2019年F题:纸张计数显示装置

1年前

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

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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。

文档

PCB_2020-06-01_15-41-49

在编辑器中打开

BOM

ID Name Designator Footprint Quantity BOM_Manufacturer Part BOM_Manufacturer BOM_Supplier BOM_Supplier Part Price
1 TMB12A05 BUZZER1 B-12*7.5 1 TMB12A05 HNDZ LCSC C96093 1.43
2 20pF C2,C3 CAP_0603 2 TCC0603COG200J500CT CCTC LCSC C376774 0.019116
3 220uF C4 CAP-D6.3XH5.5 1 CS1A221M-CRE54 SEMTECH LCSC C116413 0.221278
4 100nF C1,C5,C6 0603 3 0603B104K500NT FH LCSC C30926 0.01839
5 4.7uF C7 0603 1 0603X475K160NT FH LCSC C99229 0.141403
6 2.2uF C8,C9 0603 2 CC0603ZRY5V7BB225 YAGEO LCSC C106832 0.0372
7 330pF C14 0402 1 C0402X7R331K500NTB Shenzhen Eyang Tech Development LCSC C115681 0.0792
8 100nF C10,C11,C12,C13,C15,C16,C17,C18,C19,C20 0603 10 0603B104K160 WTC LCSC C80516 0.020355
9 180pF C21 C0603 1 0603N181J500CT Huaxin S&T LCSC C296050 0.060638
10 27pF C22 0603 1 CL10C270JB8NNNC SAMSUNG LCSC C1656 0.042992
11 1pF C23 C0603 1 CL10C010CB8NNNC SAMSUNG LCSC C23969 0.043392
12 100nF C24,C25 C0603 2 0603B104J250CT Huaxin S&T LCSC C237171 0.277944
13 56nF C26 C0603 1 CC0603KRX7R7BB563 YAGEO LCSC C519432 0.047425
14 100nF C27,C28,C32,C33 C0603 4 0603B104K160 WTC LCSC C80516 0.020355
15 10uF C29 C0603 1 0603X106K160NT FH LCSC C70225 0.376737
16 33uF C31 C1812 1 C4532X7R1C336MT000N TDK LCSC C342604 4.08
17 SK310A-LTP D1 SMA_L4.4-W2.8-LS5.4-RD 1 SK310A-LTP MCC LCSC C91474 0.62531
18 Z-211-0411-0021-001 H1,H2 HDR-4X1/2.54 2 Z-211-0411-0021-001 ZHENGLING LCSC C152150 0.1115
19 220S-1*4P H=8.5MM Ytype Gold-plated H3,H4 DIP-1X4P2.54 2 220S-1*4P H=8.5MM Ytype Gold-plated Ckmtw LCSC C124413 0.468
20 180uH L1,L2 L1812 2 FHW1812IF181JST Guangdong Fenghua Advanced Tech LCSC C394136 0.71086
21 BL-HJC36G-AV-TRB LED1,LED4 LED-0603 2 BL-HJC36G-AV-TRB Bright LED Elec LCSC C165983 0.099984
22 FC-DA1608HRK-620D LED2,LED3 LED0603-FD 2 FC-DA1608HRK-620D NATIONSTAR LCSC C84263 0.0806
23 WJ128V-5.0-2P P1 WJ128V-2P-5.0 1 WJ128V-5.0-2P ReliaPro LCSC C8269 0.529018
24 SI2302_C351399 Q1 SOT-23 1 SI2302 PUOLOP LCSC C351399 0.134709
25 82K R3 R0603 1 0603WAF8202T5E UniOhm LCSC C23254 0.00585
26 10K R4 R0603 1 RMS06JT103 TA-I Tech LCSC C209220 0.012797
27 1K R5,R7,R32 R0603 3 WR06X102 JTL Walsin Tech Corp LCSC C384295 0.004028
28 3.3K R8,R9 R0603 2 WR06X332 JTL Walsin Tech Corp LCSC C384241 0.004166
29 2K R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17,R22,R27,R28,R31 0603 12 0603WAF2001T5E UniOhm LCSC C22975 0.00575
30 10K R6,R18 0603 2 RMCF0603JT10K0 Stackpole Elec LCSC C238881 0.028846
31 8.06K R19,R20 R0603 2 0603WAF8061T5E UniOhm LCSC C23112 0.006373
32 100M R23 R0603 1 0603WAJ0107T5E Uniroyal Elec LCSC C422892 0.164069
33 10K R1,R2,R21,R24,R30 R0603 5 AECR0603F10K0K9 ResistorToday LCSC C328335 0.028794
34 360 R25,R26 R0603 2 0603WAF3600T5E UniOhm LCSC C25194 0.007693
35 10K R29 RES-ADJ-TH_3P-L10.0-W10.0-P2.50-L 1 3296W-1-103 Chengdu Guosheng Tech LCSC C118954 0.79984
36 8038 SK1 DIP-14_L17.8-W10.2-P2.54-BL 1 - Boom Precision Elec LCSC C2325 0.163967
37 K2-1102DP-C4SW-04 SW1,SW2,SW3,SW4,SW5 DIP-6*6*7.5 5 K2-1102DP-C4SW-04 HRO LCSC C110153 0.0365
38 AMS1117-3.3 U1 SOT-223 1 AMS1117-3.3 AMS LCSC C6186 0.728
39 NN1-05D09BN U2 THROUGH HOLE_B_19.50× 6.00 1 NN1-05D09BN Guangzhou Aipu Elec Tech LCSC C232000 12
40 STM32F030F4P6 U3 TSSOP-20 1 STM32F030F4P6 STMicroelectronics LCSC C32908 9.16
41 MC33072ADR2G U4 SOIC-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL 1 MC33072ADR2G ON LCSC C26356 1.7226
42 AD736ARZ-R7 U5 SOIC-8_L5.0-W4.0-P1.27-LS6.0-TL 1 AD736ARZ-R7 Analog Devices LCSC C408827 41.07
43 MICRO5.9MMUSB USB1 MICRO-USB-SMD_5PIN-H-FEMALE-PITCH0.65-L_MICRO5.9MMUSB 1 MICRO5.9mmusb SHOU HAN LCSC C393940 0.15679
44 8MHz X1 HC-49SMD 1 6CS08000F20UCG SHENZHEN CRYSTAL TECH LCSC C252310 0.69986

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