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[原创] 纸张计数测量显示装置+【2019年电赛F题国一获奖作品】

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发表于 2019-9-2 19:10:26 |显示全部楼层
一 题目要求:

二 设计方案

1.硬件部分

硬件部分的制作,当初我们组内讨论了三套方案


  • 用FCD2214芯片去采,两极板之间的电容,通过FCD2214转化为AD值,经过测试,发现FCD2214的值,受周围环境的变化影响较大。
  • 运用NE555芯片,经过测试,NE555测试时,发现纸张数量,越来越多时,两极板之间的电容变化不是很明显,所以NE555芯片,精度不够
  • 运用伏安法,采用如下的电路结构,CX为待测极板
  • QQ截图20190906200831.png

2.方案描述
  DDS模块输出100KHZ的正弦波,经过待测装置,再通过全波整流电路,将交流信号转换为直流信号,经TM7705转换为AD值,传递给MCU,计算出纸张数量。
   QQ截图20190902183604.png
3.测量原理
  在测量装置的两极板间不断增加纸张数量,引起极板间电荷分布变化,从而引起极板电容变化,即测量极板间的电容变化便可计算得相对应纸张数。
两极板之间的电容与极板之间的纸张厚度的关系,如下公式2.1-1所示
QQ截图20190906202318.png

控制信号源输入信号幅值不变,电容变化导致电流大小的变化,导致电阻两端电压的变化,通过全波整流可以得到电阻两端的电压,此电压与纸张数存在一定关系。上图2-1为容抗测量电路,反馈通道上的电流与反相端电流相等,根据电容阻抗公
式 与欧姆定律,通过测得采样电阻电压值,便可计算出纸张数。


4.抗干扰分析
  • 从硬件方面,将流经被测装置之后的交流信号经过中心频率为100KHZ,等效品质因素Q为5的有源二阶带通滤波器,过滤高频干扰和低频干扰,具体电路可看附录1。
  • 从软件方面,运用数字滤波算法,将采集到的AD值进行中值平均滑动限幅滤波处理。
  5.误差分析
  • 测量过程中,由于外界干扰因素或者系统本身引起的引起零点漂移,会造成测量误差,在测量电路上,覆盖屏蔽板,可以减小外界干扰因素的影响。
  • 人体靠近极板的过程中,由于人体自身所带的电磁场影响待测装置的两极板间的电荷分布从而引起误差。

6.电路设计及参数计算



  • 反馈电阻计算
   信号源给出高频信号,信号作用于待测电容上,不同容值的电容会产生不同的容抗,产生不同的电流,通过采样电阻将电流值转换为电压值,此电压值与电容值呈一定关系。图中,反馈通道上的电流与反相端电流相等,其中接口XH为检测装置的极板,电路中的采样电阻的确定由如下公式推算,经测试,测量装置的极板间短路与满载时的电容为20pF与600pF,工作频率为100KHZ,根据运算放大器的虚短虚断特点,同相端与反向电端压值相等,可推算出,反馈点钟的大小分别是166R,和500R,在电路中考虑到采样

  • 驱动信号源电路参数计算
信号源输出波形后,用一阶高通进行隔离直流,使用106电容与10K电阻。由于信号源输出电压最大峰峰值为500mV,为测得更精准的AD值,将信号源峰峰值放大至2.6V,即放大5倍,根据同向放大器放大倍数公式,故电阻取值为10K和39K.
   
QQ截图20190919145434.png

  • AD采样电路
为了提高AD采样的精度,我们采用的是AD7705这块芯片,AD7705是双通道16位AD的芯片。我们外部给AD7705提供2.5V的基准源。在AD7705和CPU通讯时,需要注意AD7705容易死机的问题,需要在AD7705通讯程序里,加入类似于看门狗的程序防止芯片死机。在AD采样电路前面应加入,二阶带通滤波电路,滤去干扰信号,二阶带通滤波电路滤波器的中心频率为信号源频率,品质因素Q为2.8。二阶带通滤波电路之后应该将交流信号转化为直流信号—有效值转化,有效值转化电路可以采用AD637芯片或者全波整流电路。考虑到系统的整个功耗和稳定性,我们采用全波整流电路。

  2.软件部分
主控芯片我们采用的是STM8L单片机,STM8L单片机的功耗较低,软件流程图如下图所示
QQ截图20190919151730.png

在软件设计过程中,需要意的数据如何处理,在数据采样阶段,我们采用了采用了阈值滤波,滑动平均滤波,中值滤波的方法。将数据采样回来以后,对数据进行拟合,发现拟合出来曲线不理想,用多项式拟合也发现,拟合出来曲线也不理想。最后通过数据分析发现,数据曲线趋势,接近反比例函数趋势。打算采用反比例函数去拟合,结果发现曲线很完美。故采用这种方式去拟合曲线



实物照片:


QQ图片20190919160157.jpg




存在不足之处请见谅,原理图在附件里

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