电赛回忆

Posted 2021-02-21 franksimon

1: Situation

这是我参加19年参加的一个比赛，当时我们的参加的题目是“基于电容传感器的纸张计数器”，具体能实现以下功能。

（1）测量显示电路具有“自校准”功能；

（2）自检报告两极板之间是否短路；

（3）测量置于两极板之间1-30张不等的给定纸张数。我们当时差不多能测量50张纸。

（4）有良好的人机交互界面

难点：

1：方案选择

因为比赛有四天三夜的时间限制，快速的选择出正确可行的方案尤为重要。测量电容的方案有很多，比如可以通过555或者与非门组成一个多谐振荡器，用单片机输入捕获去测量方波频率，从而反应电容的大小。还可以用容抗测量的方法。由于我们队里存的有FDC2214和555，我们就搭建了两个电路，经对比，在555测试时，发现纸张数量，越来越多时，两极板之间的电容变化不是很明显，所以NE555芯片，精度不够。最终我们选择FDC2214,内部有多谐振荡器，传递的是数字量的频率，通过IIC协议与单片机通信。

iic:串行总线，半双工协议，用于连接微控制器及其外围设备， I2C串行总线有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

SPI:高速的，全双工，同步的通信总线, 使用四根线来实现串行通信：两根数据线、一根时钟线(主设备输出，从设备输入，用于同步数据位)、一根控制线(主设备输出，从设备输入，用来选择哪一个从设备与主机通信。)SPI的接口时序也由两个很重要的参数决定：时钟极性与时钟相位

 

2：干扰屏蔽

干扰来源：

• 每次拿出或放入纸张时， 线路微小变化或极板偏移可能对结果造成影响。
• 环境因素可能对结果产生影响， 如低温、高温、电磁干扰环境下， FDC2214 返回数据会有较大偏差。
• 挤压力度会造成误差产生， 当纸张间空气较多， 或是挤压对纸张介电常数影响较大时， 可能对结果造成影响 

应对措施：

• 对机械结构做处理，由于极板位移以及导线移动都会对测量结果产生影响，所以采取双轴滑杆升降结构，这样可以最大限度减少极板的位移，导线我们采用单芯屏蔽线，并通过软连接的方式固定在装置上，确保每次测量时，导线处于同一位置。
• 对数据进行自校准处理。
• 采用静态重物挤压

 综合测评：

原件：LM324 74LS00

产生：占空比可调，频率可调矩形波，19-21KHZ。同频率正弦，同频率余弦

电路结构（比赛时）：RC充放电回路+电压滞回比较器，正弦用有源低通滤波器，正弦做的波形不好，余弦就没做。。。

电路结构（比赛后大神分享）：

要求一 方波
我们选择了与非门搭多谐振荡电路

 

 

震荡周期T≈1.3RC （C1=C2=C，R3=R4=R）取C=0.01uF 频率f取19kHz，则R=4k左右，用103电位器即可
值得说的是，输出波形的下降沿有一些失真，所以我们在后面又加了一个与非门，让方波更方。

要求二 正弦波
这里需要一个低通滤波，我们用的是有源低通滤波，不建议用无源的。

 

 

R2/R1用来调整增益,这个用在最后调幅值,一开始比值调个小于1/1就好,主要先看波形
R5=R6=R C3=C4=C
截止频率
f0=1/(2πRC) 取f0=20khz ,C=0.01uF 求得R=795.7Ω。所以使用2K电位器
要说的是，2.5V的基准电压应该也用电位器，用来调节输出波形的中心电压上移或下降

要求三 窄脉宽信号

 

 

这个，使用要求二产生的正弦波和一个基准电压做比较，即可输出窄脉宽

电路就是这么简单，基准电压用电位器分压而得。值得说的是，输出波形在20khz之下，严重失真，需要加一个与非门做非门整形

要求四 移相90°

 

 

这个要求可谓各显神通，我们选择了滤波移相，我们没有试普通的滤波，也没有试拿正弦积分，大家可以试试。我们这个叫滞后型文氏滤波，是全通滤波的一种

图片来自维基百科，需要说明的是电容C下面的基准电压取输入波形的中心值（比如正弦波有1V的直流偏离，这基准电压也设置为1V）
这个电路在Fc=1/(2πRC)处移相90°,低频移相趋于0°,高频趋于180°
取C=0.01uF Fc=20kHz 则R=796Ω 使用2K电位器
关于两个Rx,前一个用1K,后一个用的5K电位器,先调1:1即可。反正后面波形不太对的话，我们会每个滑变都调一调，值或多或少都跟理论值有些差异
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