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  • 2019年TI 赞助的全国大学生电子设计竞赛赛题之一 —— 纸张计数显示装置
  • 2019 年(F 题)纸张计数显示装置

    千次阅读 多人点赞 2020-07-23 19:55:08
    2019 年(F 题)纸张计数显示装置 2019 年全国大学生电子设计竞赛试题 【本科组】 文章目录2019 年(F 题)纸张计数显示装置一、任务二、要求1.基本要求2.发挥部分三、说明四、评分标准 一、任务 设计并制作纸张...

    2019 年(F 题)纸张计数显示装置

    2019 年全国大学生电子设计竞赛试题 【本科组】

    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。
    在这里插入图片描述

    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。

    四、评分标准

    在这里插入图片描述

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  • 这是2019全国电赛F题纸张计数显示装置的报告,我们采用最简单的555多谐震荡电路正确数出了30张以上的纸张数量,如果想要代码可以评论我要代码。
  • 2019年电赛F题——纸张计数显示装置,2019年国赛!!!!
  • 19年电赛国赛-基于FDC2214的纸张计数显示装置

    千次阅读 多人点赞 2020-01-10 13:14:13
    2019年全国大学生电子设计竞赛国家一等奖,F题纸张计数显示装置报告; 基于TM4C123GH6PM单片机和STM32F103RCT6单片机制作的纸张计数显示装置,核心测量器件为TI公司生产的非接触式传感芯片FDC2214,单片机模块通过...

    2019年全国大学生电子设计竞赛国家一等奖,F题-纸张计数显示装置
    编辑by linwei_Cui 崔林威
    团队成员:万宇,陈晴晴
    学校:南京邮电大学
    指导老师:陈小惠,孙斌
    在这里插入图片描述

    摘要
    作品是基于TM4C123GH6PM单片机和STM32F103RCT6单片机制作的纸张计数显示装置,核心测量器件为TI公司生产的非接触式传感芯片FDC2214,单片机模块通过IIC通信控制FDC2214模块测量置于两极板间的纸张的电容,并通过一阶互补滤波算法对接收到的电容数据进行处理并利用进行分段最小二乘曲线拟合;利用一定的硬件设计尽可能得减小该模块受到的外界干扰,实现对极板间纸张数量的准确判断,并通过OLED和液晶屏显示纸张数量和拟合曲线。
    该装置包括自校准和测量两种工作模式,在自校准模式下能对置于两极板间不同张数的纸张进行测量,获得不同纸张的电容数据,进而在实际测量时,可对放置的1~80张任意数量的纸张在5s之内进行判断。同时测量显示电路可自检并报告两极板之间是否短路,并通过夹持装置夹紧被测纸张。另外系统通过12V锂电池和LM2596降压模块供电。
    关键词:单片机模块;纸张计数;FDC2214模块;一阶互补滤波算法;分段最小二乘曲线拟合;自校准;

    一、设计方案工作原理

    1.1、预期实现目标定位

    在硬件方面通过设计合理的结构和电路实现以下目标:(1)选取合适材质、厚度的正方形极板,其中边长为50mm±1mm,实现电容的精确测量;(2)每块极板的电极连接一根信号线,两极板与信号线为二线制平行极板结构,且信号线的线缆类型与排布方式尽可能减小外部因素对电容测量的影响;(3)设计极板与纸张之间的结构, 使两极板能压紧被测纸张,从而减小测量误差;(4)设计电路模块,包括单片机最小系统电路、OLED、按键、蜂鸣器、FDC2214信号采集电路、供电模块电路等实现电容采集、数据记录、自校准与曲线拟合、纸张数量的判断与显示、拟合曲线的显示等功能。
    软件:(1)通过TM4单片机和STM32F103RCT6单片机利用IIC通信控制FDC2214模块的2个通道实现对极板间纸张的电容测量;(2)设计数据处理算法(滤波算法、数据拟合算法)对采集到的电容数据进行处理,实现纸张数量的准确测量;(3)设计算法检测极板间是否短路;(4)设计程序使每次在极板间放入被测纸张并固定后,一键启动测量,完成测量并发出一声蜂鸣,且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;(5)设计程序驱动OLED和液晶屏显示纸张数量和拟合曲线。

    1.2、技术方案分析比较

    (1)主控制器选用
    方案一:采用传统的STC89C51系列单片机;
    方案二:采用TI公司的TM4单片机;
    方案三:采用STM32F103RCT6单片机;
    结合不同单片机解决问题的能力,通过比较,TM4单片机的数据处理能力较强,能对多组数据进行更高阶次的曲线拟合,能力优于传统的STC89C51系列单片机,同时可结合STM32F103RCT6单片机进行辅助控制,因此选择同时采用方案二和方案三。
    (2)控制方案选择
    方案一:在面包板上搭建简易电路;
    方案二:自制单片机印刷电路板;
    方案三:利用Multisim软件进行电路设计及仿真,再在洞洞板上进行焊接;
    方案一可以方便的对硬件做随时修改,也易于搭建,但是系统连线较多,不仅相互干扰,使电路杂乱无章,而且系统可靠性低,不适合本系统使用;方案二实现较为困难,实现周期长,此外也会花费较多的时间,影响整体设计进程。方案三能明显减少外围电路的设计复杂程度,降低系统设计的难度,综合以上三种方案,选择方案三。
    (3)自动压紧装置
    方案一:利用重物压住亚克力板,依靠其自身的重力将纸张压紧;
    方案二:利用两层亚克力板结合尼龙柱,利用尼龙柱固定亚克力板的位置,依靠亚克力板自身的重力将纸张压紧;
    经实验,方案一和方案二均能将纸张夹紧,当方案一中由于重物的放置位置不同,每次测量时纸张的受力不均匀,测量数据不准确,而方案二固定亚克力板进行夹紧时,每次纸张的受力均匀,测量数据较准确,故选用方案二。
    (4)极板材质选择
    方案一:选择铝制材料作为极板;
    方案二:采用覆铜板作为极板;
    方案三:采用纯铜板作为极板;
    经分析,我们发现,当极板的材质不同时,对于相同数量的纸张所检测到的电容数值不同,且数据的稳定性不同,经多次检验不同材料的极板,我们最终选择纯铜板作为极板。
    (5)极板的放置位置
    方案一:将极板贴在亚克力板上;
    方案二:在将极板嵌在亚克力板上;
    经检验,方案一中将极板黏贴在亚克力板上,由于亚克力板和极板均是水平的,每次测量纸张受力均匀,相同纸张多次测量时极板间距离不变,测量结果更为准确;方案二中虽然极板与亚克力板的固定更加牢靠,但由于亚克力板凹槽不够平整,因此造成纸张受力不均匀,对结果影响较大,因此采用方案一。
    (6)系统数据采集及数据处理方案
    方案一:单片机直接利用FDC2214模块采集到的数据完成自校准,再进行测量;
    方案二:单片机在得到FDC2214模块采集到的数据后,先利用一阶互补滤波算法进行滤波作为自校准的数据,并进行曲线拟合,在进行测量时利用得到的拟合曲线进行纸张的测量;
    经分析,方案二能够得到更准确地完成自校准,测量精度也比较高,综合算法对该系统的适应性以及其他优势,采用方案二对数据进行处理并完成测量。

