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思维混乱/
我参加了电子设计竞赛...
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我参加了电子设计竞赛...

 

成果

北京市二等奖
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方案

我其实对电子电路这块是一窍不通的，也就擅长写写代码调调单片机。然而做电赛软硬兼顾才吃香，要不怎么要求三人组队参赛呢。
 
经过我们仨人深（一）思（拍）熟（脑）虑（门），就选 F 题了。题目要求，两个金属极板间放若干张纸张，每个极板上仅引出一根线连接到设备上，仅据此就得知道里面夹着多少张纸。（还不如做个电子秤，70g一张纸）
 
测电容！
 
两个极板对齐摆放就是一个电容器，里面夹着纸或者其他东西都会改变这个电容器的电容，而我们只需要做两件事情
  • 测出电容
  • 找出电容值与纸张数量的对应关系
 
感觉这道题最难地方在于
🤕
测量很容易实现，测量准确实属不易
 

测量值范围预估

（不是我算的我也不知道怎么算反正就是这个样子
题目要求金属极板的面积为 2.5 平方厘米，两个极板间压的足够紧（没有空气）的情况下一张纸的电容约为570 pF ，十张纸的电容约为 57 pF ，20 张纸的电容约为 23.5 pF ，30 张纸的电容约为11.75 pF。
 
所以，纸越越难区分，设计的最小测量精度为 1.17 pF。
 
 

测量电容

“两极板以及极板间的待测纸张构成了一个大电容，容值随着纸张数的不同发生变化。我们将这个大电容接入由 555 计数器构成的多谐振荡器电路中，通过大电容连续的充、放电过程，使得 555 计数器被不断复位、置位，从而输出一定谐振频率的方波，得以将测量纸张数目的问题在转变为测电容之后，再进一步转变为对频率的测量。“
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单片机和电容测量电路的桥梁 FPGA

我们需要做一个高频计数器，由于我们选用的是 Arduino Mega2560 作为主控，不管使用什么方法频率计也就在 10K 左右。而 555 输出的是一个方波，周期即电容充放电的周期，通过测量周期长度，也就是测量高频晶振在周期内的震荡次数，以精确测量电容值。
 
我们利用了一块叫 小脚丫🦶 的FPGA板子，做了个16位计数器，通过16根线和 Arduino Mega2560 相连（谁让它IO口就是多呢），相互不设控制，FPGA每测量一整个周期的计数更新一次16根线的数值，相当于一个计数器+锁存器了。
 
此外，利用PLL IP核(锁相环) ，我们把 小脚丫🦶 片载的 16Mhz 晶振做了 12 倍频，高达 96Mhz，大大大大大大大大的提高了测量的精度。
 
如果用单片机实现，这一定是一个既消耗资源，又考验算法性能的工作，但如果换一个方式，就很简单，很简单。也就20行左右的 Verilog 代码。（前提是得接触过 FPGA，数字逻辑课、计组课设课没白上
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单片机 Arduino Mega2560

为什么选这块板子呢
  • 不要重复造轮子 （库多随便调，懒癌晚期患者）
  • 丰富的IO接口（要不是为了连上 小脚丫🦶的16根线.....）
  • 简单易用，快速上手（说白了就是菜）
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得益于以上优点，让一块OLED屏幕显示英文仅需要4根线和几行代码 😊

测量器

老师好厉害，真的。
印了块电路板，中间腐铜当金属板，我就问问，这谁想的出来！
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  • 两块极板精准对接，提高测量精度
  • 一个大夹子直接夹上，提高测量精度
  • 看着美观精巧，实操测量人员心情愉悦，提高测量精度
 
在这里实名感谢🙏提供夹子的大兄弟，没有你（的夹子）我们不可能走到现在这一步！

动手

（这我就不是很擅长了，虽然我焊接啥的都会！，但就是良品率低，很低很低的那种
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我当时怎么就不多拍一些照片呢，也不至于现在找不到图还得靠表情包凑数。之后是再补图吧 2333

