2019電賽選題：紙張計(jì)數(shù)顯示裝置（F題）
1．設(shè)計(jì)內(nèi)容中文摘要
設(shè)計(jì)并制作紙張計(jì)數(shù)顯示裝置，其組成如圖 1 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。
圖1 紙張計(jì)數(shù)顯示裝置組成
2.設(shè)計(jì)方案工作原理
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，并盡可能達(dá)到最好，該系統(tǒng)的總體框架可分為幾個基本的模塊，框圖如（圖2）所示：
圖 2 系統(tǒng)總體框圖
2.2極板方案分析比較
（1）極板論證與選擇
方案1：金屬板材。
電阻率較低，導(dǎo)電性能較好。但是也有如下缺點(diǎn)：金屬板材厚度即板材前后左右四面會有電場，形成電場的邊緣效應(yīng)對平板電容的影響，所以若直接用不考慮邊緣效應(yīng)時的平行板電容器公式去計(jì)算所測介質(zhì)的介電常數(shù)，其結(jié)果就會偏大，若其大于測量誤差，邊緣效應(yīng)的影響便不可忽略，有必要對測量結(jié)果進(jìn)行修正；金屬板材純度越高強(qiáng)度越低；部分金屬引出導(dǎo)線有難度，例如鋁；并且如果采取全金屬，外界對電極板電容干擾較大。
方案2：雙面覆銅板（具有過孔工藝）。
銅厚度僅為0.3mm，盡可能平行，方便引出導(dǎo)線，并且雙面覆銅板另一面可以形成靜電屏蔽，從而降低外界對測量的干擾。但是不具有過孔工藝，引出導(dǎo)線有難度。由于本身極板電容比較小，外界干擾很容易影響電容值，從而形成誤差。
綜合考慮，選擇方案2.
(2)導(dǎo)線的論證與選擇
方案1：杜邦線：市面上500mm需要定制，材料有鐵和銅，鐵線阻抗高于銅線，抗干擾能力差。并且，杜邦線的絕緣層較薄，外界比較容易對其產(chǎn)生影響。
方案2：屏蔽線：抗干擾能力強(qiáng)，阻抗小，但是外殼接地有點(diǎn)難度。
由于本題測量電容值較小，所以主要考慮減少外界干擾的影響，因此盡量減少外界因數(shù)，綜合考慮，選擇方案2。
2.3極板機(jī)械結(jié)構(gòu)分析比較
方案1：通過卡住A4雙面覆銅板的形式，測量紙張數(shù)。
圖3 SolidWorks建模圖
圖4 實(shí)物圖
方案2：用三根鋼軸連接上下倆個平面，連接處用含油軸承保持順滑度，三點(diǎn)確定一平面，使上下倆個面時刻處于水平位置，通過直升的形式，卡主紙張，測量紙張數(shù)。
圖5 SolidWorks建模圖
圖6 實(shí)物圖
綜合考慮，由于雙面覆銅板過孔使極板接觸面產(chǎn)生突起，測量時不能完全貼緊紙張，所以選擇方案1。
3．核心部件電路設(shè)計(jì)
3.1關(guān)鍵器件的論證與選擇
（1）MCU的論證與選擇
方案1：STM32系列芯片具有功耗低、片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，功能強(qiáng)大。
方案2：MSP430一種16位超低功耗，雖然比51單片機(jī)功能強(qiáng)大。但是msp430仍有可能工作速度跟不上。
方案3：STC89C52系列芯片具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性能強(qiáng)悍,很難被破解的優(yōu)點(diǎn)。但是其功耗較高，運(yùn)行速度慢，故不采用此方案。
由于本題要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，并且stm32操作簡單，資料豐富。綜合考慮，選擇方案1。
(2)傳感器的論證與選擇
方案1：TI公司的FDC2214 是面向電容式傳感解決方案的抗噪聲和 EMI、高分辨率、高速、多通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器系列。該系列器件采用基于窄帶的創(chuàng)新型架構(gòu)，可對噪聲和干擾進(jìn)行高度抑制，同時在高速條件下提供高分辨率。該系列器件支持寬激勵頻率范圍，可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來靈活性。寬頻率范圍對于導(dǎo)電液體感測的可靠性特別有用。FDC2214 經(jīng)過優(yōu)化，分辨率高達(dá) 28 位，250nF 超大最高輸入電容支持使用遠(yuǎn)程傳感器并跟蹤環(huán)境隨時間、溫度和濕度的變化情況。
方案2：使用NE555芯片產(chǎn)生振蕩，給極板充電，構(gòu)成一個充放電回路，設(shè)置一個振蕩電路的頻率，然后通過單片機(jī)來檢測電路變化，他頻率變化對應(yīng)紙張的張數(shù)。
由于FDC2214是工業(yè)級別的，具有28位，NE555達(dá)不到這樣的精度的，并且自身存在這零點(diǎn)漂移和干擾，綜合考慮，選擇方案1。