    1.3、系统结构工作原理

    该系统由TM4单片机、STM32F103RCT6单片机、OLED、液晶屏、按键、蜂鸣器、极板、FDC2214信号采集电路、电源供电电路构成。
    其中TM4单片机、STM32F103RCT6单片机用于整个系统的数据处理、模块控制、通信和显示工作,采用IIC通信驱动FDC2214模块采集极板间一定数量的纸张对应的电容值,通过IIC通信驱动OLED和液晶屏实现纸张数量和拟合曲线的显示。
    FDC2214模块是面向电容式传感解决方案的抗噪声和EMI、 高分辨率、 高速、多通道电容数字转换器,可对噪声和干扰进行高度抑制,同时在高速条件下提供高分辨率。其传感平面,即为导体材质,当纸张接近该导体传感平面时,传感端的电容发生了变化,这就会导致LC电路振荡频率的变化,进而可用于对极板间一定数量的纸张进行电容检测,从而反映出纸张的变化,以及数量的判定。
    单片机通过按键控制模式的切换,包括八个按键,分别为测试模式、校准模式、停止自校准、计数加、记录电容值、测试按键、拟合曲线1和拟合曲线2按键,在按键按下即进入对应的模式。在测试完成后,单片机通过赋予蜂鸣器控制电平,用于控制蜂鸣器打开和关闭。
    电源供电电路采用LM2596降压模块和12V锂电池,用于为整套系统供电。该模块集成滤波元器件、稳压芯片和指示灯,当输入12V的直流电压时,能稳压输出5V和3.3V的直流电压,且具备过热和过流保护功能。
    1.4、功能指标实现方法
    对于基础指标(1),在打开装置电源开关后,通过校准模式按键进入自校准模式,输入一定数量的纸张再测量对应的电容值,并进行记录,单片机利用一阶互补滤波算法对此时得到的数据进行处理,再进行最小二乘曲线拟合完成校准。
    对于基础指标(2),在纸张未放入时,两极板接触,此时短路,通过此时的电容值即可判断是否短路。
    对于基础指标(3),通过测量模式开始测量,在放入1~10 张不等的给定纸张数后,按下测量按键,此时单片机得到一组测量数据,再利用自校准模式下得到的拟合曲线得到此时对应的纸张数量,并利用OLED显示,同时利用蜂鸣器进行提醒。
    对于发挥指标(1)(2),利用基础指标(1)中得到的拟合曲线结合基础指标(3)的解决方案即可得到纸张的精确数量。
    对于发挥指标(3),在基础指标(1)中利用单片机进行曲线拟合后,利用液晶屏显示出所得到的最小二乘拟合曲线和曲线对于的方程。
    1.5、测量控制分析处理与计算
    测量部分采用单片机驱动FDC2214模块自动计算出被测纸张对应电容值,然后利用一阶互补滤波算法和最小二乘曲线拟合对数据进行处理。
    其中一阶互补滤波算法通过对上一次测得的电容值C1和本次测得的电容值C2进行加权得到处理后的电容数据C3,从而较小测量误差,其中加权公式为:
    C3= 0.1×C1+0.9 ×C2(1)
    利用单片机编写最小二乘曲线拟合算法对自校准得到的电容数据进行拟合,即得到一条曲线,使数据点均在离此曲线的上方或下方不远处。取纸张数量x_i为横坐标,电容值y_i为纵坐标,取拟合直线φ(x)=a_0+a_1 x+a_2 x^2+⋯+a_n x^n,通过解最小二乘的法方程即可得到拟合直线的系数,其中最小二乘的法方程如下:
    公式(2)

    二、核心部件电路设计

    2.1、关键器件性能分析

    (1)单片机模块
    TM4C123GH6PM是TI公司生产的一款32位单片机,STM32F103RCT6也是一款32位单片机,该单片机内部资源丰富,有很多空闲I/O口供连接外设,同时内部有多个定时器和串口来进行串口通信,且对于数据的处理能力和内存都很强大,极大你便了本次设计方案的设计。
    (2)FDC2214模块
    FDC2214采用I^2 C通信协议进行控制,其有4个电容输入通道,分辨率高达28位,能通过所接极板完成电容的精确测量。但由于极板的材质、厚度、表面氧化程度、表面平整程度和环境因素等的影响,可能引入越多的噪声,因此需要设计硬件结构,合理选择FDC2214模块所用的极板。
    (3)显示模块
    本设计采用OLED 显示判断后的纸张数量,OLED模块同时具备自发光,不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性。
    (4)电源供电模块
    电源供电模块采用LM2596模块进行稳压输出5V,LM2596芯片是3A电流输出降压开关型集成稳压芯片,它内含固定频率振荡器(150KHZ)和基准稳压器(1.23v),并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

    2.2、电路工作机理及设计仿真

    系统电路总体设计框图如图1所示,包括供电电路、单片机最小系统、FDC2214模块电路、极板、显示模块电路、按键电路、蜂鸣器电路、
    

    该系统供电电路由锂电池输入12V电压,经LM2596降压模块之后电压稳定输出5V,为单片机供电;TM4单片机核心板内置降压电路可引出3.3V电压接口,进而为FDC2214模块、OLED模块、按键等供电。
    FDC2214模块电路图详见附件图3,包括FDC2214芯片、四通道接口及外围滤波电路、晶振电路、IIC接口电路。两个极板通过引出两根导线连接到FDC2214模块的两个通道上,进而测出极板内电容的电容值。
    图1 系统电路总体设计框图

    2.3、电路实现调试

    在设计完电路后,经焊接搭建电路并调试,各模块电压均稳定,单片机可以驱动各模块正常工作,该电路设计可以实现该系统的正常工作。

    2.4、关键电路驱动接口

    其中LM2596电路模块包括输入接口和输出接口,单片机驱动接口包括VCC、GND、SCL和SDA接口,FDC2214模块包括VCC、GND、SCL、SDA及两个通道采集信号接口。
    单片机与FDC2214模块的电路连接有VCC、GND、SCL、SDA线,其中VCC、GND用于供电,SCL、SDA用于IIC通信。

    三、系统软件设计分析

    3.1、系统总体工作流程

    系统包括自校准和测量两种工作模式,打开电源开关后,按下“自校准模式按”键后系统进入自校准模式,在自校准模式下可进行9次测量,即1-10张范围内进行5次测量,在15-30张范围内进行4次测量,测量时按下“增计数”按钮输入纸张数量,将纸张放入后按下“记录电容值”按键即可利用单片机记录每次测试的纸张数量和对应的电容值,测量结束后按下“停止自校准”按键即可关闭自校准模式。
    在进行纸张测量时,按下“测试模式”即可开始测量,此时按下“拟合直线1”即可对“1-10”张的纸张数量进行测量;按下“拟合直线2”即可对“15-30”张的纸张数量进行测量,然后按下“测试”按键即可在在5s之内完成测量,蜂鸣器进行提示,并利用单片机驱动OLED显示纸张的数量,利用液晶屏显示拟合曲线。
    另外,OLED可实时进行自检并显示两极板之间是否短路。
    系统工作流程如图2所示。
    图2 系统工作流程图

