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STM32F334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。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。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597608620629640648660671680693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696708719731739749760770781791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。