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2019全国电赛F题纸张计数显示装置的报告.docx

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.03M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    【本科组】
    2019 年全国大学生电子设计竞赛 纸张计数显示装置（F 题） 【本科组】 2019 年 08 月 10 日
    摘要：本纸张计数显示装置，采用 STM32 为主控芯片，由电容传感器和 555 时基电路构成多谐振荡器，将电容转化为频率，使电容的极距与频率成线性关系， 再通过 STM32 输入捕获进行频率测量，通过对数据多次处理、拟合得出频率与 纸张的特性曲线，求出纸张数量通过 TFT 屏幕显示。 关键字：电容传感器，多谐振荡器，频率计算 Abstract Count display device, this paper USES STM32 as main control chip, made up of capacitance sensor and 555 time base circuit multivibrator, frequency, capacitor can be converted to a linear relationship with the capacitance of polar distance and frequency, and then through the STM32 input capture frequency measurement, based on the data processing, fitting the characteristic curve of frequency and paper, and the paper quantity through the TFT screen display. Keyword: Capacitive sensor, multivibrator, frequency calculation 1
    目录 一．方案论证................................................................................................ 1.1 方案比较与选择................................................................................................. 1.2 方案描述............................................................................................................. 二．理论分析与计算................................................................................... 2.1 平行金属板电容器............................................................................................. 2.2 多谐振荡器震荡................................................................................................. 三．电路与程序设计................................................................................... 3.1 电路设计............................................................................................................. 3.2 程序设计............................................................................................................. 四．测试方案与测试结果........................................................................... 五．结论........................................................................................................ 2
    一、系统方案 1、测量电路的论证与选择 方案一：运算放大器电路，此电路需要调制解调，且对交流电源电压的稳定 性要求高。 方案二：调频电路和谐振电路虽然灵敏度高，但是测量精度较低，非线性比 较严重。 方案三：555 时基电路不需要调制与解调，且有较好的的线性和较强的抗干 扰能力，但在电容较低时频率很高。 基于自制电容传感器的抗干扰能力弱，STM32 输入捕获频率高达兆赫兹， 在误差范围内能检测出由容值变化而产生的频率的改变，从而算出纸张数量，所 以选择方案三。 2、采集电路的论证与选择 方案一：由 f/V 转换电路、A/D 转换器和数值显示器组成，f/V 转换电路输 出两次信号，第一次为初始电压，第二次为极距改变的电压，经过减法器并通过 显示器显示纸张数量。f/V 转换电路由 AD650 构成，AD650 是美国 ANALOG DEVICES 公司推出的高精度电压频率(V/F)转换器，它由积分器、比较器、精密 电流源、单稳多谐振荡器和输出晶体管组成。 AD650 电路具有以下特点： ●满刻度频率高(达 1MHz) ●很低的非线性度(在 10kHz 满刻度时非线性度小于 0.002％，在 100kHz 满 刻度时非线性度小于 0.005％，在 1MHz 满刻度时非线性度小于 0.07％) ●输出电压范围宽(用作 F/V 转换器，其输出电压范围为 0～10V) AD650 芯片具有非常好的特性但是外围电路构建复杂，在此次比赛中由于缺 乏芯片与电路板制作条件有限故没有采用。 方案二：直接使用 STM32 进行频率测量，通过纸张数量与频率的曲线拟合， 得出特性曲线，使用 TFT 屏幕进行显示。 综合以上两种方案，结合时间与可行性，我们采用方案二。 3
    3、电容传感器结构的论证与选择 方案：由平行板电容器电容的决定式可知，影响电容器电容的因素有极板相 对面积，极距和介质的介电常数，结合题目的要求，极板相对面积已确定，介质 为纸张，因此我们采用检测容值得到极距的变化，从而换算出纸张的数量。为了 减少电容器的边缘效应，我们采用金属片更薄的覆铜板。 夹紧结构采用简单的负重夹紧，负重为 1kg 的杠铃。为了防止金属极相对面 图1 覆铜板 积发生改变影响容值，夹紧结构采用四个直线轴承固定，如图。 综合以上各个模块的论证与选择，系统框图如图 3 系统框图： 4 图2 夹紧结构
    二、系统理论分析与计算 图 3 系统框图 1、平行金属板电容器的电容值计算 对于平板变极距型电容传感器 = 0+∆= 0 0+∆ 其中0为传感器两极板间的初始距离，∆为间距变化量（纸张变化量）， 为极板面积，为极板间介质的介电常数，为相对介电常数，空气的相对介电 常数约等于 1，真空时 =0 = 8.85（10−12F/m） 初始只放入一张纸的容值为： = 553.125（10−12F） 一张 70g 规格的 A4 纸，厚度为 0.10mm±0.01mm，纸的介电常数为 2.5，当 5
    2、多谐振荡器震荡频率计算 图4 多谐震荡电路 1 电路的震荡频率为f= 1+22ln2 将代入此式得，f= 0+∆ 1+220ln2=0+∆ 0 0= 1+220ln2 为初始间距对应的初始频率；=∆∆= 由上述式子可见，输出信号的频率f 与被测量（纸张数量）成线性关系，因 此解决了单电容传感器非线性的问题。其中0是与被测量无关的常量，可用于后 继的数据拟合，如果在合理地选择参数，可使输出信号的频率大小就是被测量的 为频率灵敏度。 其中 1 1+220ln2 值。 6
    测量 10 张纸以内： 10 张纸厚度为 1.00mm，因为 555 时基电路的最高工作 频率可达 500kHz，为了考虑 STM32 在高频时测量的误差与电容传感器的干扰因 素较多，时基电路的峰值频率选择 400kHz，使灵敏度 = 40 kHz/张 = 400 kHz/mm。则，初始频率0 = 64kHz。十张纸的时候，= 5531.25（10−12F） 测量 30 张纸以内： 同理，30 张纸的厚度为 3.00mm，则选取灵敏度 = 13.3 时基 电路 R1，R2 的选 择 ：时基 电路的 峰值频 率选择 400kHz ，由f= 1 1+22ln2 得 ， 当 只 有 一 张 纸 的 时 候 ， 电 容 值 最 大 ， 此 时1+22 = 1 4×105×553.125×10−12ln2 = 6.4kΩ 电路图中电容传感器 、电阻 R1 和 R2 作为振荡器的定时元件，决定着 用以控制电容的充放电；外界控制输入端（5 脚）通过 0.01uF 的电容接地； 输出矩形波正、负脉冲的宽度和频率。定时器的触发输入端（2 脚）和阈值输入 端（6 脚）与电容传感器相连；集电极开路输出端（7 脚）接 R1、R2 相连处， 输出 Vo（3 脚）接 STM32 的 GPIO 脚进行输入捕获。 kHz/张 = 133 kHz/mm。。。 三、电路与程序设计 1、多谐振荡器电路设计 图 5 多谐振荡器电路 7
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