3.2核心電路設(shè)計(jì)仿真
（1）STM32F103RCT6最小系統(tǒng)板
圖 2 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)板原理圖
圖 7 FDC2214電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器原理圖
通道CH0A和CH0B分別連接兩個極板，測量出電容值，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)化為一個數(shù)值，單片通過I2C讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
內(nèi)部轉(zhuǎn)化公式為：Csensor=1/L*(2Π*fsensor)-C
（3）蜂鳴器
圖 8 BEE原理圖
圖 9 BEE的PCB圖
當(dāng)被測紙張固定后，一鍵啟動測量，程序給I/O口高電平，三極管SS8050導(dǎo)通，有源蜂鳴器發(fā)出聲響。
（4）1602液晶屏
1602液晶屏通過PCF8574兩條雙向總線（I2C）實(shí)現(xiàn)I/O的擴(kuò)展，與單片機(jī)進(jìn)行通信，且PCF8574輸出鎖存具有大電流驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動LED。
4．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析
軟件部分主要分成菜單界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集和處理部分，程序流程圖如下。
5．競賽工作環(huán)境條件
5.1設(shè)計(jì)分析軟件環(huán)境
（1）編程環(huán)境：Keil MDK5
（2）編程語言：C語言
5.2儀器設(shè)備硬件平臺
可編程線性直流源、函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器、萬用表、數(shù)字電橋TH2816B。
5.3配套加工安裝條件
電鉆、熱熔膠槍、雕刻機(jī)、熱風(fēng)槍、雕刻刀、倒角刀、3D打印機(jī)等
6．作品成效總結(jié)分析
6.1制作結(jié)果
經(jīng)過四天三夜的努力，我們將紙張計(jì)數(shù)顯示裝置設(shè)計(jì)制作完成，經(jīng)過不斷的調(diào)參，都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，電路方面，我們使用FDC2214，較為成功的擬合出電容的曲線，但是精度還有待提高，機(jī)械方面，我們的通過3D打印技術(shù)，做出來的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常的實(shí)用，使兩個板之間相對平行，進(jìn)一步減小誤差，使測量更加精確。
6.2 結(jié)論與心得
通過這次比賽，我們受益匪淺。學(xué)習(xí)到了很多全新的知識，對電容測距以及3D打印技術(shù)有了更多的了解和認(rèn)識。在制作的過程中，我們也遇到了很多難題。比如一開始我們就遇到了硬件選擇的難題:我們本來準(zhǔn)備了比較堅(jiān)硬的厚環(huán)氧樹脂板，切出來后發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂板整體不水平，導(dǎo)致一天的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)白費(fèi)；后來又設(shè)計(jì)了四角固定A4雙面覆銅板的方式，并考慮重物的選擇，避免金屬對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，我們用4個塑小料瓶裝滿沙子作為重物，并用3D打印出了固定小瓶的座子，雖然后面沒采用，但是仍是個加重好方法；在四角固定的方式在實(shí)驗(yàn)時，同時又設(shè)計(jì)了一套直升壓緊紙張的裝置，可惜由于嵌入的雙面覆銅板過孔有突起，并不能壓緊紙張，只能放棄。我們連夜用3D打印機(jī)做出各種結(jié)構(gòu)，但是都不怎么管用。最后還是采用A4板邊緣固定的方式。反復(fù)的嘗試、實(shí)驗(yàn)，再修改耗費(fèi)了我們大量的時間和精力。但我們相互鼓勵安慰，從不放棄，努力找出原因，突破難點(diǎn)，一步一步走出困境。
這四天三夜，有遺憾同樣也有收獲。我們體驗(yàn)到了團(tuán)隊(duì)的力量，溝通的重要性以及遇到困難不退縮迎難而上的寶貴精神。最后感謝學(xué)校以及全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會給我們提供這么優(yōu)秀的平臺和機(jī)會。
