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全国大学生电子设计竞赛-纸张计数显示装置报告（1）.docx

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.54M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    一、系统方案
    1.1 各部分方案选择与论证
    1.1.1 单片机的选择
    1.1.2 固定装置的选择
    1.1.3 检测方式的选择
    1.1.4 电容板的选择
    1.2 系统基本方案描述
    1.2.1 控制方案设计
    1.2.2 短路识别的设计
    1.2.3 自校准设计
    二、理论分析与计算
    2.1电容传感器原理
    2.2 参数计算
    2.3 抗干扰分析
    2.4 误差分析
    三、电路与程序设计
    3.1电路设计
    3.1.1 纸张检测电路
    3.1.2 控制电路
    3.2程序设计
    3.2.1程序功能描述与设计思路
    3.2.2程序流程图
    四、测试方案与测试结果
    4.1测试方案
    4.2测试结果
    4.3测试结果分析
    五、结论与心得
    六、参考文献
    附录一：电路原理图
    附录二：源代码
    2019 年 全国大学生电子设计竞赛 （F 题） 纸张计数显示装置 2019 年 8 月 10 日
    纸张计数显示装置 摘要：纸张计数显示装置是一种典型的多干扰，小信号的处理系统，其目的是为了 实现纸张的数量的识别。本系统利用 STM32F103C8T6 单片机处理，FDC2214 模块采集 信息，利用谐振的原理，得到两极板之间的电容，多次测量，经过 Matlab 拟合纸张与 电容的关系函数，再利用卡尔曼滤波得到较为准确的值，减小信号的噪声干扰，从而使 系统具有良好的性能，能很好地实现纸张快速识别、短路识别、自校准，具有很好的稳 定性。本系统通过大量的测试以及调试，通过频率值判断电容值，并显示在 OLED 液晶 显示屏上，最终可以实现纸张测量 ,短路检测等题目内容。 关键词：谐振频率；FDC2214；STM32F103C8T6；卡尔曼滤波；函数拟合
    目 录 一、系统方案........................................................................................................................................- 1 - 1.1 各部分方案选择与论证.................................................................................................... - 1 - 1.1.1 单片机的选择..........................................................................................................- 1 - 1.1.2 固定装置的选择..................................................................................................... - 1 - 1.1.3 检测方式的选择..................................................................................................... - 1 - 1.1.4 电容板的选择..........................................................................................................- 2 - 1.2 系统基本方案描述............................................................................................................. - 2 - 1.2.1 控制方案设计..........................................................................................................- 2 - 1.2.2 短路识别的设计..................................................................................................... - 3 - 1.2.3 自校准设计...............................................................................................................- 3 - 二、理论分析与计算.......................................................................................................................... - 3 - 2.1 电容传感器原理................................................................................................................... - 3 - 2.2 参数计算................................................................................................................................- 3 - 2.3 抗干扰分析........................................................................................................................... - 4 - 2.4 误差分析................................................................................................................................- 4 - 三、电路与程序设计.......................................................................................................................... - 4 - 3.1 电路设计.................................................................................................................................- 5 - 3.1.1 纸张检测电路..........................................................................................................- 5 - 3.1.2 控制电路................................................................................................................... - 5 - 3.2 程序设计.................................................................................................................................- 5 - 3.2.1 程序功能描述与设计思路....................................................................................