    3.2、主要模块程序设计

    3.2.1一阶互补滤波算法

    通过一阶互补滤波算法对FDC2214模块采集到的电容值进行处理,从而减小测量的误差。
    利用公式(1)即可进行一节互补滤波算法得到传递函数从而对数据进行处理,得到误差较小的电容值。

    3.2.2分段最小二乘曲线拟合

    单片机利用分段最小二乘曲线拟合对一阶互补滤波处理后的数据进行拟合,即对1-10张、15-30张、30-40张、40-80张内的数据分别进行测量并利用Matlab软件进行曲线拟合,利用公式(2)计算得到拟合曲线1、曲线2、曲线3和曲线4,从而精确测量1-80张范围内的纸。

    四、竞赛工作环境条件

    软件环境:Keil软件,CCS 7.0软件主要负责代码编写,MATLAB软件利用神经网络、KNN等算法进行数据分析与检验。
    仪器设备硬件平台:在教学楼科协实验室内有示波器、稳压电源、万用表等实验器材,硬件模块包括亚克力板、各类单片机开发板、焊接洞洞板、供腐蚀的覆铜板、纯铜板等相关耗材
    配套加工安装条件:实验室内各种实验工具,如焊枪、热熔胶枪、助焊剂、手钻、台钻、老虎钳等工具。
    前期设计使用模块:TM4C123GH6PM单片机开发板、STM32开发板、FDC2214模块、LM2596降压模块、覆铜板和纯铜板等材料。

    五、作品成效总结分析

    系统测试性能指标:(1)极板为正方形,边长为50mm±1mm,每块极板的电极连接一根信号线,信号线长度均为 500mm±5mm,两极板与信号线为二线制平行极板结构;(2)极板与纸张之间具有压紧结构,使两极板能压紧被测纸张;(3)电路能实现电容采集、数据记录、自校准与曲线拟合、纸张数量的判断与显示、拟合曲线的显示等功能;(4)能检测极板间是否短路;(5)在测试之前进行自校准,并拟合出曲线;(5)启动测量,完成测量并发出一声蜂鸣,时间不超过 5 秒钟;(6)OLED和液晶屏显示纸张数量和拟合曲线。
    成效得失对比分析:判决准确度高、可视化程度高,对于纸张的放置位置要求较低,具有较强的灵活性和适应性,但是对于代码和算法的要求比较高
    创新特色总结展望:(1):使用一阶互补滤波算法对采集到的数据进行处理,使采集到的数据更加准确;(2)使用分段最小二乘曲线拟合对自校准的数据进行处理,使预测结果更加准确;(3)使用液晶屏显示自校准模式下记录的拟合曲线,提高系统的可视化程度;(4)测量精度高,能准确预测1-80张以内的纸张数量。

    六、附件材料

    6.1 附件1

    作品照片如图3所示。
    图3 作品照片
    FDC2214模块电路图如图4所示:
    图4 FDC2214模块电路设计
    1-10张纸的拟合曲线如图5所示:
    图5 1-10张纸的拟合曲线
    15-30张纸的拟合曲线如图6所示:
    图6 15-30张纸的拟合曲线
    30-40张纸的拟合曲线如图7所示:
    图7 30-40张纸的拟合曲线

    6.2 附件2

    部分源程序:

    int main(void)
    {
    int key,key1,key2,key3;
    int num=0;//用来给按键4计数
    int num1=0;//用来给按键5计数
    int z,y,w,e,r;
    float x222,x111; 
    double cc[9];
    double dd[9];
    double cc1[5];
    double dd1[5];
    double cc2[4];
    double dd2[4];
    int mode;
    int flag1,flag2,flag3,flag4;//模式12标志位
    Sys_Init();
    while(1)
    {		
    	Oled_Printf_Float(0,1,100,0); //100表示工作在空闲状态
    	res=(res0-temp0+res1-temp1)/2.0;  /*短路检测*/		
    	Oled_Printf_Float(0,3,res,0);
    	if(res<=50)  //判断短路
    	{led=0; }
    	else{led=1;}
    	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);
    	key=KEY_Scan(0);	//得到键值
    	if(key==1) {mode=1;}
    	if(key==2) {mode=2;}
    	while(mode)
    	{
    		OLED_Fill(0x00);
    		switch(mode)
    		{				 
    			case 1:	//模式1,开始测试 
    			Oled_Printf_Float(0,1,101,0);  //101表示工作在测试模式
    			while(flag2==0) /*****************开始放纸测试*******************/
    			{
    		      key2=KEY_Scan(0);
    if(key2==7)//拟合曲线1{flag3=0;}
    			  if(key2==8)//拟合曲线2{flag4=0;}
    /****************基础部分:曲线1*****************/						       	               while(flag3==0)//拟合曲线1
    				{	
    					res=(res0-temp0+res1-temp1)/2.0;
    					key3=KEY_Scan(0);
    		          Oled_Printf_Float(0,3,res,0);
    					OLED_P6x8Str(50,1,ch1,0);//坐标已确定
    				    if(key3==6)
    					{x111=jie_4(res,P);
    					  Oled_Printf_Float(80,1,x111,0);
    					  beep=1;
    				     delay_ms(5000);//延时300ms
    					  beep=0;
    					 delay_ms(5000);//延时300ms }
    					 if(key3==8)
    					 {flag3=1;}
    				}
    /****************发挥部分:曲线2*****************/									       while(flag4==0)//拟合曲线2
    				{res=(res0-temp0+res1-temp1)/2.0;
    					key3=KEY_Scan(0);
    		          Oled_Printf_Float(0,3,res,0);
    					OLED_P6x8Str(50,1,ch1,0);//坐标已确定
    					if(key3==6)
    					{ x222=jie_3(res,Q);
    					  Oled_Printf_Float(80,1,x222,0);
    					  beep=1;
    				      delay_ms(5000);//延时300ms
    					  beep=0;
    					  delay_ms(5000);//延时300ms}
    					 if(key3==8)
    					 {flag4=1;} }
    				}break;
    	case 2:	//模式2,自校准
    	Oled_Printf_Float(0,1,102,0);  //102表示工作在校准模式
    	while(flag1==0)
    	{
    		res=(res0-temp0+res1-temp1)/2.0;
    		Oled_Printf_Float(0,3,res,0); 
    		key1=KEY_Scan(0);
    		if(key1==3)  //结束自校准,算出两个系数数组
    		{				      
    			for(z=0;z<num1;z++)
    			{
    			printf("数组第 %d 位  纸张数:%1.1f   电容值:%3.3f \r\n",z,dd[z],cc[z]);
    							}
    			OLED_Fill(0x00);
    			Oled_Printf_Float(0,1,100,0);
    			for(w=0;w<5;w++)
    			{
    			dd1[w]=dd[w];
    			cc1[w]=cc[w];
    			}
    			for(e=0;e<4;e++)
    			{dd2[e]=dd[e+5];
    			cc2[e]=cc[e+5];}
    			nihe1(dd1,cc1);
    			nihe2(dd2,cc2);
    			for(y=0;y<5;y++)
    			{printf("第一段系数第 %d 位  系数:%3.3f \r\n",y,P[y]);}
    			for(r=0;r<4;r++)
    			{ printf("第二段系数第 %d 位  系数:%3.3f \r\n",r,Q[r]);}
    				flag1=1;						
    		}
    		if(key1==4)  //按键增计数
    		{
    		num++;
    		Oled_Printf_U16(0,5,num,0);
    		flag1=0;
    		}
    		if(key1==5)   //记下电容值
    		{num1++;                    //num1是数组有效长度
    		dd[num1-1]=num*1.0;          //纸张数放进数组
    		res=(res0-temp0+res1-temp1)/2.0;
    		cc[num1-1]=res;	             //电容值放进数组
    	Oled_Printf_Float(0,7,dd[num1-1],0); //显示记录纸张数		       Oled_Printf_Float(50,7,cc[num1-1],0); //显示记录电容值
    		flag1=0;							
    		}}break;}			
    		mode=0;
    	  }}}
    
