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1、2019 年全国大学生电子设计竞赛纸张计数显示装置（F题）2019 年 8 月 10 日目录第一章 设计任务与要求 3第二章 系统方案的选择与论证 42.1 系统总体构成 42.2系统总体实现方案42.3具体实现方案的选择与论证4第三章电路与程序设计53.1 硬件实现原理53.1.1 整体原理 53.1.2 电源模块 63.1.3 放大模块 63.1.4 DA输入模块73.1.5 显示模块 73.1.6 程序下载模块 73.2 程序结构 8第四章 测试结果与误差分析 94.1 测试方案 94.2 测试结果 9第五章 总结 11纸张计数显示装置摘要本系统采用STM32F767核心板与STM32F
2、334板以I2C总线互相通信，利用RC 放大及模拟开关芯片CD4051BC程控放大实现对纸张数量的检测。其基本过程 为，纸张数量的变化引起平行板电容器容量的变化，该变化导致电极板测试端的 信号发生变化，因平行板电容的变化不明显，所以需要对测试端信号进行滤波放 大，芯片STM32F334产生方波，经过AD转换模块，并将AD转换后的值累加，除 以采样次数所得的平均值来确定不同数量纸张的示数变化范围，通过DC4832模 块来显示当前纸张数量且锁定显示纸张数。并在程序中设置，当加入纸张时，蜂 鸣器发出声响并不超过5秒钟。关键词：STM32F767，STM32F334，纸张计数，AD转换第一章 设计任务
3、与要求1.1 设计任务 设计并制作纸张计数显示装置，其组成如下图所示。两块平行极板（极板 A、 极板B）分别通过导线a和导线b连接到测量显示电路，装置可测量并显示置于极 板 A 与极板 B 之间的纸张数量。扱板A导线h导线3极板B测量显示电路1.2 要求（1）极板 A 和极板 B 上的金属电极部分均为边长 50mm1 mm 的正方形 导线a和导线b长度均为500mm5mm。测量显示电路应具有“自校准”功能， 即正式测试前，对置于两极板间不同张数的纸张进行测量，以获取测量校准信息。（2）测量显示电路可自检并报告极板 A 和极板 B 电极之间是否短路。（3）测量置于两极板之间给定的纸张数。每次在极
4、板间放入 被测纸张并固定 后，一键启动测量，显示被测纸张数并发出一声蜂鸣。每次测量从按下同一测量启 动键到发出蜂鸣的时间不得超过 5 秒钟，在此期间对测量装置不得有任何人工干 预。第二章系统方案的选择与论证2.1 系统总体构成本实验主要由STM32F767核心板与STM32F334板，电源模块，放大模块，AD 模块显示模块，铜板组成。2.2 系统总体实现方案以铜板作为导体材质，由于AD模块可把模拟信号转换成数字信号，所以利 用AD模块可实现纸张计数的功能。当有纸张放入两极板之间时，电极板的电容 发生了变化，这就会导致AD转换数的变化，从而反映纸张数量。2.3具体实现方案的选择与论证我们设计了两
5、个备选方案由于FDC2214是基于LC谐振电路原理的一个电容检测传感器，所以利用 FDC2214的工作原理可实现纸张计数的功能。当纸张数量发生变化时，两极板间的 电容发生了变化，这就会导致LC电路振荡频率的变化，从而反映出纸张的数量。FDC2214传感器模块实现纸张数量显示的实验中存在较多问题，传感平面的面积越 大、纸张与传感平面的距离越小，感应的频率变化越大，会引入更多的干扰，所以 不采用该方案。针对于主控芯片：可以实现数据检测的单片机有多种，比如STM32, TI公司 的MSP5229以及STC公司系列。结合数据处理情况以及芯片使用难度，我们选择 STM32F767芯片，其性能更符合要求。
6、从纸张数量检测方面讲：纸张数量可以通过AD模块或FDC2214传感器两种 方式来实现。FDC2214传感器模块实现纸张数量显示的实验中存有缺陷，外部环境的不可控因素会导致LC电路振荡频率的变化，干扰有效信号。AD模块能较好 地避免此类状况的发生，故采用更为稳定的AD模块。从数据通信方面来讲：芯片间的通信只能使用12C协议，可以采用有线传输 和无线传输两种方式。考虑到电极板间电容灵敏度极高，无线协议会产生较大干 扰使结果不准确，因此采用有线传输的IIC协议传输。最后，修改实验程序进一步对实验数据进行调试，从而达到完美的数据范围 结果。用采集各数量纸张的数据样本，再对数据进一步精准化，进而完成实验
