【武汉理工大学-艺嘉敬】2019年F题:纸张计数显示装置复现

1年前

简介:【武汉理工大学-艺嘉敬】2019年F题纸张测量装置复现 视频链接:https://www.bilibili.com/video/BV1ja411A72y/

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描述

2019年F题:纸张计数显示装置复现   2019国家一等奖

队伍名称:艺嘉敬

队伍成员:李郜敬、李飞扬、张嘉明

指导老师:实验中心

参赛题目: 纸张计数显示装置

一、任务

设计并制作纸张计数显示装置,其组成如图 1 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。

二、要求

1.基本要求

(1) 极板 A 和极板 B 上的金属电极部分均为边长 50mm±1 mm 的正方形,导线 a 和导线 b 长度均为 500mm±5mm。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 1~10 张不等的给定纸张数。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。

2.发挥部分

(1) 极板、导线均不变,测量置于两极板之间 15~30 张不等的给定纸张数。对测量启动键、显示蜂鸣、测量时间、不得人工干预等有关要求同“基本要求(3)”。

(2) 极板、导线均不变,测量置于两极板之间 30 张以上的给定纸张数。对测量启动键、显示蜂鸣、测量时间、不得人工干预等有关要求同“基本要求(3)”。

(3) 其他。

三、说明

(1) 被测纸张一律为 70g 规格的 A4 复印纸,极板 A、B 电极接触被测纸张的具体位置不限。测试时使用测试现场提供的同规格纸张。

(2) 极板 A、B 可用金属板材制作,也可用双面覆铜板(简称双面板)制作。双面板的一面加工出边长 50mm±1mm 的正方形覆铜电极板,另一面允许有用于焊接导线 a、b 的过孔焊盘与引线、不允许有覆铜面网。禁止用多层板制作极板。

(3) 极板 A、B 与导线 a、b(信号线)必须为二线制平行极板结构,每块极板的电极只能连接一根信号线;导线 a、b 的线缆类型与排布方式不限。极板、导线不符合上述要求的不予测试。

(4) 参赛者自行设计极板与纸张之间的结构,使两极板能压紧或夹紧被测纸张,该结构不得增加电极板面积;极板 A、B 与导线 a、b 部分不得安装或连接元器件、其他传感器或量器,否则不予测试。

(5) “自校准”应在测试前的作品恢复准备阶段完成,开始测试后不得再进行“自校准”操作。

(6) 每次开始测量只能按同一个启动键(只能按一次),完成测量时发出蜂鸣音并显示锁定的被测纸张数,无法锁定显示纸张数的不得分。

注:本项目只展示了部分电路,完成了题目要求设计的基本要求和发挥要求。


设计思路:本项目采用NE555芯片将电容(两极板夹带纸张是电容结构,夹带不同数量的纸张,相当于介质常数不同,则电容不同)转换成频率信号,通过FPGA进行对频率信号进行精确测量来得到频率信息。通过纸张—电容—频率之间的对应关系,进而得到纸张数量。

原理图分析:本项目主要的电路只有NE555经典的测容电路。原理图如下:

图中J1和J2连接两个不同的电极板,通过切换不同的R4或者R5可以将频率信号进行调节,以方便增加不同纸张的频率间隔。~~~~

image.png


电源电路设计:

image.png


电路图如下图所示:

image.png

机械结构如下图所示:

image.png

调试过程:见视频链接,十分详细!

视频演示:由于视频较大,故上传到了bilibii。

视频链接:

https://www.bilibili.com/video/BV1ja411A72y/

源码附件和报告:见工程下载区

文档

555测容电路

在编辑器中打开

555测容电路

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BOM

ID Name Designator Footprint Quantity
1 1N4007 D1,D2,D3,D4 DO-41_BD2.4-L4.7-P8.70-D0.9-RD 4
2 P2 H3 HDR-F-2.54_1X2 1
3 P8 H4 HDR-F-2.54_1X2 1
4 P7 H5 HDR-F-2.54_1X2 1
5 P4 H6 HDR-F-2.54_1X2 1
6 P1 H7 HDR-F-2.54_1X2 1
7 P6 H23 HDR-F-2.54_1X2 1
8 P3 蜂鸣器 BUZ1 BUZ-TH_SEA-12065C-42 1
9 LM7815 U1 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-L 1
10 LM7805 U5 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-L 1
11 LM79015 U4 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-L 1
12 LM7905 U6 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-L 1
13 0.1u C1,C2,C5,C7,C10,C12,C15,C16,C18,C20,C23,C24 RAD-0.1 12
14 LM317 U7 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-L 1
15 SP-2211 SW1,SW2,SW3 SW-TH_6P-L5.8-W5.8-P2.00-LS4.5-BL 3
16 D1短接指示灯 LED2 LED0805-RD 1
17 D2 LED7 LED0805-RD 1
18 0805G (Green) LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED6 LED0805-RD 6
19 10K R8,R10 RES-ADJ-TH_RS201111J011 2
20 P5 电源供电 H8 HDR-F-2.54_1X3 1
21 HDR-F-2.54_1x3 H1,H2,H3,H4,H5,H6,H7,H9,H10,H11,H12,H13,H14,H15,H16,H17,H18,H19,H20,H21,H22 HDR-F-2.54_1X3 21
22 C1 0.1u C25 C0805 1
23 C2 0.1u C26 C0805 1
24 C4 10u C27 C0805 1
25 C3 0.1u C28 C0805 1
26 0.1u C3,C4,C6,C8,C9,C11,C13,C14,C17,C19,C21,C22 C0805 12
27 J1 RF1 SMA-SMD_BWSMA-KE-P001 1
28 J2 RF2 SMA-SMD_BWSMA-KE-P001 1
29 NE555 U2 SOIC-8_L5.0-W4.0-P1.27-LS6.0-BL 1
30 LM337T U8 TO-220-3_L10.0-W4.5-P2.54-T 1
31 R6 1k R12 R0805 1
32 R4 3K R13 R0805 1
33 R2 1k R14 R0805 1
34 R1 1k R15 R0805 1
35 R4 1k R16 R0805 1
36 0欧姆 R17 R0805 1
37 R5 1K R7 R0805 1
38 1k R1,R2,R3,R4,R5,R6,R9,R11 R0805 8

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