    

    七、参考资料及文献

    [1] 谭浩强. C语言程序设计[M]. 北京:清华大学出版社,2012
    [2] 算法竞赛入门经典. 清华大学出版社
    [3] 数据结构. 清华大学出版社
    [4] 单片机实用系统设计与仿真经典实例,电子工业出版社,周润景 刘晓霞著

    展开全文
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    内含:

    • 电赛论文
    • 程序设计
    • 机械结构设计
    • 硬件电路设计
    • 综合测评相关设计
    • 交互显示设计
    • 设计详细说明

    在这里插入图片描述

    2019年全国大学生电子设计竞赛

    纸张计数显示装置(F题)

    【本科组】
    在这里插入图片描述

    JD046

    2019年8月10日

    摘 要

    纸张计数显示装置基于RT-Thread实时操作系统,硬件平台采用STM32F407单片机为主控制器,以具有抗电磁干扰(EMI)架构的FDC2214模块作为电容采集传感器,通过屏蔽双绞线连接至两铜极板,读取采集的数据并进行相应判断,应用触摸屏和语音模块进行状态显示与播报。FDC2214模块将采集到的数据通过IIC协议传输给主控制器,主控制器对原始数据进行卡尔曼滤波,抑制噪声对数据采集的影响。校准模式下,本系统利用最大隶属度法,确定电容模拟值及纸张数的论域,定义模糊子集和隶属函数,建立模糊规则控制表,求得模糊控制查询表。其根据采集到的两极板的数据,做出短路判断并读取多组实时数据,将其与模拟区间进行归类,选取最大可能性区间作为期望值,减小最终判断的差错率。

    关键字: FDC2214 卡尔曼滤波 模糊算法 RT-Thread STM32

    Abstract

    This system is based on RT-Thread real-time operating system,the hardware
    platform adopts STM32F407 microcontroller as the main controller,and FDC2214
    module with anti-electromagnetic interference architecture as the capacitor
    acquisition sensor.The FDC2214 module is connected to the two metal plates
    through the shielded twisted pair,the collected data is sent back from the metal
    plates to FDC2214 module,after being calculated,we use touch serial port screen
    and voice module for state display and broadcast.FDC2214 module transport
    collected data to the main controller through IIC protocol,The main controller
    performs kalman filtering on the original data to reduce the influence of noise
    on data collection.In the calibration mode, the system uses the mean of maximum
    method to determine the theoretical domain of capacitance analog value and paper
    number,define the fuzzy subset and membership function,establish the fuzzy rule
    control table, and obtain the fuzzy control query table.According to the data
    collected from the two metal plates,it makes short-circuit judgment and reads
    multiple sets of real-time data,classifies them with the simulation
    interval,selects the maximum probability interval as the expected value,and
    reduces the error rate of the final judgment.

    Keyword: FDC2214 Kalman Filtering Fuzzy Algorithm RT-Thread STM32

    目 录

    1系统方案 1

    1.1 电容式传感器的论证与选择 1

    1.2 压力式结构的论证与选择 1

    1.3 控制系统模块的论证与选择 2

    2系统理论分析与计算 2

    2.1 测量原理分析计算 2

    2.1.1 创建模型:模拟平行极板电容器 2

    2.1.2 FDC2214电容感测原理 3

    2.2 抗干扰分析 4

    2.2.1 卡尔曼滤波器 4

    2.2.2 模糊算法 5

    2.3 误差分析 5

    2.3.1 极板间充电效应 5

    2.3.2 不同环境下的电磁干扰 5

    3电路与程序设计 6

    3.1电路的设计 6

    3.1.1系统总体框图 6

    3.1.2 硬件电路整体框图 6

    3.2程序的设计 7

    3.2.1程序功能描述与设计思路 7

    3.2.2程序流程图 7

    4测试方案与测试结果 7

    4.1测试方案 7

    4.2 测试条件与仪器 8

    4.3 测试结果及分析 8

    4.3.1测试数据分析 8

    4.3.2测试结果 9

    4.3.3测试分析与结论 9

    5 创新特色总结展望 9

    6.参考文献 9

    附录1:电路原理图 10

    附录2:源程序 10

    纸张计数显示装置(F题)

    【本科组】

    1系统方案

    本系统主要由电容式传感器模块、机械结构、控制系统组成,下面分别论证这几个模块的选择。

    1.1 电容式传感器的论证与选择

    方案一:基于NE555时基电路的电容式传感器测量电路。由电容式传感器和NE555实际电路构成多谐振荡器,将电容转化为频率,使电容的极距与频率形成正比,在通过F/V频率转换器转换成电压,由减法器输出与极板位移相应的电压。

    方案二:FDC2214电容数字转换器。FDC2214采用创新型抗EMI架构,具有28位分辨率,4.08ksps高输出速率,可对噪声和干扰进行高度抑制。具有低功耗,4通道的接触式感测技术,支持宽激励频率范围,可为系统设计带来灵活性。

    考虑题目对测量精度的要求,电容式传感器应用灵敏度的主要限制因素在于传感器的噪声敏感性,
    FDC2214采用创新型EMI架构,即使在高噪声环境中也能维持性能不变。综合考虑采用方案二。

    1.2 压力式结构的论证与选择

    方案一:重物压力式结构。如图1-1所示,利用重物,尽可能消除铜板和纸张间以及纸张之间的缝隙,并保证纸张厚度的统一,但该结构稳定性较差,对重物的摆放位置和模板的平衡性要求较高。

    在这里插入图片描述
    图1-1 重物压力式结构示意图

    方案二:导轨式平压式结构。如图1-2所示,该结构确保每次纸张数量时以相同的结构特征进行数据采集,有利于对数据进行特征分析,并进行理论可行性的的论证,但是由于需要外接信号线导致平板高低不平,故而系统稳定性较差。

    在这里插入图片描述
    图1-2 导轨平压式结构示意图

    方案三:
    固定铰链式抗干扰结构。如图1-3所示,通过拉动机械臂移动上极板,利用斜拉球缓冲垂直方向上的正压力,保证每次校验和测试时极板两侧压力相同,增加系统稳定性和测量上限。