7、。因此，我们选择方案二。第三章电路与程序设计3.1 硬件实现原理3.1.1 整体原理采用STM32F767核心板与STM32F334板以I2C总线互相通信。其整体原理 如图3-1所示。STM32F767核心板与STM32F334板通信连接接口原理图如图3-2 所示。图3-1图3-23.1.2 电源模块通过加入12V电压，分别产生3.3V, 5V, -5V的电压，其基本原理如图3-3 所示。图3-33.1.3 放大模块测试端RC放大及CD4051程控放大为第一级放大，放大倍数为RC,经过电容 滤除外部50赫兹干扰，改变电容大小使电压稳定且放大明显，经过反向放大 器，去耦滤波，产生测试信号。原理图
8、如图3-4。后级放大模块及增强抗干扰模 块如图3-5。图 3-4图 3-53.1.4 DA输入模块DA模块是用来通过一定的电路将数字量转变为模拟量。模拟量可以是电压、电流等电 信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。其原理图如图36所示。3.1.5 显示模块DC4832:有400MHz32位双核处理器，操作系统为嵌入式实时操作系统，分辨 率为 480*320，拥有按钮，文本，下拉菜单，二维码，进度条等各种组态控件， 内置虚拟数字，字符键盘，支持中英文输入法，可自定义键盘，支持数据记录控 件内容导出到U盘。系统内置多个显示图层，切换速度更快，上位机内嵌Lua脚 本编译器，用户可在屏
9、内自定义各种复杂逻辑关系，满足大部分的产品功能需求3.1.6 程序下载模块在给STM32烧写程序调试的时候，传统20脚TAG底座个头大，占用PCB面 积多，连接线复杂。采用SWD模式Jlink，只需要三根线即可与目标板实现通讯, 可实现程序下载，单步调试等功能。如图 3-7。图3-73.2程序结构第四章 测试结果与误差分析4.1 测试方案（1）硬件测试检查各个螺丝，焊接点以及粘合处是否连接牢固，焊接口是否有虚焊现象（2）软件仿真测试通过编译，检查是否存在语法错误，再进行仿真，检查能否达到预期效果4.2 测试结果第一次测试：初值：584纸张数12345678910AD值5976086206296
10、40648660671680693差值13111291181211913纸张数11121314151617181920AD值704716724733744756768779788796差值1012891112121198纸张数21222324252627282930AD值804814821829834841849855859864差值81078578645第二次测试初值：584纸张数12345678910AD值594603613624634642652663673685差值109101110810111012纸张数11121314151617181920AD值69670871973173974
11、9760770781791差值1112111281011101110纸张数21222324252627282930AD值800812823832842850858865874881差值9121191088797结果分析：从总体上来看，每增加一张纸，AD数值变化以10为中心，波动为3,4 左右。且差值随着纸张数的增加有逐渐减小的趋势，当纸张数量过多时，差 值与波动相近，所以难以准确检测出过多纸张的数量。经过调整，第二次数据 AD 数值变化较为稳定，且AD值无明显波动，可较为精准的测量出纸张的数量。第五章 总结因为电路中需要多种电压的电源，所以使用户、母版电源模块，将 12V 电压 转换为多路需要
12、的电压 由于外界环境因素易对电容变化产生干扰，所以在硬件组 装中，调整两极板距离和导线形状，采用 CD4052BC 增强抗干扰能力，在软件中 采用多次采集数据求平均的方法。在调试过程中，要注意检测放大倍数、激励正负 以及波形的抖动情况，可适度调整两个极板之间的距离。经过试验发现，距离比较 小时，实验效果较好且 AD 转换后的值会更稳定，观察增加一张纸 AD 值的变化， 待数据较稳定时（即AD值浮动范围在五个点左右）再增加纸张的数量。理想效果 应是每增加一张纸，AD值变化大致相同。最终，回顾这次电子设计，该系统主要的设计结构，软件设计，硬件设计和元 器件的选择都有效保证了实验最终的精度。在这段时间内的实验过程中，我们遇到过许多的问题，需要我们小组齐心协力 去克服，去解决，这让我们充分认识到了团队合作的重要性。经过了四天三夜的努 力奋斗，我们解决了一系列的技术难题，最终成功的完成了这个作品。这次竞赛， 让我们把平时在书本上学习的理论知识真正的运用到实践中，提高了动手实践能 力而且加深了对理论知识的理解。在今后的学习生活中，我们将继续保持这种迎难 而上，决不放弃的精神。
