纸张计数显示装置

全国大学生电子设计竞赛纸张计数显示装置（F题）8月10日

目录第一章设计任务与要求 3第二章系统方案的选择与论证 42.1系统总体构成 42.2系统总体实现方案 42.3具体实现方案的选择与论证 4第三章电路与程序设计 53.1硬件实现原理 53.1.1整体原理 53.1.2电源模块 63.1.3放大模块 63.1.4DA输入模块 73.1.5显示模块 73.1.6程序下载模块 73.2程序结构 8第四章测试结果与误差分析 94.1测试方案 94.2测试结果 9第五章总结 11

纸张计数显示装置摘要本系统采用STM32F767核心板与STM32F334板以I2C总线互相通信，运用RC放大及模拟开关芯片CD4051BC程控放大实现对纸张数量的检测。其基本过程为，纸张数量的变化引发平行板电容器容量的变化，该变化造成电极板测试端的信号发生变化，因平行板电容的变化不明显，因此需要对测试端信号进行滤波放大，芯片STM32F334产生方波，通过AD转换模块，并将AD转换后的值累加，除以采样次数所得的平均值来拟定不同数量纸张的示数变化范畴，通过DC4832模块来显示现在纸张数量且锁定显示纸张数。并在程序中设立，当加入纸张时，蜂鸣器发出声响并不超出5秒钟。核心词：STM32F767，STM32F334，纸张计数，AD转换

第一章设计任务与规定1.1设计任务设计并制作纸张计数显示装置，其构成以下图所示。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。1.2规定（1）极板A和极板B上的金属电极部分均为边长50mm±1mm的正方形，导线a和导线b长度均为500mm±5mm。测量显示电路应含有“自校准”功效，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电极之间与否短路。（3）测量置于两极板之间给定的纸张数。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出5秒钟，在此期间对测量装置不得有任何人工干预。

第二章系统方案的选择与论证2.1系统总体构成本实验重要由STM32F767核心板与STM32F334板，电源模块，放大模块，AD模块显示模块，铜板构成。2.2系统总体实现方案以铜板作为导体材质，由于AD模块可把模拟信号转换成数字信号，因此运用AD模块可实现纸张计数的功效。当有纸张放入两极板之间时，电极板的电容发生了变化，这就会造成AD转换数的变化，从而反映纸张数量。2.3具体实现方案的选择与论证我们设计了两个备选方案方案一：由于FDC2214是基于LC谐振电路原理的一种电容检测传感器，因此运用FDC2214的工作原理可实现纸张计数的功效。当纸张数量发生变化时，两极板间的电容发生了变化，这就会造成LC电路振荡频率的变化，从而反映出纸张的数量。FDC2214传感器模块实现纸张数量显示的实验中存在较多问题，传感平面的面积越大、纸张与传感平面的距离越小，感应的频率变化越大，会引入更多的干扰，因此不采用该方案。方案二：针对于主控芯片：能够实现数据检测的单片机有多个，例如STM32，TI公司的MSP5229以及STC公司系列。结合数据解决状况以及芯片使用难度，我们选择STM32F767芯片，其性能更符合规定。从纸张数量检测方面讲：纸张数量能够通过AD模块或FDC2214传感器两种方式来实现。FDC2214传感器模块实现纸张数量显示的实验中存有缺点，外部环境的不可控因素会造成LC电路振荡频率的变化，干扰有效信号。AD模块能较好地避免这类状况的发生，故采用更为稳定的AD模块。从数据通信方面来讲：芯片间的通信只能使用I2C合同，能够采用有线传输和无线传输两种方式。考虑到电极板间电容敏捷度极高，无线合同会产生较大干扰使成果不精确，因此采用有线传输的IIC合同传输。最后，修改实验程序进一步对实验数据进行调试，从而达成完美的数据范畴成果。用采集各数量纸张的数据样本，再对数据进一步精确化，进而完毕实验。因此，我们选择方案二。第三章电路与程序设计3.1硬件实现原理3.1.1整体原理采用STM32F767核心板与STM32F334板以I2C总线互相通信。其整体原理如图3-1所示。STM32F767核心板与STM32F334板通信连接接口原理图如图3-2所示。图3-1图3-23.1.2电源模块通过加入12V电压，分别产生3.3V，5V，-5V的电压，其基本原理如图3-3所示。图3-33.1.3放大模块测试端RC放大及CD4051程控放大为第一级放大，放大倍数为RC,通过电容滤除外部50赫兹干扰，变化电容大小使电压稳定且放大明显，通过反向放大器，去耦滤波，产生测试信号。原理图如图3-4。后级放大模块及增强抗干扰模块如图3-5。图3-4图3-53.1.4DA输入模块DA模块是用来通过一定的电路将数字量转变为模拟量。模拟量能够是电压、电流等电信号，也能够是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。其原理图如图3-6所示。图3-63.1.5显示模块DC4832:有400MHz32位双核解决器，操作系统为嵌入式实时操作系统，分辨率为480*320，拥有按钮，文本，下拉菜单，二维码，进度条等多个组态控件，内置虚拟数字，字符键盘，支持中英文输入法，可自定义键盘，支持数据统计控件内容导出到U盘。系统内置多个显示图层，切换速度更快，上位机内嵌Lua脚本编译器，顾客可在屏内自定义多个复杂逻辑关系，满足大部分的产品功效需求3.1.6程序下载模块在给STM32烧写程序调试的时候，传统20脚JTAG底座个头大，占用PCB面积多，连接线复杂。采用SWD模式Jlink，只需要三根线即可与目的板实现通讯，可实现程序下载，单步调试等功效。如图3-7。图3-73.2程序构造第四章测试成果与误差分析4.1测试方案（1）硬件测试检查各个螺丝，焊接点以及粘合处与否连接牢固，焊接口与否有虚焊现象。软件仿真测试通过编译，检查与否存在语法错误，再进行仿真，检查能否达成预期效果。4.2测试成果第一次测试：初值：584纸张数12345678910AD值597608620629640648660671680693差值13111291181211913纸张数11121314151617181920AD值704716724733744756768779788796差值1012891112121198纸张数21222324252627282930AD值804814821829834841849855859864差值81078578645第二次测试：初值：584纸张数12345678910AD值594603613624634642652663673685差值109101110810111012纸张数11121314151617181920AD值696708719731739749760770781791差值1112111281011101110纸张数21222324252627282930AD值800812823832842850858865874881差值9121191088797成果分析：从总体上来看，,每增加一张纸，AD数值变化以10为中心，波动为3,4左右。且差值随着纸张数的增加有逐步减小的趋势，当纸张数量过多时，差值与波动相近，因此难以精确检测出过多纸张的数量。通过调节，第二次数据AD数值变化较为稳定，且AD值无明显波动，可较为精确的测量出纸张的数量。

第五章总结由于电路中需要多个电压的电源，因此使顾客、母版电源模块，将12V电压转换为多路需要的电压

由于外界环境因素易对电容变化产生干扰，因此在硬件组装中，调节两极板距离和导线形状，采用CD4052BC增强抗干扰能力，在软件中采用多次采集数据求平均的办法。在调试过程中，要注意检测放大倍数、激励正负以及波形的抖动状况，可适度调节两个极板之间的距离。通过实验发现，距离比较小时，实验效果较好且AD转换后的值会更稳定，观察增加一张纸AD值的变化，待数据较稳定时（即AD值浮动范畴在五个点左右）再增加纸张的数量。抱负效果应是每增加一张纸，AD值变化大致相似。

最后，回想这次电子设计，该系统重要的设计构造，软件设计，硬件设计和元器件的选择都有效确保了实验最后的精度。