    在这里插入图片描述
    图1-3 固定铰链式抗干扰结构示意图

    考虑到上下极板每次放置需要垂直正对,由于机械臂的位置固定,极板位置偏移量小,辅以斜拉球缓冲,综合考虑采用方案三。

    1.3 控制系统模块的论证与选择

    方案一:选用AT89C51作为主控制器。AT89C51为8位单片机,数据处理能力明显不足。

    方案二:TI公司的MSP430系列微控制器。MSP430单片机具有低功耗的特点,但相较于32位单片机的接口外设及内存资源较少

    方案三:STM32系列微控制器。高性能、外设接口及内存资源丰富,用户基数大,资料相对较多。

    本系统的需采集的数据样本较为庞大,综合考虑采用方案三。

    2系统理论分析与计算

    2.1 测量原理分析计算

    创建模型:模拟平行极板电容器

    本装置利用两个平行极板模拟平行极板电容器,装置结构简图如图2-1所示:

    在这里插入图片描述

    图2-1 平行极板装置示意图

    平板电容器的电容为

    在这里插入图片描述(式2-1)

    上下极板之间紧夹被测纸张,待测纸张厚度等于上下极板间距离d,极板面积S和相对介电常数保持不变,=8.85,改变极板间待测纸张的数量,电容C边随之变化。

    FDC2214电容感测原理

    FDC2214是基于LC谐振电路原理的一个电容检测传感器,其模块模块原理图如图2-2所示。

    在这里插入图片描述
    图2-2 FDC2214传感模块电路

    在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感和电容,组成LC电路。典型选择是18uH屏蔽SMD电感与33pF电容并联。被测电容传感端与LC电路相连接,将产生一个振荡频率,根据频率值可计算出被测电容值。

    FDC2214传感器频率表示为:

    在这里插入图片描述(式2-1)

    其中:DATAx:DATA_CHx寄存器的转换结果;

    fREFX:通道x的参考频率;

    FDC2214的数据输出(DATAx)表示为:
    在这里插入图片描述(式2-2)

    FDC2214传感器测量的传感电容表示为:

    在这里插入图片描述(式2-3)

    改变极板间距,导致极板间的电容值发生了变化,从而引起LC电路振荡频率的变化,根据频率值可知平行极板之间的传感器原始数据。

    2.2 抗干扰分析

    卡尔曼滤波器

    在这里插入图片描述
    图2-3 卡尔曼滤波器

    卡尔曼滤波器是一个“optimal recursive data processing
    algorithm”(最优化自回归数据处理算法)。卡尔曼滤波器通过对过程状态进行估计,卡尔曼滤波器可以分为时间更新和测量更新两个部分:时间更新部分负责向前推算当前的状态变量和误差协方差的估计值,构造下一个时间状态的先验估计;测量更新部分负责信息反馈,用先验估计和新的测量变量构造新的后验估计。
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    图2-4 采样数据与KLM滤波数据对比图 图2-5 采样误差与KLM估计误差对比图

    由图2-3的测试结果可知,在测试过程中,主控制器采集到的数值波动较大,排除外部可能造成的干扰,系统本身的采样过程中引入了白噪声,这里通过卡尔曼滤波除去信号中的噪声干扰。

    在一个周期内对系统采样50次,将其中一组数据经过卡尔曼滤波后可以看到估计值相较原始数据,波动更小,数据更加平顺。

    由图2-4的测试结果可知,在纸张数量一定的情况下,计算在理想情况下(无噪声干扰)的理论真值,以理论真值为参照,比较采集值与经过滤波后的估值与真值的误差,可以看到经过过卡尔曼滤波后的数据误差更小。

    2.2.2 模糊算法

    模糊推理算法是指通过对现实对象的分析,处理数据并构建模糊数学模型。模糊算法是逐次求精的过程。
    在这里插入图片描述

    图2-5 模糊控制系统组成

    在模糊控制中有多重解模糊的方式:面积平分法、加权平均法(重心法)、平均最大隶属度法等。根据系统的特性,我们选用平均最大隶属度法进行解模糊运算。

    最大隶属度法具有两大原则:

    第一,穷尽性原则,即对象总体中所有分子都能归类。

    第二,排它性原则,即对象总体中任何一个分子都不能同时归属于两个或者更多的类。

    模糊推理结果为输出论域上的模糊集,通过平均最大隶属度法,取模糊集中具有最大隶属度的所有点的平均值作为去模糊化的结果,由此可得到论域上的精确值。

    2.3 误差分析

    极板间充电效应

    经过多次试验测试分析,当极板长时间处于未处于短路状态下,电容极板会产生充电效应,导致极板间电容逐渐增大,对传感器原始数据的采集造成影响,如表2-1所示。当纸张页数较高时,影响尤为明显,如表2-2所示。

    表2-1 在20张纸条件下传感器原始数据变化表

    充电时间/s 0 5 10 15 20 60
    传感器原始数据 424.74 424.75 424.73 424.83 424.89 424.91

    表2-2 在65张纸条件下传感器原始数据变化表

    充电时间/s 0 5 10 15 20 60
    传感器原始数据 351.94 352.10 352.17 352.32 352.41 353.21

    不同环境下的电磁干扰

    考虑到不同环境下会对装置产生不同的电磁干扰,因此进行多种环境下的测试,测量结果如下。可明显看出不同环境下电磁干扰对采集的原始数据造成干扰。

    表2-3 不同环境下采集的传感器原始数据

    页数 10 15 20 25 30
    木质桌面 516.824 452.027 418.502 399.327 385.927
    水泥地板 524.529 460.381 427.152 407.870 394.625

    3电路与程序设计

    3.1电路的设计

    系统总体框图

    在这里插入图片描述

    图3-1 系统总体框图

    硬件电路整体框图

    在这里插入图片描述

    图3-2硬件电路整体框图

    3.2程序的设计

    程序功能描述与设计思路

    (1)系统总体工作流程

    软件部分主要分成用户交互设计以及数据处理算法设计,基于RT-Thread实时操作系统,利用系统的线程调度完成各个模块的程序处理,程序流程图如图3-3所示。

    (2)程序设计思路

    在整体软件中,首先在触摸屏菜单进行人机交互,进入不同的功能调用不同的控制函数与数据处理算法。程序线程调度,主要分为简单任务以及核心算法算法任务。简单任务为IO设备、触摸屏、OLED屏幕、语音模块、NB-IOT模块等设备控制;核心控制算法任务为FDC2214电容模拟值采集、卡尔曼滤波以及模糊求解最大可能性落点区间,从而得到当前纸张数量。

