2021/1/12 2019全国大学生电子设计大赛 - F题纸张计数 (纯模电设计方案 全国一等奖)

写在开头
研究生考试结束了，也算是闲下来了,打算把以前没有写、没有整理的一些东西重新整理一下，恰好翻到了这个资料，重温一下旧梦。

F题纸张计数 (测电容)

1.1 题目

具体的题目文件我会发在附录里面,在这里我简单介绍一下几个要点.

• 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。
• 测量显示电路可自检并报告极板 A 和极板 B 电极之间是否短路。
• 测量纸张数量大于60张
• 极板 A、B 可用金属板材制作，也可用双面覆铜板制作。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。
• 极板之间仅允许单线接出，极板不允许接地！

2.1 题目分析及思路

2.1.1 题目分析

从拿到所有题目到选出这道题，大概花了半小时，明确具体要测量电容之后，马上开始进入到机械结构的设计，其实本来这里要配图的，但是时间太久了，没有图了。
设计好机械结构后，简单的拿RLC电桥测量了一下电容范围，从一张纸到一坨纸，电容值大概在20pf - 600pf之间变化，但变化不是线性的，就大概可以设计电路了.
我们组能力比较强，我负责软件部分，我女朋友负责焊板子，还有个大佬负责硬件设计，商量了一下。具体方案如下：

• 主控芯片采用STM8L,电池供电,争取低功耗作为加分项(无效)
• 硬件部分采用

信号源

待测电容

带通滤波器

全波整流器

AD转换器

• 信号源选用 AD9833
• 带通滤波器 考虑到由电池供电 选用MCP6022 虚地1.25V
• 全波整流器 采用MCP6022
• AD转换器 采用TM7705 16Bit ADC

模块电路图见附录

2.1.2 测量思路

采用恒流法测量,测量原理来源于阻抗的定义。已知流经被测阻抗的电流$I_0$，并测得被测阻抗两端的电压$U_0$，则通过比率便可得到被测阻抗 $Z$= $\frac{U_0}{I_0}$ 在一定的工作频率下，根据电容容抗公式 $Z$ =$\frac{1}{2\pi fc}$ 得相应电容值变化，进而得到纸张数量。

2.2 部分电路设计

2.2.1 反馈电阻计算

• 如下图所示为容抗测量电路，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，同相端与反向端电压值相等。

2.2.2 驱动信号源电路

• 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 10K 与 39K。
  

2.2.3 带通滤波器设计电路

• 为增加抗干扰能力，设置中心频率为100KHZ的二阶有源带通滤波器。如图 所示，图中$R_{16}$、$C_{19}$构成低通网络，$R_{18}$、$C_{16}$组成高通网络，两者串联组成带通滤波电路。根据带通计算公式
• $Q$= $\frac{1}{3-A_{vf}}$=5
• $A_{vf}$=1+$\frac{R_f}{R_1}=2.8$
• $BW$=$\frac{f_0}{Q}$
• 求得低通网络阻值为1.592K，容值为1nF，高通网络阻值为3.184K，容值为1nF，同相比例放大电阻值为1k与1.8K。
  

2.2.3 AD采样电路

• 为提高AD采样精度，电路中采用TM7705采样芯片，如图3-4所示基准源为1.25V。并且采用了继电器切换采样电阻的方法.
• 继电器不吸合时控制反馈电阻R7与R25并联，为166Ω，继电器吸合时反馈电阻为500Ω，以此来提高AD采样精度，适合于不同的量程范围。

2.3 最终成品照片

3.1 测试数据

给定纸张数	测量纸张数	测试次数
0	0	20
6	6	20
13	13	20
19	19	20
23	23	20
28	28	20
34	34	20
39	39	20
45	45	20
53	53	20
60	60	20

3.2 测试结果分析

• 系统实现了纸张测量，并且误差率低，偶然发生一张纸的误差。
• 产生的原因有两点：在测量过程中，外界干扰因素或者系统本身引起的引起零点漂移，会造成测量误差或者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。

3.3 发挥部分

• 双通道设计：通道1为50mm×50mm的极板通道，通道2为25mm×50mm的极板通道，通道2的极板，当极板面积减为题目要求的一半时，通道可以完成题目要求，并且测量纸张范围为0～45张。
• 网络终端：具有远程网络通信功能，可以作为从机接入网络中，可以在远程控制测量装置。
• 低功耗设计：3.6V电池给系统供电，系统工作时，工作电流仅需30mA。

4.1 最终致谢

• 这一块要好好感谢我的女朋友还有我的好兄弟，一路从省赛到国赛到复测。从上海到北京。一路太多心酸汗水不说了，特别是进测试的时候，听到别人使用 FDC2214方案能够测几百张纸的时候，我内心一度挣扎，为什么要挑战模电方案，放着现成的传感器方案不用!!!
• 最终的结果还不错，成功拿下国一，女朋友考研成功，而我安安心心当个废物。

附录

• ( A ) F题_纸张计数显示装置
• ( B ) 报告
• ( C ) 程序
• ( D ) 原理图
• 以上资料将在稍后提供下载 急需请评论区留言