2019年F题:纸张计数显示装置 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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标准版 2019年F题:纸张计数显示装置

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简介:该工程为2019年电子设计大赛F题的工程,通过放大器检测电容的方法,对纸张与平板构成的电容进行检测,从而获得纸张的数量,并通过OLED显示出来。

开源协议: GPL 3.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2020-05-30 19:54:35
更新时间: 2023-07-29 17:39:20
描述

1.题目要求及内容

      使用A、B极板(尺寸:为边长 50mm±1 mm 的正方形),导线a、b(尺寸:长度均为 500mm±5mm)以及测量电路,对两极板之间的纸张数量进行测量。测量数量为1~30张,并且电路拥有自校准、短路检测等功能。

 

2.设计思路

      测量纸张的数量实际为测量由纸张和两极板构成的电容的大小,可以通过测量等效电容的大小可以间接测量纸张数量。

 

3.原理分析

      电路由以下几部分构成:

      1)电源部分,提供+3.3V(单片机)、±9V电压(运算放大器);

      2)波形发生电。产生正玄波,为测量电路提供信号源;

      3)检测电路。检测极板电容与基准电容的比值(运算放大器原理);

      4)滤波电路。滤除工频干扰(十分重要);

      5)幅值检测电路。将检测电路输出转换为对应的电压;

      6)主控电路。进行ADC检测,按键检测、蜂鸣器控制、显示控制等。

 

      具体原理:运用电容检测原理中的运算放大器检测原理,将极板电容的电容值转换为对应的电压。

    buJdDIxIJ5J7vftQDv5uzVo3R7amAvc0KBvanTpi.png

      由于公式中的两极板间距与纸张数量成正比,故输出电压随纸张数量线性增长,具有非常好的线性度,便于实际的测量与转换。

      所有的前提是Cf的容抗要大于Rf的阻值。

 

4.实物图展示

 

实物图 焊锡飞线为交流信号线;红色细飞线为直流信号线(原本的检测AD的IO烧坏了,就更换了一个);黑色细飞线无用。

 

5.调试流程

      1)第一步首先对正玄波发生电路的输出进行调试,其输出幅值随后级运算放大器的电源电压而定(一般为0.05~0.1左右),频率最好大于100khz;

      2)对检测电路进行调试。选定电容C0(基准电容)的大小。其原则是使输出在纸张为30张时输出的电压为最大可靠输出电压的一般,以求获得最大的分辨率(单张纸张构成的输出电压变化量)。条件允许的情况下可以先测量极板构成的大小(一边为200pf左右),在根据实际电路选定;

      3)对滤波电路进行调整。(基本没有问题)其目的是为了滤去工频信号的干扰;

      4)对峰值检测电路进行调试,以求达到最小的误差。有条件的情况建议使用有效值检测电路,其精度会大大提升。

      5)对程序进行调试。相对来说较为简单,可根据自己的习惯来编写,主要为ADC检测问题。

 

6.视频演示

      视频地址: https://www.bilibili.com/video/BV1Xi4y1N7gE/

 

7.源码附件

     见文末附件

     附件1:程序源码

     附件2:存在的问题及解决方法(部分问题已经解决2021-3-17)。

     附件3:说明(一些注意事项)

 