编码

PlatformIO + CLion = ❤️

Arduino IDE虽然用着方便，但既不支持代码格式化，又没有智能补全，实属智障IDE。
CLion虽然聪慧过人，但仅支持识别 CMake 这一种构建方式。
brew install platformio  # 安装platformio工具链
platformio lib install 135  # Adafruit SSD1306 屏幕驱动
platformio lib install 188  # Adafruit_GFX 图形库
platformio init --ide clion # 刷新一下对CMake的支持
PlatformIO 有自己的构建方式，生成的 CMakeLists.txt 只是用来打酱油的（让 CLion 可以智能提示和错误检查）
 

小屏幕

void setup_screen() {
    if (!disp.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { // Address 0x3C for 128x32
        Serial.println("SSD1306 allocation failed");
        for (;;); // Don't proceed, loop forever
    }
    disp.setTextSize(1);      // Normal 1:1 pixel scale
    disp.setTextColor(WHITE); // Draw white text
    disp.setCursor(0, 0);     // Start at top-left corner
    disp.setRotation(2);     //屏幕装反了软件来调整
    disp.cp437(true);
}

void disp_menus() {
    disp.clearDisplay();
    disp.setCursor(0, 0);
    disp.println("Adjust 15 | TEST");
    disp.println("Adjust 5  | Adjust 25");
    disp.println("          | (BACK)");
    disp.display();
}
 

小脚丫 STEP FPGA MX02 V2

module Counter(
    input sig,
    input clk,
    output reg [15:0] out
);

wire clk2;
reg [15:0] cnt;
reg [4:0] ct;


initial begin
out <= 16'b0000000000000000;
cnt <= 16'b0000000000000000; // 脉冲计数器
ct <= 4'b0000;   // 对555输出的方波进行分频，提高测量精度
end

pll PLLX(.CLKI(clk),.CLKOP(clk2));  // 调用IP核的倍频器

always @(posedge clk2) begin
 if(sig == 1 && ct == 4'b1111) cnt = 0;  // 测完一个测量周期就清空计数器
  else cnt = cnt + 1;
end

always @(posedge sig) begin
 if(ct == 4'b1111) begin // 这里相当于一个锁存器，保持out始终为周期完整的测量结果
   out = cnt;  
   ct = 0;
  end else ct = ct+1;
end

endmodule
 

马上就要封箱了！

赛事DDL前，应该做些什么？
印象中是2019年8月10日晚上8点就要停止比赛，不管做得怎么样，都要把作品和设计报告装在一个箱子里，贴上封条，静待专家测试。
 
那8月10日的下午，就是一个很关键的时间段。
是应该多做一些，还是应该少做一些，以及要保持一个怎样的心态，才算良好。
 
当时我们已经能精准测量并识别1～30张纸了，使用的是查表法，预先将不同数量厚度的纸张的读数值记录下来，写在程序中，再次测量的据此得出纸张数量。考虑到周围环境以及不同品牌纸张对结果的影响，我们也做了分点校准程序（我们假设误差对于不同数量的纸张的影响是相同的）。
 
于是，我们是进一步提高1～30张纸的对应表的精度，还是测量并记录更大范围的对应表呢？
 
对于第一件事情，提高精度的方法无非多次测量取平均，完整测量一次大约需要1小时的时间。
对于第二件事情，亦是测量更多的数据。
 
这两件事情的决策，即在提高作品稳定性和提高作品分数上之间二选一。想了想，跟高中数学考试快交卷的时候，把这剩余的时间用来检查前面做过的题，还是再攻克攻克难题，很相似。
 
实际上，这两件事情哪个都没有做 23333
现在回过头来想想，似乎做什么对结果影响都不大。
 

现场测试

（不让用手机，照片肯定是莫得了
紧张什么的就不说了，都这样。其他组做的也挺有意思的，我看见前一个组，用手按着两个金属板，读数后，人工查阅一张打印出来的对应表。
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