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【風采匯】+紙張計數顯示裝置

2019電賽選題：紙張計數顯示裝置（F題）

1．設計內容中文摘要

設計并制作紙張計數顯示裝置，其組成如圖 1 所示。兩塊平行極板（極板 A、極板 B）分別通過導線 a 和導線 b 連接到測量顯示電路，裝置可測量并顯示置于極板 A 與極板 B 之間的紙張數量。

1

圖1 紙張計數顯示裝置組成

2.設計方案工作原理

2.1系統結構工作原理

根據設計任務要求，并盡可能達到最好，該系統的總體框架可分為幾個基本的模塊，框圖如（圖2）所示：

2

圖 2 系統總體框圖

2.2極板方案分析比較

（1）極板論證與選擇

方案1：金屬板材。

電阻率較低，導電性能較好。但是也有如下缺點：金屬板材厚度即板材前后左右四面會有電場，形成電場的邊緣效應對平板電容的影響，所以若直接用不考慮邊緣效應時的平行板電容器公式去計算所測介質的介電常數，其結果就會偏大，若其大于測量誤差，邊緣效應的影響便不可忽略，有必要對測量結果進行修正；金屬板材純度越高強度越低；部分金屬引出導線有難度，例如鋁；并且如果采取全金屬，外界對電極板電容干擾較大。

方案2：雙面覆銅板（具有過孔工藝）。

銅厚度僅為0.3mm，盡可能平行，方便引出導線，并且雙面覆銅板另一面可以形成靜電屏蔽，從而降低外界對測量的干擾。但是不具有過孔工藝，引出導線有難度。由于本身極板電容比較小，外界干擾很容易影響電容值，從而形成誤差。

綜合考慮，選擇方案2.

 

(2)導線的論證與選擇

方案1：杜邦線：市面上500mm需要定制，材料有鐵和銅，鐵線阻抗高于銅線，抗干擾能力差。并且，杜邦線的絕緣層較薄，外界比較容易對其產生影響。

方案2：屏蔽線：抗干擾能力強，阻抗小，但是外殼接地有點難度。

由于本題測量電容值較小，所以主要考慮減少外界干擾的影響，因此盡量減少外界因數，綜合考慮，選擇方案2。

 

2.3極板機械結構分析比較

方案1：通過卡住A4雙面覆銅板的形式，測量紙張數。

3

圖3  SolidWorks建模圖

TIM圖片20190810113852

圖4  實物圖

 

方案2：用三根鋼軸連接上下倆個平面，連接處用含油軸承保持順滑度，三點確定一平面，使上下倆個面時刻處于水平位置，通過直升的形式，卡主紙張，測量紙張數。

 4

圖5  SolidWorks建模圖

 

TIM圖片20190810113843

圖6  實物圖

綜合考慮，由于雙面覆銅板過孔使極板接觸面產生突起，測量時不能完全貼緊紙張，所以選擇方案1。

 

3．核心部件電路設計

3.1關鍵器件的論證與選擇

（1）MCU的論證與選擇

方案1：STM32系列芯片具有功耗低、片內資源豐富等優點，功能強大。

方案2：MSP430一種16位超低功耗，雖然比51單片機功能強大。但是msp430仍有可能工作速度跟不上。

方案3：STC89C52系列芯片具有抗干擾能力強、保密性能強悍,很難被破解的優點。但是其功耗較高，運行速度慢，故不采用此方案。

由于本題要進行大量的數據分析，并且stm32操作簡單，資料豐富。綜合考慮，選擇方案1。

 

(2)傳感器的論證與選擇

方案1：TI公司的FDC2214 是面向電容式傳感解決方案的抗噪聲和 EMI、高分辨率、高速、多通道電容數字轉換器系列。該系列器件采用基于窄帶的創新型架構，可對噪聲和干擾進行高度抑制，同時在高速條件下提供高分辨率。該系列器件支持寬激勵頻率范圍，可為系統設計帶來靈活性。寬頻率范圍對于導電液體感測的可靠性特別有用。FDC2214 經過優化，分辨率高達 28 位，250nF 超大最高輸入電容支持使用遠程傳感器并跟蹤環境隨時間、溫度和濕度的變化情況。

方案2：使用NE555芯片產生振蕩，給極板充電，構成一個充放電回路，設置一個振蕩電路的頻率，然后通過單片機來檢測電路變化，他頻率變化對應紙張的張數。

由于FDC2214是工業級別的，具有28位，NE555達不到這樣的精度的，并且自身存在這零點漂移和干擾，綜合考慮，選擇方案1。

 