注:本工程已经更新完成。

设计图
原理图
1 /
PCB
1 /
未生成预览图,请在编辑器重新保存一次
ID Name Designator Footprint Quantity BOM_Supplier BOM_Supplier Part BOM_Manufacturer BOM_Manufacturer Part
1 MICRO5.9MMUSB USB1 MICRO-USB-SMD_5PIN-H-FEMALE-PITCH0.65-L_MICRO5.9MMUSB 1 LCSC C393940 SHOU HAN MICRO5.9mmusb
2 WJ128V-5.0-2P P1 WJ128V-2P-5.0 1 LCSC C8269 ReliaPro WJ128V-5.0-2P
3 AD736ARZ-R7 U5 SOIC-8_L5.0-W4.0-P1.27-LS6.0-TL 1 LCSC C408827 Analog Devices AD736ARZ-R7
4 TMB12A05 BUZZER1 B-12*7.5 1 LCSC C96093 HNDZ TMB12A05
5 180pF C21 C0603 1 LCSC C296050 Huaxin S&T 0603N181J500CT
6 1pF C23 C0603 1 LCSC C23969 SAMSUNG CL10C010CB8NNNC
7 8.06K R19,R20 R0603 2 LCSC C23112 UniOhm 0603WAF8061T5E
8 100nF C5,C6,C1,C18,C17,C20,C11,C19,C13,C12,C10,C16,C15 0603 13 LCSC C80516 WTC 0603B104K160
9 100nF C28,C33,C27,C32,C24,C25 C0603 6 LCSC C237171 Huaxin S&T 0603B104J250CT
10 330pF C14 0402 1 LCSC C115681 Shenzhen Eyang Tech Development C0402X7R331K500NTB
11 82K R3 R0603 1 LCSC C23254 UniOhm 0603WAF8202T5E
12 27pF C22 0603 1 LCSC C1656 SAMSUNG CL10C270JB8NNNC
13 3.3K R9,R8 R0603 2 LCSC C384241 Walsin Tech Corp WR06X332 JTL
14 10K R29 RES-ADJ-TH_3P-L10.0-W10.0-P2.50-L 1 LCSC C118954 Chengdu Guosheng Tech 3296W-1-103
15 33uF C31 C1812 1 LCSC C342604 TDK C4532X7R1C336MT000N
16 8038 SK1 DIP-14_L17.8-W10.2-P2.54-BL 1 LCSC C2325 Boom Precision Elec -
17 100M R23 R0603 1 LCSC C422892 Uniroyal Elec 0603WAJ0107T5E
18 10K R4,R24,R21,R1,R30,R2 R0603 6 LCSC C328335 ResistorToday AECR0603F10K0K9
19 Z-211-0411-0021-001 H1,H2 HDR-4X1/2.54 2 LCSC C152150 ZHENGLING Z-211-0411-0021-001
20 AMS1117-3.3 U1 SOT-223 1 LCSC C6186 AMS AMS1117-3.3
21 SK310A-LTP D1 SMA_L4.4-W2.8-LS5.4-RD 1 LCSC C91474 MCC SK310A-LTP
22 FC-DA1608HRK-620D LED3,LED2 LED0603-FD 2 LCSC C84263 NATIONSTAR FC-DA1608HRK-620D
23 2.2uF C9,C8 0603 2 LCSC C106832 YAGEO CC0603ZRY5V7BB225
24 220S-1*4P H=8.5MM Ytype Gold-plated H3,H4 DIP-1X4P2.54 2 LCSC C124413 Ckmtw 220S-1*4P H=8.5MM Ytype Gold-plated
25 220uF C4 CAP-D6.3XH5.5 1 LCSC C116413 SEMTECH CS1A221M-CRE54
26 2K R15,R28,R16,R31,R17,R27,R12,R13,R10,R11,R22,R14 0603 12 LCSC C22975 UniOhm 0603WAF2001T5E
27 8MHz X1 HC-49SMD 1 LCSC C252310 SHENZHEN CRYSTAL TECH 6CS08000F20UCG
28 NN1-05D09BN U2 THROUGH HOLE_B_19.50× 6.00 1 LCSC C232000 Guangzhou Aipu Elec Tech NN1-05D09BN
29 SI2302_C351399 Q1 SOT-23 1 LCSC C351399 PUOLOP SI2302
30 20pF C2,C3 CAP_0603 2 LCSC C376774 CCTC TCC0603COG200J500CT
31 56nF C26 C0603 1 LCSC C519432 YAGEO CC0603KRX7R7BB563
32 STM32F030F4P6 U3 TSSOP-20 1 LCSC C32908 STMicroelectronics STM32F030F4P6
33 10uF C29 C0603 1 LCSC C70225 FH 0603X106K160NT
34 360 R26,R25 R0603 2 LCSC C25194 UniOhm 0603WAF3600T5E
35 180uH L2,L1 L1812 2 LCSC C394136 Guangdong Fenghua Advanced Tech FHW1812IF181JST
36 1K R5,R7,R32 R0603 3 LCSC C384295 Walsin Tech Corp WR06X102 JTL
37 10K R18,R6 0603 2 LCSC C238881 Stackpole Elec RMCF0603JT10K0
38 4.7uF C7 0603 1 LCSC C99229 FH 0603X475K160NT
39 K2-1102DP-C4SW-04 SW2,SW3,SW4,SW5,SW1 DIP-6*6*7.5 5 LCSC C110153 HRO K2-1102DP-C4SW-04
40 MC33072ADR2G U4 SOIC-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1 LCSC C26356 ON MC33072ADR2G
41 BL-HJC36G-AV-TRB LED1,LED4 LED-0603 2 LCSC C165983 Bright LED Elec BL-HJC36G-AV-TRB

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