装置，其特征在于：所述的电源模块包括降压芯片、稳压管DZ1和显示数码管；数码管采用共阳型数码管；降压芯片的型号为LM2596S-5.0；降压芯片的1引脚接发光二极管LED1、电容C10的正极、电容C11的一端及外部输入电压；发光二极管LED1的负极接电阻R2的一端；降压芯片的3、5引脚、电容C10的负极、电阻R2及电容C11的另一端均接地；降压芯片的2引脚接电感L2的一端及稳压管DZ1的负极；稳压管DZ1的正极接地；降压芯片的4引脚接电感L2的另一端、电容C14的一端、电容C12及电容C13的正极；降压芯片的6引脚、电容C12、电容C13的负极及电容C14的另一端均并接地；电感L2远离降压芯片的那端即为电源模块的供电输出端。

6.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器纸张数量检测装置，其特征在于：所述的控制模块包括控制器；控制器采用型号为STM32F103ZET6的单片机；控制器的8引脚接电阻R33的一端；电阻R33的另一端接电容C11及第一晶振X2的一端；电容C11的另一端接地；控制器的9引脚接电阻R34的一端；电阻R34的另一端接电容C12及第一晶振X2的另一端；电容C12的另一端接地；控制器的138引脚接电阻R35的一端；电阻R35的另一端接单刀双掷开关的动触头连接；单刀双掷开关的第一静触头接电源模块的供电输出端，第二静触头接地；控制器的23引脚接电容C13及第二晶振X3的一端，24引脚接电容C14的一端及第二晶振X3的另一端；电容C13及电容C14的另一端均接地；控制器的25引脚接电阻R37、电容C15的一端及复位按钮B1的一个接线端；电阻R37的另一端接电源模块的供电输出端；电容C15的另一端及复位按钮B1的另一个接线端均接地；控制器的34引脚接电源开关S1的一端；电源开关S1的另一端接电源模块的供电输出端；控制模块的44引脚为控制模块的IIC时钟端，45引脚为控制模块的IIC数据端。

7.如权利要求1所述的一种基于电容传感器纸张数量检测装置的数量检测方法，其特征在于：步骤一：建立纸张测量各纸张数阈值数据库；

1-1.将1赋值给k；

1-2.在第一金属极板与第二金属极板之间放入k张被测纸张；

1-3.使用者将滑动板向下滑动，使得第二金属极板与被测纸张的顶面接触；

1-4.电容传感器连续进行n次检测采样并发送给控制器；控制器计算出第一金属极板输出的后n-50个检测结果的平均值，记为第k标准下检测值

控制器计算出第二金属极板输出的后n-50个检测结果的平均值，记为第k标准上检测值

之后，进入步骤1-5；

1-5.若k＜30，则将k增大1，并重复执行步骤1-2至1-4；否则，进入步骤1-6；

1-6.将

重新排序；将重新排序；

步骤二：计算上数据增量cha_up如式(1)所示，下数据增量cha_down如式(2)所示；

步骤三、计算的数值，

k＝31,32,…,60；计算

的数值，

k＝31,32,…,60；

步骤四、建立上电容数据组G_up＝{g_up,1,g_up,2,......,g_up,60}和下电容数据组G_down＝{g_down,1,g_down,2,......,g_down,60}；

其中，

k＝1,2,…,60；

CHx_SEL为预设频率；f_REFx为输入电容传感器的晶振频率；L、C分别为电容传感器的固定电感值、固定电容值；

步骤五、计算加权特征集合G′＝{g_sum,1,g_sum,2,...,g_sum,60}；g_sum,k的表达式如式(3)所示，k＝1,2,…,60；

g_sum,k＝1.67·g_up,k+0.33·g_down,k 式(3)

步骤六、将需要检测数量的一叠被测纸张，使得被测纸张的一侧边缘和固定板的一侧边缘齐平；电容传感器连续进行n次检测采样并发送给控制器；控制器计算出第一金属极板输出的后n-50个检测结果的平均值，记为目标下检测值

控制器计算出第二金属极板输出的后n-50个检测结果的平均值，记为目标上检测值

步骤七、分别计算目标上电容值

目标下电容值

其中

步骤八、计算加权目标值g′_sum＝1.67·g′_up+0.33·g′_down；若g_sum,a≤g′_sum<g_sum,a+1，则a即为第一金属基板与第二金属基板之间被测纸张的数量。

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