3.2核心電路設計仿真

（1）STM32F103RCT6最小系統板     

TIM圖片20190810150418

圖 2 STM32F103RCT6最小系統板原理圖

（2）FDC2214電容數字轉化器

TIM圖片20190810144923

TIM圖片20190810144940

圖 7 FDC2214電容數字轉化器原理圖

通道CH0A和CH0B分別連接兩個極板，測量出電容值，通過內部轉化為一個數值，單片通過I2C讀取數據進行處理。

內部轉化公式為：Csensor=1/L*(2Π*fsensor)-C

（3）蜂鳴器  

TIM圖片20190810120754

           圖 8 BEE原理圖  

TIM圖片20190810120809

          圖 9 BEE的PCB圖

當被測紙張固定后，一鍵啟動測量，程序給I/O口高電平，三極管SS8050導通，有源蜂鳴器發出聲響。

（4）1602液晶屏

1602液晶屏通過PCF8574兩條雙向總線（I2C）實現I/O的擴展，與單片機進行通信，且PCF8574輸出鎖存具有大電流驅動能力，可直接驅動LED。

4．系統軟件設計分析

軟件部分主要分成菜單界面設計和數據采集和處理部分，程序流程圖如下。

TIM圖片20191104171803

5．競賽工作環境條件

5.1設計分析軟件環境

（1）編程環境：Keil MDK5

（2）編程語言：C語言

5.2儀器設備硬件平臺

可編程線性直流源、函數信號發生器、數字示波器、萬用表、數字電橋TH2816B。

5.3配套加工安裝條件

電鉆、熱熔膠槍、雕刻機、熱風槍、雕刻刀、倒角刀、3D打印機等

6．作品成效總結分析

6.1制作結果

     經過四天三夜的努力，我們將紙張計數顯示裝置設計制作完成，經過不斷的調參，都達到了預期的目標，電路方面，我們使用FDC2214，較為成功的擬合出電容的曲線，但是精度還有待提高，機械方面，我們的通過3D打印技術，做出來的機械結構非常的實用，使兩個板之間相對平行，進一步減小誤差，使測量更加精確。

6.2 結論與心得

通過這次比賽，我們受益匪淺。學習到了很多全新的知識，對電容測距以及3D打印技術有了更多的了解和認識。在制作的過程中，我們也遇到了很多難題。比如一開始我們就遇到了硬件選擇的難題:我們本來準備了比較堅硬的厚環氧樹脂板，切出來后發現環氧樹脂板整體不水平，導致一天的機械結構設計白費；后來又設計了四角固定A4雙面覆銅板的方式，并考慮重物的選擇，避免金屬對實驗產生干擾，我們用4個塑小料瓶裝滿沙子作為重物，并用3D打印出了固定小瓶的座子，雖然后面沒采用，但是仍是個加重好方法；在四角固定的方式在實驗時，同時又設計了一套直升壓緊紙張的裝置，可惜由于嵌入的雙面覆銅板過孔有突起，并不能壓緊紙張，只能放棄。我們連夜用3D打印機做出各種結構，但是都不怎么管用。最后還是采用A4板邊緣固定的方式。反復的嘗試、實驗，再修改耗費了我們大量的時間和精力。但我們相互鼓勵安慰，從不放棄，努力找出原因，突破難點，一步一步走出困境。

這四天三夜，有遺憾同樣也有收獲。我們體驗到了團隊的力量，溝通的重要性以及遇到困難不退縮迎難而上的寶貴精神。最后感謝學校以及全國大學生電子設計競賽組委會給我們提供這么優秀的平臺和機會。

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2019-11-05 10:37

這道題很有意思，難度不大。

一、FDC2214

FDC2214資料：/upload/community/2019/11/05/1572919304-41413.pdf

1、FDC2214為工業級28/12位電容數字轉換器，在信號傳輸距離非常短的情況下它可以測一包紙（500張）；

2、FDC2214為差分輸入，屏蔽線另一端不用接到回路里，也不能用雙絞線，因為雙絞線上存在耦合電容。

二、機械結構

1、機械結構重點就是“壓緊”；隨著紙張數的增加，擬合曲線趨于平緩，提高精度必須得壓緊兩個極板；

2、我的方案是在上面放了一個鐵塊，不是很好，而且下級板之固定了四角，會產生形變，導致誤差得出現。

3、賽場上有亞克力板“壓緊”、機械臂“壓緊”、衣服夾子“壓緊”等等。

三、程序

由于本人水平有限，擬合得不是很好，就不獻丑了。

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ccccclay
LV.1
3
2019-11-05 12:01
頂！?。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。?！
2
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ccc___ccc
LV.1
4
2019-11-05 16:18
@ccccclay
頂！?。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。?！
有木有其他方案？
0
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2019-11-05 17:04
@ccc___ccc
有木有其他方案？

