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【电赛】2019 全国大学生电子设计竞赛 (F题)纸张数量检测装置 (基于STM32F407 & FDC2214 & USART HMI)
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纸张计数显示装置😄

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1、简介✏️

纸张计数显示装置基于RT-Thread实时操作系统,硬件平台采用STM32F407单片机为主控制器,以具有抗电磁干扰(EMI)架构的FDC2214模块作为电容采集传感器,通过屏蔽双绞线连接至两铜极板,读取采集的数据并进行相应判断,应用触摸屏和语音模块进行状态显示与播报。FDC2214模块将采集到的数据通过IIC协议传输给主控制器,主控制器对原始数据进行卡尔曼滤波,抑制噪声对数据采集的影响。校准模式下,本系统利用最大隶属度法,确定电容模拟值及纸张数的论域,定义模糊子集和隶属函数,建立模糊规则控制表,求得模糊控制查询表。其根据采集到的两极板的数据,做出短路判断并读取多组实时数据,将其与模拟区间进行归类,选取最大可能性区间作为期望值,减小最终判断的差错率。

  • 成果:在校准好后,50张以下100%正确

配置参数 主控制器 配置参数 主传感器
芯片型号 STM32F407ZGT6 芯片型号 FCD2214
CPU 32位 Cortex-M4(ARMv7) 分辨率 28位
主频 168MHz 通道数 4
RAM 192KB 接口 I2C
外存 1MB(FLASH) 最高输出速率 4.08ksps
单元 FPU、DSP 特性 抗电磁干扰(EMI)

  • 系统结构简图: 系统结构简图

2、目录说明🔖

STM32F407控制程序在:

+——2019-Electronic-Design-Competition
|---+ software:【软件设计】
|       ├──README.md
|       ├──rt-thread-master
|            └──bsp
|               └──stm32f407【控制程序】
|                  └──project.uvprojx【Keil5工程】
|---- ...

目录名 描述
2019电赛题目 2019年电赛A-H题题目及器件清单
docs 数据手册、设计图片、参考文献及设计文档
hardware FDC2214、核心板原理图及PCB
hmi 串口屏幕设计UI及交互程序
matlab matlab函数拟合及Kalman 
mechanical 机械结构设计
others 一些关于电赛前的准备
software 纸张计数显示装置STM32程序
综合测评 综合测评题目及Multisim电路仿真

3、机械结构🔨

  • 3维模型 3D效果图
  • 实物图 铰链结构实物图

4、软件说明💻

应用线程总体分为:

  • 1.简单设备运行线程

    • LED
    • OLED
    • Buzzer
    • Flash
  • 2.主测量应用线程

    • HMI屏幕交互
    • FD2214数据获取与转换
    • 语音模块交互
  • 3.系统监控线程

    • Watch Dog🐕

5、硬件结构🛰

Controller PCB 3D

  • 核心板(Core Controller)拥有外设:
外设名称 RGB LED Key Buzzer Dial Switch FCD2214 USART HMI OLED W25Q128 Voltage Detection Current Detection Zigbee JY901 USR-C216 CP2102
控制(通讯)方式 GPIO GPIO GPIO GPIO I2C USART SPI SPI ADC ADC USART USART USART USART
功能描述 指示灯 按键 蜂鸣器 拨码开关 电容传感器 串口触摸屏 显示屏 闪存芯片 电压检测 电流检测 2.4G无线通信 九轴 WiFi模块 串口转USB
  • 整体实物图 整体实物图

6、测试数据分析📊

(1) 保持测试环境不变,采集50个样本,通过MATLAB拟合出纸张页数与传感器原始数据的曲线关系,如图4-2所示。

拟合曲线

图4-2 纸张页数与模拟量的拟合函数关系图

  • (2) 根据(1)中采集的50个样本,确定电容模拟值及纸张数的论域,划分模糊子集,如表4-1 所示。

表4-1页数与模拟量区间对应表

页数/张 对应模拟量区间 页数/张 对应模拟量区间
1 [1680.00,1345.34] 6 [682.48,633.84]
2 [1345.34,1013.26] 7 [633.84,598.03]
3 [1013.26,845.12] 8 [598.03,569.46]
4 [845.12,748.79] 9 [569.46,546.28]
5 [748.79,682.48] 10 [546.28,529.16]
  • (3)根据(2)中划分的模糊子集,保持测试环境不变,固定测量35张纸张,采集数据如表4-2所示,采集到的原始数据90%落入35张页数所对应的区间[401.35,399.50],如图4-35

表4-2 纸张数为35的实时数据

测试组别 原始数据 测试组别 原始数据
1 400.896 6 400.824
2 401.049 7 400.591
3 400.157 8 401.111
4 399.912 9 400.443
5 401.125 10 398.529
  • 测试结果

表4-4 工作模式下纸张测试结果表

范围 测试次数 正确次数 正确率
1~10 25 25 100%
11~20 25 25 100%
20~30 25 25 100%
30~40 25 25 100%
40~50 25 25 100%
50~60 25 23 92%
60~70 25 20 80%
70~80 25 16 64%

7、综合测评演练📐

  • 选定2017综合测评题目【符合信号发生器】,进行综合测评训练 2017年全国大学生电子设计竞赛综合测评题

虽然测评训练的时候做的还行,但是实际当天综测比赛的时候,还是会手忙脚乱,现在想起那天焊接电路颤抖的双手都有点好笑🤣🤣

  • 综测训练测试结果: 2017综测训练

8、分工👪

  • 电路设计

    • 硬件搭建 by @Ian
  • 控制程序

  • 机械结构

  • 论文

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整理纪念

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