2019电赛F题浅析——纸张计数显示装置

题目概述

        要求利用极板电容原理来测试纸张数量。测试方法为两片覆铜板之间夹A4纸。题目对铜板的面积做了限制，50mm的方形。根据极板电容的原理，介质不变的情况下，电极面积越大，极板距离越小，电容量越大。这里覆铜板就是电极，纸就是介质。纸张的数量来调节极板间的距离。极板面积不变，介质不变，这个极板电容的容值就跟纸张数量相关。

        纸张数量少的时候，变化一页纸，产生的ΔC电容变化相对就大。纸张数量多则变化一页纸ΔC就小。所以题目的难度按能检测的纸张数量来划分。基本要求是10页纸，发挥部分是15到30页，更高部分为30页以上。

        题目就转化为如何高精度的检测ΔC这个变化量。有两种基本方法来检测ΔC。一种是利用电容在一个频率下是有容抗值， Zc = 1/ （j*ω*C）。这个容抗跟电阻串联，则ΔC可以改变跟电阻的分压。容抗也可以用在放大器里，ΔC来改变放大器的放大倍数。另一种是利用电容作为振荡器的元件，ΔC来改变振荡频率。振荡器频率跟标准频率经过鉴相器或者鉴频器，得到频率的变化量。也可以进频率计测定ΔC产生的频率值变化。

        实际应用中，有一种电容式湿度传感器，跟题目的思路很相似。湿度变化使传感器电容变化，设计电路检测电容变化从而得到湿度。也可以参考这方面的设计。本文中使用电容阻抗跟电阻串联分压的方法。

第一部分  阻抗分压设计

        正弦波使用硬木课堂平台的信号源产生，或者使用DDS芯片产生。题目没有对频率和幅度进行限制，所以选择幅度大一些的信号有利于检测小的ΔC。T4是极板电容和电阻的分压点。

            VT4 = VT3 *  R1/  sqrt(（ 1/（2*pi*f*C）^2 + R1^2）)

 

第二部分  峰值检测设计

        为了降低单片机的采样难度，使用峰值检测将交流信号的峰值转化为DC值。单片机采集直流即可。使用精密二极管整流，然后用RC低通滤波取信号的直流分量。经过一个U2B正向放大器给单片机ADC采样。二极管精密整流的输入阻抗较小，所以用U1A跟随一下T4点的阻抗分压。总共用了2片TL082芯片。

第三部分 单片机采样和程序设计

实验19 ADC基础知识  https://www.yuque.com/yingmuketang/01/kyffko

实验23 定时器触发ADC实现采集  https://www.yuque.com/yingmuketang/01/gq86hb

第四部分 联调测试

        测试时，面包板电路跟硬木课堂平台的连接方法。硬木课堂实验平台提供电源，万用表，信号源，示波器等基本仪器给电路测试。

正弦波阻抗分压测试

        在运放跟随器后面进行测试。因为示波器探头的寄生电容和输入电阻会有影响。所以在跟随器后面测试。打开电源给电路供电±12V。

        设置信号源产生10KHz，9.5Vpp的信号。这个信号在后面整体时可以用DDS芯片或者单片机编程刷波表产生。

打开示波器，观察1页，10页，20页时的波形。可以看到幅度递减。

二极管精密整流测试

        二极管精密整流是用运放抵消二极管的导通电压，实现

                        Vout = -（Vin – 2*（Vin的正半周））

        通过三通道示波器同时观察反向加法器的两个输入和输出，从而实测整流过程。电源保持±12V不变。

设置信号源S1产生500mVpp，1KHz正弦波

打开示波器，三个通道同时观察。可以看到AIN3红色就是精密整流结果。

纸张变化转直流测试

        将阻抗分压，跟随器，二极管精密整流和RC滤波，正向放大串联起来。就可以测试极板电容变化转换为直流变化。用硬木课堂万用表测试Out直流。后面可以用单片机ADC采集。

信号源依旧提供10KHz，9.5Vpp正弦波，电源±12V供电。万用表使用直流电压档。

记录表格如下

        单片机编程时，根据这个实测曲线，由测试电压反推纸张数量。

联合测试

        需要注意的是，由于纸张之间有空隙，需要一个重物压实。重物的选择要偏重一些，但是不要引起极板变形。重物确定好以后，测试中不要更换，保持重量不变。这样纸张的缝隙才能每次测试近似相同。放置纸张，压重物，测试开始，看单片机显示的纸张数。

        上下极板使用50mm的覆铜电路板。纸张是70g标准的A4纸，裁剪为小方片，方便操作演示。