    3.2.2程序流程图

    在这里插入图片描述

    图3-3 程序流程图

    4测试方案与测试结果

    4.1测试方案

    在这里插入图片描述

    图4-1 测试流程图

    4.2 测试条件与仪器

    (1)软件开发环境:Keil5。

    (2)配套加工安装条件:3D打印机,激光切割机。

    (3)前期自行设计使用模块:主控制器核心控制板。

    4.3 测试结果及分析

    测试数据分析

    (1)
    保持测试环境不变,采集50个样本,通过MATLAB拟合出纸张页数与传感器原始数据的曲线关系,如图4-2所示。

    在这里插入图片描述
    图4-2 纸张页数与模拟量的拟合函数关系图

    (2) 根据(1)中采集的50个样本,确定电容模拟值及纸张数的论域,划分模糊子集,如表4-1
    所示。

    表4-1页数与模拟量区间对应表

    页数/张 对应模拟量区间 页数/张 对应模拟量区间
    1 [1680.00,1345.34] 6 [682.48,633.84]
    2 [1345.34,1013.26] 7 [633.84,598.03]
    3 [1013.26,845.12] 8 [598.03,569.46]
    4 [845.12,748.79] 9 [569.46,546.28]
    5 [748.79,682.48] 10 [546.28,529.16]

    (3)
    根据(2)中划分的模糊子集,保持测试环境不变,固定测量35张纸张,采集数据如表4-2所示,采集到的原始数据90%落入35张页数所对应的区间[401.35,399.50],如图4-3所示。
    在这里插入图片描述

    表4-2 纸张数为35的实时数据

    测试组别 原始数据 测试组别 原始数据
    1 400.896 6 400.824
    2 401.049 7 400.591
    3 400.157 8 401.111
    4 399.912 9 400.443
    5 401.125 10 398.529

    图4-3 纸张数为35的分布区间图

    (4)
    根据(2)中划分的模糊子集,保持测试环境不变,固定测量46张纸张,采集数据如表4-3所示,模拟值大部分落入46张页数所对应的区间[383.6,382.7],如图4-4所示。

    在这里插入图片描述

    表4-3纸张数为46的实时数据

    测试组别 原始数据 测试组别 原始数据
    1 383.1243 6 385.6523
    2 383.7841 7 382.9651
    3 384.1236 8 382.2015
    4 384.3164 9 383.7621
    5 383.9984 10 384.1343

    图4-4 纸张数为46的分布区间图

    4.3.2测试结果

    表4-4 工作模式下纸张测试结果表

    范围 测试次数 正确次数 正确率
    1~10 25 25 100%
    11~20 25 25 100%
    20~30 25 25 100%
    30~40 25 25 100%
    40~50 25 25 100%
    50~60 25 23 92%
    60~70 25 20 80%
    70~80 25 16 64%

    4.3.3测试分析与结论

    根据上述测试数据可知,采集到的原始数据与纸张数大致呈幂函数关系,通过划分模糊子集,修改模糊规则控制表,确定每个区间的隶属度,可推算出当前的纸张数量。

    经测试,该系统可实现题设要求的全部功能,且误差在题目要求范围之内。

    5 创新特色总结展望

    本系统在完成了题目要求的同时,还增加触摸屏进行人机交互,具有十分友善的GUI,并增加了语音提示功能。系统的稳定测量源于机械结构的创新特性,采用固定铰链式抗干扰结构,确保上下极面的正对面积保持不变。整个系统的构建源于机械结构、电路设计、软件设计的合理架构,最大亮点是基于RT-Thread实时操作系统进行线程调度,极大程度的利用了MCU的资源,使得系统响应快、稳定性高。此外,基于电容检测的特性,增加了扩展功能以适应一些生活应用场景,例如:打印机剩余纸张检测,当纸张数量小于一定数量,报警提示用户;材料识别,预先采集材料阈值,进行不同材料的区分;纸币识别,识别不同纸币的面额。

    6.参考文献

    [1]德州仪器半导体技术(上海)有限公司. 德州仪器高性能模拟器件高校应用指南.德州仪器半导体技术(上海)有限公司大学计划, 2014.
    [2]彭丁聪.卡尔曼滤波的基本原理及应用[J].软件导刊,2009,8(11):32-34.
    [3]刘尧,邱运鹏,裴成梅,汪晨阳,胡安正.基于FDC2214电容式传感器的手势识别装置[J]. 电子制作,2019(10):13-15.

    附录1:电路原理图

    在这里插入图片描述

    附录2:源程序

    核心函数:计算最大可能落点,返回纸张页数
    在这里插入图片描述


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  • 2019全国电赛F题纸张计数显示装置的代码,说明:我们用的是最简单的方法,所以在数据处理的时候只是简单的区间计数,例如,一张纸的电容值检测的频率是多少,十张纸对应的频率是多少来进行计数的,很简单。...
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  • 【2019电赛】F题 纸张计数显示装置

    千次阅读 多人点赞 2019-11-20 13:49:59
    纸张计数显示装置(F题) 【本科组】 JD046 2019年8月10日 摘 要 纸张计数显示装置基于RT-Thread实时操作系统,硬件平台采用STM32F407单片机为主控制器,以具有抗电磁干扰(EMI)架构的FDC2...

    Github项目地址:https://github.com/Hyf338/2019-Electronic-Design-Competition

    2019年全国大学生电子设计竞赛

    纸张计数显示装置(F题)

    【本科组】

    全国大学生电子设计竞赛

    JD046

    2019年8月10日

    摘 要

    纸张计数显示装置基于RT-Thread实时操作系统,硬件平台采用STM32F407单片机为主控制器,以具有抗电磁干扰(EMI)架构的FDC2214模块作为电容采集传感器,通过屏蔽双绞线连接至两铜极板,读取采集的数据并进行相应判断,应用触摸屏和语音模块进行状态显示与播报。FDC2214模块将采集到的数据通过IIC协议传输给主控制器,主控制器对原始数据进行卡尔曼滤波,抑制噪声对数据采集的影响。校准模式下,本系统利用最大隶属度法,确定电容模拟值及纸张数的论域,定义模糊子集和隶属函数,建立模糊规则控制表,求得模糊控制查询表。其根据采集到的两极板的数据,做出短路判断并读取多组实时数据,将其与模拟区间进行归类,选取最大可能性区间作为期望值,减小最终判断的差错率。

    关键字: FDC2214 卡尔曼滤波 模糊算法 RT-Thread STM32

    Abstract

    This system is based on RT-Thread real-time operating system,the hardware platform adopts STM32F407 microcontroller as the main controller,and FDC2214 module with anti-electromagnetic interference architecture as the capacitor acqui1sition sensor.The FDC2214 module is connected to the two metal plates through the shielded twisted pair,the collected data is sent back from the metal plates to FDC2214 module,after being calculated,we use touch serial port screen and voice module for state display and broadcast.FDC2214 module transport collected data to the main controller through IIC protocol,The main controller performs kalman filtering on the original data to reduce the influence of noise on data collection.In the calibration mode, the system uses the mean of maximum method to determine the theoretical domain of capacitance analog value and paper number,define the fuzzy subset and membership function,establish the fuzzy rule control table, and obtain the fuzzy control query table.According to the data collected from the two metal plates,it makes short-circuit judgment and reads multiple sets of real-time data,classifies them with the imulation interval,selects the maximum probability interval as the expected value,and reduces the error rate of the final judgment.

