紙張計(jì)數(shù)顯示裝置

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽紙張計(jì)數(shù)顯示裝置（F題）8月10日

目錄第一章設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 3第二章系統(tǒng)方案的選擇與論證 42.1系統(tǒng)總體構(gòu)成 42.2系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案 42.3具體實(shí)現(xiàn)方案的選擇與論證 4第三章電路與程序設(shè)計(jì) 53.1硬件實(shí)現(xiàn)原理 53.1.1整體原理 53.1.2電源模塊 63.1.3放大模塊 63.1.4DA輸入模塊 73.1.5顯示模塊 73.1.6程序下載模塊 73.2程序結(jié)構(gòu) 8第四章測試結(jié)果與誤差分析 94.1測試方案 94.2測試結(jié)果 9第五章總結(jié) 11

紙張計(jì)數(shù)顯示裝置摘要本系統(tǒng)采用STM32F767核心板與STM32F334板以I2C總線互相通信，運(yùn)用RC放大及模擬開關(guān)芯片CD4051BC程控放大實(shí)現(xiàn)對紙張數(shù)量的檢測。其基本過程為，紙張數(shù)量的變化引發(fā)平行板電容器容量的變化，該變化造成電極板測試端的信號發(fā)生變化，因平行板電容的變化不明顯，因此需要對測試端信號進(jìn)行濾波放大，芯片STM32F334產(chǎn)生方波，通過AD轉(zhuǎn)換模塊，并將AD轉(zhuǎn)換后的值累加，除以采樣次數(shù)所得的平均值來擬定不同數(shù)量紙張的示數(shù)變化范疇，通過DC4832模塊來顯示現(xiàn)在紙張數(shù)量且鎖定顯示紙張數(shù)。并在程序中設(shè)立，當(dāng)加入紙張時，蜂鳴器發(fā)出聲響并不超出5秒鐘。核心詞：STM32F767，STM32F334，紙張計(jì)數(shù)，AD轉(zhuǎn)換

第一章設(shè)計(jì)任務(wù)與規(guī)定1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作紙張計(jì)數(shù)顯示裝置，其構(gòu)成以下圖所示。兩塊平行極板（極板A、極板B）分別通過導(dǎo)線a和導(dǎo)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(shù)量。1.2規(guī)定（1）極板A和極板B上的金屬電極部分均為邊長50mm±1mm的正方形，導(dǎo)線a和導(dǎo)線b長度均為500mm±5mm。測量顯示電路應(yīng)含有“自校準(zhǔn)”功效，即正式測試前，對置于兩極板間不同張數(shù)的紙張進(jìn)行測量，以獲取測量校準(zhǔn)信息。（2）測量顯示電路可自檢并報(bào)告極板A和極板B電極之間與否短路。（3）測量置于兩極板之間給定的紙張數(shù)。每次在極板間放入被測紙張并固定后，一鍵啟動測量，顯示被測紙張數(shù)并發(fā)出一聲蜂鳴。每次測量從按下同一測量啟動鍵到發(fā)出蜂鳴的時間不得超出5秒鐘，在此期間對測量裝置不得有任何人工干預(yù)。

