以下是F題的另外一組分享：復測此組別的第一名！我們來自湖南師范大學（專業：應用電子技術）的參賽隊伍，在2019年電賽中獲得F題國一，復測測到135張，很高興受達爾聞邀請來給大家分享。

視頻是實驗室無干擾環境下拍攝（測到200張）

4天3晚，我們怎么度過的？Day1：綜合分析了一下， F題測紙張數量和電磁炮的工作量可能是比較小的，但是對于電磁炮，我們沒有準備相應元器件，最初是打算選擇做D題三極管特性測試儀，經過近2個小時的仿真驗證，發現工作量太大，就放棄了D題，雖然容易獲得分數，但是很難做到高分，最終破釜沉舟的確認選擇F題。經過整個白天都未找到測試方案，一直在使用RLC測試儀測試不同紙張時的電容規律。在晚上，大概九點多，想到了RC分壓檢測電壓變化，識別紙張數，在此時嘗試用555搭建了RC振蕩器，到大概凌晨2點多時，完成了程序編寫，通過STM32的ADC抓取10kHz時“電容”或者電阻端的電壓峰值，以此峰值的識別紙張數，其結果不太理想。用示波器檢測被測電壓波形時，紙張數的變化會造成振蕩頻率的明顯變化。Day2：驗證測頻的可靠性，這是第二天我們所做的事情。初步做到了60張左右，可靠性較高。Day3&4: 優化極板結構，電路穩定性及抗干擾性優化以及軟件優化，最后確定作品實體，完成作品制作，然后訓練操作流程，提高操作效率及穩定性。該說的就基本講完了，比較隨意的放置紙張測試時，本裝置的能測的準確紙張數在120張左右，在我們規范的操作下可以做到200張（只做了200的量程），據推測，在電磁環境極好的環境下應該可以做到300到400張左右（頻率的變化曲線呈現為遞增型指數函數）。軟硬件方案分享本次設計制做的紙張計數顯示裝置由兩塊平行極板（極板 A、極板B）分別通過導線 a 和導線 b 連接到測量顯示電路，裝置可測量并顯示置于極板 A 與極板 B 之間的紙張數量。

硬件部分：

1）極板加緊固定裝置的論證與選擇

根據題目給定說明和要求可知，極板 A與極板B是需要相互平行且夾緊的，因此初步得到以下兩種方式。

方案一：采用夾子的方式將兩塊極板進行夾緊。這種方式結構簡單，制做方便，使用靈活。但是存在諸多不足，如：極板之間受力不均勻、夾子容易松動、極板相對面不固定等因素都會影響等效電容的大小，造成測量出現誤差。

方案二：用放置重物壓緊，四周打定位孔用螺栓插入，使其相對面積基本保持不變。這種方式制做稍微繁瑣，但兩個極板之間的受力較為均勻，調試方便，穩定性較好。

上述兩個方案通過實際的比較之后，發現方案一存在諸多的缺陷，如兩級板之間相對面積難以保證，夾子受力不均勻，難以很好的壓合極板，且夾子通過多次的夾取紙張，夾力會減弱。而方案二便沒有這些問題，最后選擇方案二來做本次設計。

2）測量方案的論證與選擇

方案一：振蕩器頻率測量法。采用TI公司的NE555芯片搭建成多諧振蕩電路，將原本C1起振電容用A、B兩塊極板代替，那么NE555的3腳輸出的振蕩頻率將會隨著極板電容容量的變換而變化，通過單片機測量該頻率，經過多次數據的校驗就可以完成對紙張的測量。

方案二：FDC2214電容測量芯片。使用TI公司生產的FDC2214完成本次設計。這是一塊高分辨率、高速，電容-數字轉換器。芯片的激勵頻率可從10 kHz至10 MHz，分辨率高達28位，完全可以滿足本次設計所需。芯片通過I^C通訊協議與單片機完成數據交換，因而使用方便接線簡單。

上述二個方案中，方案一雖然簡單但是存在不足，如：分壓電阻不夠精密，制做的激勵源產生的信號頻率、幅度都難以穩定；而且發出交流信號，單片機存在采樣不完整的缺陷。

方案二，雖然電路結構、原理都較為簡單，但是其輸出的信號是TTL信號，頻率和幅度都較為穩定，反應測量極板電容量變化的特征是頻率一個參數，因而便于分析和程序的編寫。不足之處就是NE555的工作范圍有一定的頻率限制，網站查閱資料后可知該器件最高工作頻率為500KHz。

方案二中FDC2X1X系列芯片因靈敏度和分辨率都較高，因而這個方案存在外界干擾和電源干擾的問題，而且激勵頻率過高時，在500mm長的線長都會受到較強的電磁干擾，且制做本次設計的條件有限，無法增加屏蔽罩、屏蔽網或其余的看干擾方式。

綜上所述決定選擇方案一。

3）主控芯片的選用

方案一：使用Arduino系列的Mage2560。

Mage2560是Arduino系列AVRATmega的8位單片機，處理核心是ATmega2560，具有54路數字輸入/輸出口，同時具有15路10位AD模擬輸入口，4路UART接口，使用16MHz晶振作為輸入工作時鐘，處理速度為8MHz。

方案二：使用ST公司的STM32F103

STM32系列是一款基于Cortex-M3內核的中低端的32位ARM微控制器，最高工作頻率可達72MHz。內部帶有豐富的高速、高精度的定時器，將其時鐘源配置為外部時鐘，就可以對外部脈沖信號進行脈沖計數，還帶有單周期乘法和硬件除法。

方案三：使用高精度浮點型DSP

DSP具有高速實時的數據處理能力，擅長復雜的數據處理，而電容從放電規律呈現出指數函數變化規律，由此可以推知由于電容改變而改變的振蕩頻率的變化規律也應該遵循這種類似的指數變化規律，浮點型DSP具有指數運算能力。（利用MATABLE數據擬合確定函數模型）

注：本人不太會使用浮點型DSP，所以舍棄了DSP這種最優的主控方案。

綜上方案， Mage2560其處理速度還是定時器采樣速度、精度都遠低于STM32，為了保證系統的測量的精度和題目所限制的時間，決定選用方案二。

硬件部分電路組成

軟件部分：

本題，我們的核心是檢測RC振蕩頻率。通過不同紙張數所對應的不同容值，RC振蕩器產生不同的頻率，根據頻率變化規律，確定紙張數。

關鍵部分就是先做一個較高精度的頻率計。具體實現方法就不多說，畢竟大家都是大佬！

自校準的完成：通過對每一張紙的頻率進行準確記錄，生成一張校驗表，表的序號加1即為紙張數；

一鍵測量：記錄當前所測紙張的頻率值，再與校驗表比對，通過做差求絕對值的方法來確定當前頻率所對應的紙張數，按照題目要求打印輸出即可；

這里就已經基本完成了程序設計，但是為了在規定的時間內測試較多的紙張數，在此基礎上添加了校驗數據掉電保持功能和校驗數據修改功能，在測試前確認以前的校驗數據是否還有效，如果有效，就將不再修改校驗數據，否則，修改不正常的校驗數據，具體實現——簡單的內部FLASH存儲讀寫操作，這里也就不說了。簡單的流程如下：

總結

1、合理規劃、注意時間的高效利用；

2、合理分工，軟硬件本屬于一體，軟、硬件多多交流；

3、電路上電前一定要做短路檢測，防止損壞電路；

4、檢測電路中特殊點的阻值，習慣于以此預測并防止電路產生重大故障。

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總結

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