    Keyword: FDC2214 Kalman Filtering Fuzzy Algorithm RT-Thread STM32

    目 录

    1系统方案 1

    1.1 电容式传感器的论证与选择 1

    1.2 压力式结构的论证与选择 1

    1.3 控制系统模块的论证与选择 2

    2系统理论分析与计算 2

    2.1 测量原理分析计算 2

    2.1.1 创建模型:模拟平行极板电容器 2

    2.1.2 FDC2214电容感测原理 3

    2.2 抗干扰分析 4

    2.2.1 卡尔曼滤波器 4

    2.2.2 模糊算法 5

    2.3 误差分析 5

    2.3.1 极板间充电效应 5

    2.3.2 不同环境下的电磁干扰 5

    3电路与程序设计 6

    3.1电路的设计 6

    3.1.1系统总体框图 6

    3.1.2 硬件电路整体框图 6

    3.2程序的设计 7

    3.2.1程序功能描述与设计思路 7

    3.2.2程序流程图 7

    4测试方案与测试结果 7

    4.1测试方案 7

    4.2 测试条件与仪器 8

    4.3 测试结果及分析 8

    4.3.1测试数据分析 8

    4.3.2测试结果 9

    4.3.3测试分析与结论 9

    5 创新特色总结展望 9

    6.参考文献 9

    附录1:电路原理图 10

    附录2:源程序 10

    纸张计数显示装置(F题)

    【本科组】

    1系统方案

    本系统主要由电容式传感器模块、机械结构、控制系统组成,下面分别论证这几个模块的选择。

    1.1 电容式传感器的论证与选择


    方案一:基于NE555时基电路的电容式传感器测量电路。由电容式传感器和NE555实际电路构成多谐振荡器,将电容转化为频率,使电容的极距与频率形成正比,在通过F/V频率转换器转换成电压,由减法器输出与极板位移相应的电压。

    方案二:FDC2214电容数字转换器。FDC2214采用创新型抗EMI架构,具有28位分辨率,4.08ksps高输出速率,可对噪声和干扰进行高度抑制。具有低功耗,4通道的接触式感测技术,支持宽激励频率范围,可为系统设计带来灵活性。

    考虑题目对测量精度的要求,电容式传感器应用灵敏度的主要限制因素在于传感器的噪声敏感性,
    FDC2214采用创新型EMI架构,即使在高噪声环境中也能维持性能不变。综合考虑采用方案二。

    1.2 压力式结构的论证与选择

    方案一:重物压力式结构。如图1-1所示,利用重物,尽可能消除铜板和纸张间以及纸张之间的缝隙,并保证纸张厚度的统一,但该结构稳定性较差,对重物的摆放位置和模板的平衡性要求较高。

    压力式结构

    图1-1 重物压力式结构示意图

    方案二:导轨式平压式结构。如图1-2所示,该结构确保每次纸张数量时以相同的结构特征进行数据采集,有利于对数据进行特征分析,并进行理论可行性的的论证,但是由于需要外接信号线导致平板高低不平,故而系统稳定性较差。

    导轨平压式结构

    图1-2 导轨平压式结构示意图

    方案三:
    固定铰链式抗干扰结构。如图1-3所示,通过拉动机械臂移动上极板,利用斜拉球缓冲垂直方向上的正压力,保证每次校验和测试时极板两侧压力相同,增加系统稳定性和测量上限。

    固定铰链式结构

    图1-3 固定铰链式抗干扰结构示意图

    考虑到上下极板每次放置需要垂直正对,由于机械臂的位置固定,极板位置偏移量小,辅以斜拉球缓冲,综合考虑采用方案三。

    1.3 控制系统模块的论证与选择

    方案一:选用AT89C51作为主控制器。AT89C51为8位单片机,数据处理能力明显不足。

    方案二:TI公司的MSP430系列微控制器。MSP430单片机具有低功耗的特点,但相较于32位单片机的接口外设及内存资源较少

    方案三:STM32系列微控制器。高性能、外设接口及内存资源丰富,用户基数大,资料相对较多。

    本系统的需采集的数据样本较为庞大,综合考虑采用方案三。

    2系统理论分析与计算

    2.1 测量原理分析计算

    创建模型:模拟平行极板电容器

    本装置利用两个平行极板模拟平行极板电容器,装置结构简图如图2-1所示:

    模拟平行极板电容器

    图2-1 平行极板装置示意图

    平板电容器的电容为
    在这里插入图片描述
    (式2-1)

    上下极板之间紧夹被测纸张,待测纸张厚度等于上下极板间距离d,极板面积S和相对介电常数保持不变,=8.85,改变极板间待测纸张的数量,电容C边随之变化。

    FDC2214电容感测原理

    FDC2214是基于LC谐振电路原理的一个电容检测传感器,其模块模块原理图如图2-2所示。

    FDC2214电容感测原理

    图2-2 FDC2214传感模块电路

    在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感和电容,组成LC电路。典型选择是18uH屏蔽SMD电感与33pF电容并联。被测电容传感端与LC电路相连接,将产生一个振荡频率,根据频率值可计算出被测电容值。

    FDC2214传感器频率表示为:

    (式2-1)

    其中:DATAx:DATA_CHx寄存器的转换结果;

    fREFX:通道x的参考频率;

    FDC2214的数据输出(DATAx)表示为:
    在这里插入图片描述
    (式2-2)

    FDC2214传感器测量的传感电容表示为:

    (式2-3)

    改变极板间距,导致极板间的电容值发生了变化,从而引起LC电路振荡频率的变化,根据频率值可知平行极板之间的传感器原始数据。

    2.2 抗干扰分析

    卡尔曼滤波器

    在这里插入图片描述
    图2-3 卡尔曼滤波器

    卡尔曼滤波器是一个“optimal recursive data processing
    algorithm”(最优化自回归数据处理算法)。卡尔曼滤波器通过对过程状态进行估计,卡尔曼滤波器可以分为时间更新和测量更新两个部分:时间更新部分负责向前推算当前的状态变量和误差协方差的估计值,构造下一个时间状态的先验估计;测量更新部分负责信息反馈,用先验估计和新的测量变量构造新的后验估计。

    在这里插入图片描述

    图2-4 采样数据与KLM滤波数据对比图 图2-5 采样误差与KLM估计误差对比图

    由图2-3的测试结果可知,在测试过程中,主控制器采集到的数值波动较大,排除外部可能造成的干扰,系统本身的采样过程中引入了白噪声,这里通过卡尔曼滤波除去信号中的噪声干扰。

    在一个周期内对系统采样50次,将其中一组数据经过卡尔曼滤波后可以看到估计值相较原始数据,波动更小,数据更加平顺。

    由图2-4的测试结果可知,在纸张数量一定的情况下,计算在理想情况下(无噪声干扰)的理论真值,以理论真值为参照,比较采集值与经过滤波后的估值与真值的误差,可以看到经过过卡尔曼滤波后的数据误差更小。

    2.2.2 模糊算法

    模糊推理算法是指通过对现实对象的分析,处理数据并构建模糊数学模型。模糊算法是逐次求精的过程。

    在这里插入图片描述

    图2-5 模糊控制系统组成

    在模糊控制中有多重解模糊的方式:面积平分法、加权平均法(重心法)、平均最大隶属度法等。根据系统的特性,我们选用平均最大隶属度法进行解模糊运算。

    最大隶属度法具有两大原则:

    第一,穷尽性原则,即对象总体中所有分子都能归类。

    第二,排它性原则,即对象总体中任何一个分子都不能同时归属于两个或者更多的类。

    模糊推理结果为输出论域上的模糊集,通过平均最大隶属度法,取模糊集中具有最大隶属度的所有点的平均值作为去模糊化的结果,由此可得到论域上的精确值。

    2.3 误差分析

    极板间充电效应

    经过多次试验测试分析,当极板长时间处于未处于短路状态下,电容极板会产生充电效应,导致极板间电容逐渐增大,对传感器原始数据的采集造成影响,如表2-1所示。当纸张页数较高时,影响尤为明显,如表2-2所示。

    表2-1 在20张纸条件下传感器原始数据变化表

    充电时间/s 0 5 10 15 20 60
    传感器原始数据 424.74 424.75 424.73 424.83 424.89 424.91

    表2-2 在65张纸条件下传感器原始数据变化表

    充电时间/s 0 5 10 15 20 60
    传感器原始数据 351.94 352.10 352.17 352.32 352.41 353.21

    不同环境下的电磁干扰

    考虑到不同环境下会对装置产生不同的电磁干扰,因此进行多种环境下的测试,测量结果如下。可明显看出不同环境下电磁干扰对采集的原始数据造成干扰。

    表2-3 不同环境下采集的传感器原始数据

    页数 10 15 20 25 30
    木质桌面 516.824 452.027 418.502 399.327 385.927
    水泥地板 524.529 460.381 427.152 407.870 394.625

    3电路与程序设计

    3.1电路的设计

    系统总体框图

    在这里插入图片描述
    图3-1 系统总体框图

    硬件电路整体框图

    在这里插入图片描述
    图3-2硬件电路整体框图

    3.2程序的设计

    程序功能描述与设计思路

    (1)系统总体工作流程

    软件部分主要分成用户交互设计以及数据处理算法设计,基于RT-Thread实时操作系统,利用系统的线程调度完成各个模块的程序处理,程序流程图如图3-3所示。

    (2)程序设计思路

    在整体软件中,首先在触摸屏菜单进行人机交互,进入不同的功能调用不同的控制函数与数据处理算法。程序线程调度,主要分为简单任务以及核心算法算法任务。简单任务为IO设备、触摸屏、OLED屏幕、语音模块、NB-IOT模块等设备控制;核心控制算法任务为FDC2214电容模拟值采集、卡尔曼滤波以及模糊求解最大可能性落点区间,从而得到当前纸张数量。

    3.2.2程序流程图

    在这里插入图片描述

    图3-3 程序流程图

    4测试方案与测试结果

    4.1测试方案

    在这里插入图片描述

    图4-1 测试流程图

    4.2 测试条件与仪器

    (1)软件开发环境:Keil5。

    (2)配套加工安装条件:3D打印机,激光切割机。

    (3)前期自行设计使用模块:主控制器核心控制板。

    4.3 测试结果及分析

    测试数据分析

    (1)
    保持测试环境不变,采集50个样本,通过MATLAB拟合出纸张页数与传感器原始数据的曲线关系,如图4-2所示。

    在这里插入图片描述

    图4-2 纸张页数与模拟量的拟合函数关系图

    (2) 根据(1)中采集的50个样本,确定电容模拟值及纸张数的论域,划分模糊子集,如表4-1
    所示。

    表4-1页数与模拟量区间对应表

    页数/张 对应模拟量区间 页数/张 对应模拟量区间
    1 [1680.00,1345.34] 6 [682.48,633.84]
    2 [1345.34,1013.26] 7 [633.84,598.03]
    3 [1013.26,845.12] 8 [598.03,569.46]
    4 [845.12,748.79] 9 [569.46,546.28]
    5 [748.79,682.48] 10 [546.28,529.16]

    (3)
    根据(2)中划分的模糊子集,保持测试环境不变,固定测量35张纸张,采集数据如表4-2所示,采集到的原始数据90%落入35张页数所对应的区间[401.35,399.50],如图4-3所示。


    表4-2 纸张数为35的实时数据

    测试组别 原始数据 测试组别 原始数据
    1 400.896 6 400.824
    2 401.049 7 400.591
    3 400.157 8 401.111
    4 399.912 9 400.443
    5 401.125 10 398.529

    图4-3 纸张数为35的分布区间图

    (4)
    根据(2)中划分的模糊子集,保持测试环境不变,固定测量46张纸张,采集数据如表4-3所示,模拟值大部分落入46张页数所对应的区间[383.6,382.7],如图4-4所示。

    在这里插入图片描述

    表4-3纸张数为46的实时数据

    测试组别 原始数据 测试组别 原始数据
    1 383.1243 6 385.6523
    2 383.7841 7 382.9651
    3 384.1236 8 382.2015
    4 384.3164 9 383.7621
    5 383.9984 10 384.1343

    图4-4 纸张数为46的分布区间图

    4.3.2测试结果

    表4-4 工作模式下纸张测试结果表

    范围 测试次数 正确次数 正确率
    1~10 25 25 100%
    11~20 25 25 100%
    20~30 25 25 100%
    30~40 25 25 100%
    40~50 25 25 100%
    50~60 25 23 92%
    60~70 25 20 80%
    70~80 25 16 64%

    4.3.3测试分析与结论

    根据上述测试数据可知,采集到的原始数据与纸张数大致呈幂函数关系,通过划分模糊子集,修改模糊规则控制表,确定每个区间的隶属度,可推算出当前的纸张数量。

    经测试,该系统可实现题设要求的全部功能,且误差在题目要求范围之内。

    5 创新特色总结展望

    本系统在完成了题目要求的同时,还增加触摸屏进行人机交互,具有十分友善的GUI,并增加了语音提示功能。系统的稳定测量源于机械结构的创新特性,采用固定铰链式抗干扰结构,确保上下极面的正对面积保持不变。整个系统的构建源于机械结构、电路设计、软件设计的合理架构,最大亮点是基于RT-Thread实时操作系统进行线程调度,极大程度的利用了MCU的资源,使得系统响应快、稳定性高。此外,基于电容检测的特性,增加了扩展功能以适应一些生活应用场景,例如:打印机剩余纸张检测,当纸张数量小于一定数量,报警提示用户;材料识别,预先采集材料阈值,进行不同材料的区分;纸币识别,识别不同纸币的面额。

    6.参考文献

    [1]德州仪器半导体技术(上海)有限公司. 德州仪器高性能模拟器件高校应用指南.德州仪器半导体技术(上海)有限公司大学计划, 2014.
    [2]彭丁聪.卡尔曼滤波的基本原理及应用[J].软件导刊,2009,8(11):32-34.
    [3]刘尧,邱运鹏,裴成梅,汪晨阳,胡安正.基于FDC2214电容式传感器的手势识别装置[J]. 电子制作,2019(10):13-15.

    附录1:电路原理图

    在这里插入图片描述

    ==========================================

    附录2:源程序

    核心函数:计算最大可能落点,返回纸张页数
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