一.简介

本项目分享的是一个嵌入式系统的课程设计，老师给了多个题目供我们选择。我们组选择的题目是纸张计数显示装置设计，也是2019年全国大学生电子设计竞赛的F题。

有关这个题目的经验分享，网上已经出现了很多，各种实现原理也都比较明确。我们的这个设计便是基于FDC2214电容数字转换芯片这个方案。
电赛官网讲解——韩力教授：F题—纸张计数显示装置解析与交流

由于是课程设计，相对于四天三夜的电赛，时间十分充裕。因此我们组决定在实现题目要求的基础上，提高作品的整体性和实用性。

对题目没有了解的同学可以先仔细阅读下题目：

下面便是我们在项目的开题准备阶段，设计的作品效果展示图：

作品实际效果展示如下图所示：

运行步骤如下：
1.放入待测纸张；
2.按下串口屏上的识别检测按键；
3.电容上极板在滑块的带动下，向下移动，夹紧纸张；
4.压力传感器检测到压力超过阈值后，反馈信号，电机停止转动；
5.读取电容传感器数值，进行纸张数识别和显示；
6.电容上极板向上运动，当绿色接近开关检测到信号后，电机停止转动，完成一次检测；

二.项目设计

1.系统结构

作品的主控采用STM32F103C6T6（主要是因为便宜），整体采用24V电源适配器供电。
步进电机使用的是滑台配套的57步进电机。
结构图中还应加上EEPROM芯片AT24C64，用于存储纸张对应的电容值数据。

2.机械结构设计

作品的三视图如上，作品整体框架使用的是2020黑色铝型材。
以右视图为例： 通过控制右侧滑台的上下移动，从而带动左侧滑块的上下移动。左侧的导轨滑块与电容上极板连接，从而完成电容上极板夹紧纸张的动作。

如上图所示，电容上极板的结构做了比较特别的设计。电容上极板通过四个弹簧与配重装载台连接，同时，空隙中间放置了两个立方体块，并有一个薄膜压力传感器粘贴在下方的立方体块上表面。
上方的亚克力盒中放置了砝码作为配重，确保纸张可以被快速压紧。

★当电容上极板开始下降，进行夹紧纸张的动作后，弹簧会受力压缩，从而挤压到中间的薄膜压力传感器。得到反馈信号后，控制电机停止转动。

★使用弹簧连接，还可以在一定程度上保证：在完全夹紧纸张后，电容上极板与下极板的处于平行状态。

3.硬件设计

（1）主控板设计

主控板主要包括stm32f103的核心板接口、DC-DC模块、蜂鸣器模块、外设模块接口等。设计和焊接难度均不大。

（2）FDC2214模块设计

为了方便安装在主控板上，FDC2214模块没有购买淘宝的成品。
★模块只引出了一个通道；
★时钟源使用的是外部40MHz有源晶振。
★FDC2214芯片是QFN封装，焊接难度较大，我是使用热风枪焊接的。

（3）其余模块

★薄膜压力传感器模块

该传感器使用成品模块，包含一个左侧的压力传感器和一个右侧的转换电路模块。
★需要注意的是，薄膜压力传感器只适用于检测压力的大致大小，无法像电子秤那样获得精确的压力值。

★电机驱动部分
电机驱动部分由DM542电机驱动器、57步进电机控制的滑台和接近开关组成。均可在网上购买到相应的成品。
滑台的长度需要根据外金属框架大小做相应调整。

（4）各模块连接示意图

其中，电容金属极板使用PCB电路板制作，可以保证铜皮厚度尽可能小；极板与FDC2214模块使用屏蔽双绞线连接。这些设计主要是为了减少寄生电容和外部干扰对测量的影响。

4.软件设计

软件部分主要是电机的控制和学习识别部分的设计。

（1）电机控制部分

为了使运动结构能平稳地启动和停止，在每次按下识别检测按键后。电机均会经过加速、匀速、减速、停止四个状态。

（2）学习识别部分

学习和识别的方法采用的是本文开头推荐的官方视频中，韩力教授讲解的方法。下面做简单的讲解：

在学习模式下，需要依次学习并存储不同纸张数所对应的电容值区间。方法如下：
1.每次按下启动按钮，会连续检测多次数据，从中获取电容的最大值和最小值。即上图中的max1和min1；
2.加入一张纸，进行相同的方式，得到图中的max2和min2；
3.由于电容值可能不连续，max1和min2之间会产生空白区，则通过均分的方式重新标定分界点。从而得到两个区间，即上图中的蓝色区间和红色区间。
4.其余纸张数以此类推。

当学习完足够多的张数后，即可开始进行识别。方法如下：
1.按下启动按钮，连续读取多个数据；
2.对读取到的多个数据进行分类，找到所有学习到的区间中，落入数据次数最多的一个；
3.则该区间所对应的纸张数就可以作为实际识别检测到的纸张数；

三.结果分析

经过多测测量，此作品识别纸张数的误差如上图所示：当测量65张以上的纸张，会产生随机性的±1张以内的误差。主要原因如下：

随着纸张数的增加，测得的电容值会快速下降，并趋于平坦，接近一个反比例函数。这也与平行极板电容公式吻合：C=εS/4πkd（其中纸张数直接影响极板之间的距离d）
这样便会导致如下的情况（在纸张数较少和较多情况下，分别测量相邻的3种不同纸张数）：

在纸张数较少时，不同纸张所对应的电容值区间明确，易于区分；纸张数较多时，相邻纸张数之间所对应的电容值区间发生重合，导致难以准确识别。

四.总结

作品的整体功能已经基本完成，细节部分还有待优化，总成本约1000元。
目前作品还存在以下问题：
1.未加入校准功能。当环境变化后，需要重新进行学习，工作量大。
2.步进电机噪声很大，严重影响使用体验。
3.纸张数较多情况下，没有找到消除误差的方法。

本项目的开源资料包括展示视频、设计报告、3D模型（使用Rhino打开）、PCB文件、完整程序。
开源资料：【嵌入式系统课程设计——纸张计数显示装置设计开源资料（FDC2214方案）】