第二章系統(tǒng)方案的選擇與論證2.1系統(tǒng)總體構(gòu)成本實(shí)驗(yàn)重要由STM32F767核心板與STM32F334板，電源模塊，放大模塊，AD模塊顯示模塊，銅板構(gòu)成。2.2系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案以銅板作為導(dǎo)體材質(zhì)，由于AD模塊可把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，因此運(yùn)用AD模塊可實(shí)現(xiàn)紙張計(jì)數(shù)的功效。當(dāng)有紙張放入兩極板之間時，電極板的電容發(fā)生了變化，這就會造成AD轉(zhuǎn)換數(shù)的變化，從而反映紙張數(shù)量。2.3具體實(shí)現(xiàn)方案的選擇與論證我們設(shè)計(jì)了兩個備選方案方案一：由于FDC2214是基于LC諧振電路原理的一種電容檢測傳感器，因此運(yùn)用FDC2214的工作原理可實(shí)現(xiàn)紙張計(jì)數(shù)的功效。當(dāng)紙張數(shù)量發(fā)生變化時，兩極板間的電容發(fā)生了變化，這就會造成LC電路振蕩頻率的變化，從而反映出紙張的數(shù)量。FDC2214傳感器模塊實(shí)現(xiàn)紙張數(shù)量顯示的實(shí)驗(yàn)中存在較多問題，傳感平面的面積越大、紙張與傳感平面的距離越小，感應(yīng)的頻率變化越大，會引入更多的干擾，因此不采用該方案。方案二：針對于主控芯片：能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)檢測的單片機(jī)有多個，例如STM32，TI公司的MSP5229以及STC公司系列。結(jié)合數(shù)據(jù)解決狀況以及芯片使用難度，我們選擇STM32F767芯片，其性能更符合規(guī)定。從紙張數(shù)量檢測方面講：紙張數(shù)量能夠通過AD模塊或FDC2214傳感器兩種方式來實(shí)現(xiàn)。FDC2214傳感器模塊實(shí)現(xiàn)紙張數(shù)量顯示的實(shí)驗(yàn)中存有缺點(diǎn)，外部環(huán)境的不可控因素會造成LC電路振蕩頻率的變化，干擾有效信號。AD模塊能較好地避免這類狀況的發(fā)生，故采用更為穩(wěn)定的AD模塊。從數(shù)據(jù)通信方面來講：芯片間的通信只能使用I2C合同，能夠采用有線傳輸和無線傳輸兩種方式?？紤]到電極板間電容敏捷度極高，無線合同會產(chǎn)生較大干擾使成果不精確，因此采用有線傳輸?shù)腎IC合同傳輸。最后，修改實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)一步對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，從而達(dá)成完美的數(shù)據(jù)范疇成果。用采集各數(shù)量紙張的數(shù)據(jù)樣本，再對數(shù)據(jù)進(jìn)一步精確化，進(jìn)而完畢實(shí)驗(yàn)。因此，我們選擇方案二。第三章電路與程序設(shè)計(jì)3.1硬件實(shí)現(xiàn)原理3.1.1整體原理采用STM32F767核心板與STM32F334板以I2C總線互相通信。其整體原理如圖3-1所示。STM32F767核心板與STM32F334板通信連接接口原理圖如圖3-2所示。圖3-1圖3-23.1.2電源模塊通過加入12V電壓，分別產(chǎn)生3.3V，5V，-5V的電壓，其基本原理如圖3-3所示。圖3-33.1.3放大模塊測試端RC放大及CD4051程控放大為第一級放大，放大倍數(shù)為RC,通過電容濾除外部50赫茲干擾，變化電容大小使電壓穩(wěn)定且放大明顯，通過反向放大器，去耦濾波，產(chǎn)生測試信號。原理圖如圖3-4。后級放大模塊及增強(qiáng)抗干擾模塊如圖3-5。圖3-4圖3-53.1.4DA輸入模塊DA模塊是用來通過一定的電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。模擬量能夠是電壓、電流等電信號，也能夠是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。其原理圖如圖3-6所示。圖3-63.1.5顯示模塊DC4832:有400MHz32位雙核解決器，操作系統(tǒng)為嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，分辨率為480*320，擁有按鈕，文本，下拉菜單，二維碼，進(jìn)度條等多個組態(tài)控件，內(nèi)置虛擬數(shù)字，字符鍵盤，支持中英文輸入法，可自定義鍵盤，支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)控件內(nèi)容導(dǎo)出到U盤。系統(tǒng)內(nèi)置多個顯示圖層，切換速度更快，上位機(jī)內(nèi)嵌Lua腳本編譯器，顧客可在屏內(nèi)自定義多個復(fù)雜邏輯關(guān)系，滿足大部分的產(chǎn)品功效需求3.1.6程序下載模塊在給STM32燒寫程序調(diào)試的時候，傳統(tǒng)20腳JTAG底座個頭大，占用PCB面積多，連接線復(fù)雜。采用SWD模式Jlink，只需要三根線即可與目的板實(shí)現(xiàn)通訊，可實(shí)現(xiàn)程序下載，單步調(diào)試等功效。如圖3-7。圖3-73.2程序構(gòu)造第四章測試成果與誤差分析4.1測試方案（1）硬件測試檢查各個螺絲，焊接點(diǎn)以及粘合處與否連接牢固，焊接口與否有虛焊現(xiàn)象。軟件仿真測試通過編譯，檢查與否存在語法錯誤，再進(jìn)行仿真，檢查能否達(dá)成預(yù)期效果。4.2測試成果第一次測試：初值：584紙張數(shù)12345678910AD值597608620629640648660671680693差值13111291181211913紙張數(shù)11121314151617181920AD值704716724733744756768779788796差值1012891112121198紙張數(shù)21222324252627282930AD值804814821829834841849855859864差值81078578645第二次測試：初值：584紙張數(shù)12345678910AD值594603613624634642652663673685差值109101110810111012紙張數(shù)11121314151617181920AD值696708719731739749760770781791差值1112111281011101110紙張數(shù)21222324252627282930AD值800812823832842850858865874881差值9121191088797成果分析：從總體上來看，,每增加一張紙，AD數(shù)值變化以10為中心，波動為3,4左右。且差值隨著紙張數(shù)的增加有逐步減小的趨勢，當(dāng)紙張數(shù)量過多時，差值與波動相近，因此難以精確檢測出過多紙張的數(shù)量。通過調(diào)節(jié)，第二次數(shù)據(jù)AD數(shù)值變化較為穩(wěn)定，且AD值無明顯波動，可較為精確的測量出紙張的數(shù)量。

第五章總結(jié)由于電路中需要多個電壓的電源，因此使顧客、母版電源模塊，將12V電壓轉(zhuǎn)換為多路需要的電壓

由于外界環(huán)境因素易對電容變化產(chǎn)生干擾，因此在硬件組裝中，調(diào)節(jié)兩極板距離和導(dǎo)線形狀，采用CD4052BC增強(qiáng)抗干擾能力，在軟件中采用多次采集數(shù)據(jù)求平均的辦法。在調(diào)試過程中，要注意檢測放大倍數(shù)、激勵正負(fù)以及波形的抖動狀況，可適度調(diào)節(jié)兩個極板之間的距離。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，距離比較小時，實(shí)驗(yàn)效果較好且AD轉(zhuǎn)換后的值會更穩(wěn)定，觀察增加一張紙AD值的變化，待數(shù)據(jù)較穩(wěn)定時（即AD值浮動范疇在五個點(diǎn)左右）再增加紙張的數(shù)量。抱負(fù)效果應(yīng)是每增加一張紙，AD值變化大致相似。

最后，回想這次電子設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)重要的設(shè)計(jì)構(gòu)造，軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)和元器件的選擇都有效確保了實(shí)驗(yàn)最后的精度。