- 5 - 3.2.2 程序流程图................................................................................................................- 6 - 四、测试方案与测试结果.................................................................................................................- 6 - 4.1 测试方案.................................................................................................................................- 7 - 4.2 测试结果.................................................................................................................................- 7 - 4.3 测试结果分析........................................................................................................................- 7 - 五、结论与心得................................................................................................................................... - 7 - 六、参考文献........................................................................................................................................- 8 - 附录一：电路原理图.......................................................................................................................... - 9 - 附录二：源代码.................................................................................................................................- 10 -
    一、系统方案 1.1 各部分方案选择与论证 1.1.1 单片机的选择 方案一：采用 STM32 系列单片机。STM32 系列单片机采用 3.3V 电压，运行速度 快，处理能力强大，具有高效的开发环境。STM32 系列单片机中 CPU 与模拟设备的结 合，使得校准、调试都变得非常方便。 方案二：采用 51 系列单片机。51 系列单片机应用最广泛的 8 位单片机比较容易 上手，有较为完善的按位操作系统，功能较完备。虽然 I/O 脚使用简单 , 但高电平 时无输出能力，有些功能增加了硬件和软件的负担，运行速度过慢，保护能力很差，容 易烧坏。 方案三：采用 Arduino 系列单片机。与上两者相比更加容易上手，有较为完善的库 函数可以调用，开源的代码，但是引脚太少。 通过比较，我们选择方案一，采用 STM32 系列单片机作为控制模块。 1.1.2 固定装置的选择 方案一：选择人工用手稳定铜板压紧纸张。此方案简单但太依赖个人感觉，并且压 纸力度很难把控，容易产生较大误差。 方案二：制作一个可升降的机械装置，可以固定两铜板平行的同时又可每次使用均 匀的力压紧纸张，并且固定两个极板，保证两个极板之间的正对面积不变。但此方案的 缺点是固定装置的制作较为困难。 综合考虑，为了增加可靠性，选择方案二。 1.1.3 检测方式的选择 方案一：选择集成运放式检测电路检测电容容量。此方案原理较为简单，电路也不 复杂，同时也能检测出微小电容的变化，符合需求。 方案二：选择 FDC2214 模块处理电容值。此方案的原理是使电容电感得到谐振频率 进而得到等效电容值，因为有现成模块，可以减少自己制作的电路部分，并且 FDC2214 芯片是 28 位的测量芯片，精度更高，对于此题的微小电容变化值处理也更加可靠。 - 1 -
    方案三：采样 Arduino 的测量电容的库函数来检测电路，利用耦合电容与测量电容 在电压上的关系，得到电容值，但是误差大，不能解决题目所有的问题。 综合考虑，选择方案二。 1.1.4 电容板的选择 方案一：使用覆铜板。覆铜板材料简单易得，成本低廉，且电容的形成只需两块金 属板即可，可以简单满足要求。 方案二：使用金属板。金属板的优点在于整块板子都是金属，因此可以用一面形成 电容的同时，另一面连接信号线，可以防止在形成电容的一面连接信号线产生凹凸面， 影响信号的准确性。 综合考虑，选择方案二。 1.2 系统基本方案描述 1.2.1 控制方案设计 根据题目要求，确定使用 OLED 显示屏，按键，蜂鸣器等外设。用按键来切换自校 准和正常测量模式，因加入纸张使两极板容量值发生变化，传递给 FDC2214 芯片，返 回值给单片机，通过单片机处理数据将返回值转化为纸张变化量，将其通过 OLED 屏显 示出来，完成此系列动作时间不超过五秒，并在完成后通过蜂鸣器发出蜂鸣声。如图 1-1 所示。 电源 OLED 蜂鸣 器 STM32F103 FDC2214 按键 极板识别纸张 图 1-1 - 2 -
    1.2.2 短路识别的设计 因为 FDC2214 可以返回一个谐振频率与内部时钟频率的比值，并且我们在 FDC2214 外围电路也并联上了一个 33pF 电容，经过计算和多次实验可以知道当总电容值减去并 联电容 33pF 的值为 10 以下的时候为短路，识别出此结果将短路信息传给单片机通过 LED 灯将短路信息显示出来。 1.2.3 自校准设计 测量多次不同的纸张数量的电容值，代入拟合函数，记录误差值，单片机处理所有 误差值得到误差函数。单片机通过误差函数对拟合函数来做校准得出最终的函数，从而 得到一个较为合理的电容与纸张的关系式。 二、理论分析与计算 2.1 电容传感器原理 在两金属板间提供足够电压可使两极板间的电荷发生定向移动，使其金属表面布满 相反的电荷，从而形成电容。通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为物理量的 变化。因此电容式传感器的基本工作原理可以用图 2-1 所示的平板电容器来说明。当 忽略边缘效应时，平板电容器的电容为 C=εS/4π²kd，由公式可知，当极板面积 S 保持 不变，ε和 d 随着加入纸张而改变时，总容量 C 也会随之发生改变，从而识别纸张数量。 2.2 参数计算 图 2-1 - 3 -
    图 2-2 被测电容器器与 LC 电路图 如图 2-2 将被测电容器与 LC 电路接入 FDC2214 芯片的输入端，发生谐振时，容抗 =感抗，假设谐振频率为 f，则 1/2πfC1+1/2πfC=2πfL,根据 FDC2214 芯片的数据输出 DATAx=f*2^28/ ， 由内部时钟决定可得到 f，从而得到 C1=C/(4π²f²LC-1)。可 见，在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感和电容，组成 LC 电路，被测电容传感 端（图 2.1 中灰色标识部分即为被测电容）与 LC 电路相连接，将产生一个谐振频率， 根据该频率值可计算出被测电容值。 2.3 抗干扰分析 硬件部分：在经过多次多种实验后，我们发现信号的干扰主要是体现在信号线、信 号线的接触的两个端子和极板中产生。 对于信号线的干扰我们选择了同轴线缆来屏蔽噪声的干扰，对于极板我们选择了木 块作为压紧的链接装置，而且我们选择具有很强抗电磁干扰的 FDC2214 芯片以及设计 相应滤波电路来减少电路中或者外界的电磁干扰。 软件部分：采用了卡尔曼滤波滤波算法，在假设信号和噪声都是平稳过程的条件下， 利用最优化方法对信号真值进行估计，达到滤波目的，减小噪声。 2.4 误差分析 加入纸张时改变距离进而改变电容容值，且一张纸的厚度仅在 0.07-0.08mm，电容 的改变是极小的，一旦有空气在间隙，测量值将非常不准确。除此之外，电容的正对面 积也之间关乎到测量值的准确度。 我们所用的是机械装置是可升降的固定的有机材料板子，为了使得受力均匀，纸张 能完全进入，我们采用了大板子，大负重的模式，再加上打孔定位两个极板使得正对面 积最大。 三、电路与程序设计 - 4 -
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