有的

第二種是采集電壓信號；

第三種NE555方案，也能測到100張往上。

0
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2019-11-20 09:47

坐等更新 讓我們學習學習啊

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2019-11-23 22:08
@QC過河記
這道題很有意思，難度不大。一、FDC2214FDC2214資料：/upload/community/2019/11/05/1572919304-41413.pdf1、FDC2214為工業級28/12位電容數字轉換器，在信號傳輸距離非常短的情況下它可以測一包紙（500張）；2、FDC2214為差分輸入，屏蔽線另一端不用接到回路里，也不能用雙絞線，因為雙絞線上存在耦合電容。二、機械結構1、機械結構重點就是“壓緊”；隨著紙張數的增加，擬合曲線趨于平緩，提高精度必須得壓緊兩個極板；2、我的方案是在上面放了一個鐵塊，不是很好，而且下級板之固定了四角，會產生形變，導致誤差得出現。3、賽場上有亞克力板“壓緊”、機械臂“壓緊”、衣服夾子“壓緊”等等。三、程序由于本人水平有限，擬合得不是很好，就不獻丑了。

#include "sys.h"

#include "delay.h"

#include "usart.h"

#include "timer.h"

#include "led.h"

#include "fdc2214.h"

#include "McuDataSend.h"

#include "1602_iic_sw.h"

#include "moniiic.h"

#include "keybroad.h"

#include "beep.h"

void Sys_Init(void);

float res0,res1,res2,res3;float temp0,temp1,temp2,temp3;

int main(void)

{ 

BEEP_Init();  

Sys_Init(); 

init_1602(); 

while(1) 

{

//Oled_Printf_Float(0,1,res0-temp0,0);

//Oled_Printf_Float(0,3,res1-temp1,0);

//Oled_Printf_Float(0,5,res2-temp2,0);

//Oled_Printf_Float(0,7,res3-temp3,0); 

//printf("CH0;%3.3f CH1;%3.3f CH2;%3.3f CH3;%3.3f\r\n",res0-temp0,res1-temp1,res2-temp2,res3-temp3);                  

printf("CH0;%3.3f \r\n",res0); //printf("CH0;%3.3f CH1;%3.3f CH2;%3.3f\r\n",res0-temp0,res0,temp0); //setCursor(3, 0); //ShowxNum(4);                 while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);//delay_ms(20);

}

}

u8 set=0 ;

/*int main(void){  u8 x , y; BEEP_Init();  Sys_Init(); init_1602(); while(1) { x=KEYPAD_Scan(); if((x==16)&&(set==0))      {                setCursor(6, 0);                lcdPrint("WELCOME!");       lcdPrint("      1 auto correct");                setCursor(1, 1);                lcdPrint("PLEASE SELECT MODE"); lcdPrint(" 2 measure papers");            } if((x==15)&&(set==1)) { Clear();                setCursor(6, 0);                lcdPrint("WELCOME!");       lcdPrint("      1 auto correct");                setCursor(1, 1);                lcdPrint("PLEASE SELECT MODE"); lcdPrint(" 2 measure papers"); delay_ms(10);     set=0;     } if((x==0)&&(set==0)) {                    Clear();                    delay_ms(1);                     setCursor(0, 0);                    lcdPrint("1 auto correct");                    setCursor(0, 1);                    lcdPrint("30 papers:");                     //寫顯示數值                    delay_ms(10); set++; } else if((x==1)&&(set==0)) {                    Clear();                    delay_ms(1);                    setCursor(0, 0);                    lcdPrint("2 measure papers");                    //顯示數值                    delay_ms(10); set++; }    }}*/

void Sys_Init(void)

{ 

delay_init();     //延時函數初始化   

NVIC_Configuration();//設置NVIC中斷分組2:2；2位搶占優先級，2位響應優先級 

uart_init(115200); //串口初始化為115200 while(FDC2214_Init()); 

delay_ms(100); temp0 = 232021045.248/Cap_Calculate(0);//讀取初始值 TIM5_Ctrl_Init(2000-1,720-1);}//定時器5中斷服務程序

void TIM5_IRQHandler(void)   //TIM5中斷{ if(TIM5->SR&0X0001)//20ms定時中斷 { res0 = Cap_Calculate(0);//采集數據// Data_Send_Status(res,0,0);// printf("%5d : %5d : %5d\r\n",res0,res1,res2); led=~led; } TIM5->SR&=~(1<<0);  //中斷標志位清0，等待下一次中斷}

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2020-04-10 13:42

請問下你電路仿真用的什么軟件   我用的很多元器件找不到

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