纸张计数显示装置

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题目概述

要求利用极板电容原理来测试纸张数量。测试方法为两片覆铜板之间夹A4纸。题目对铜板的面积做了限制，50mm的方形。根据极板电容的原理，介质不变的情况下，电极面积越大，极板距离越小，电容量越大。这里覆铜板就是电极，纸就是介质。纸张的数量来调节极板间的距离。极板面积不变，介质不变，这个极板电容的容值就跟纸张数量相关。

纸张数量少的时候，变化一页纸，产生的ΔC电容变化相对就大。纸张数量多则变化一页纸ΔC就小。所以题目的难度按能检测的纸张数量来划分。基本要求是10页纸，发挥部分是15到30页，更高部分为30页以上。

题目就转化为如何高精度的检测ΔC这个变化量。有两种基本方法来检测ΔC。一种是利用电容在一个频率下是有容抗值， Zc = 1/ （jωC）。这个容抗跟电阻串联，则ΔC可以改变跟电阻的分压。容抗也可以用在放大器里，ΔC来改变放大器的放大倍数。另一种是利用电容作为振荡器的元件，ΔC来改变振荡频率。振荡器频率跟标准频率经过鉴相器或者鉴频器，得到频率的变化量。也可以进频率计测定ΔC产生的频率值变化。

实际应用中，有一种电容式湿度传感器，跟题目的思路很相似。湿度变化使传感器电容变化，设计电路检测电容变化从而得到湿度。也可以参考这方面的设计。本文中使用电容阻抗跟电阻串联分压的方法。

第一部分 阻抗分压设计

正弦波使用硬木课堂平台的信号源产生，或者使用DDS芯片产生。题目没有对频率和幅度进行限制，所以选择幅度大一些的信号有利于检测小的ΔC。T4是极板电容和电阻的分压点。

VT4 = VT3 * R1/ sqrt(（ 1/（2pif*C）^2 + R1^2）)

第二部分 峰值检测设计

为了降低单片机的采样难度，使用峰值检测将交流信号的峰值转化为DC值。单片机采集直流即可。使用精密二极管整流，然后用RC低通滤波取信号的直流分量。经过一个U2B正向放大器给单片机ADC采样。二极管精密整流的输入阻抗较小，所以用U1A跟随一下T4点的阻抗分压。总共用了2片TL082芯片。

第三部分 单片机采样和程序设计

第四部分 联调测试

测试时，面包板电路跟硬木课堂平台的连接方法。硬木课堂实验平台提供电源，万用表，信号源，示波器等基本仪器给电路测试。

正弦波阻抗分压测试

在运放跟随器后面进行测试。因为示波器探头的寄生电容和输入电阻会有影响。所以在跟随器后面测试。打开电源给电路供电±12V。

设置信号源产生10KHz，9.5Vpp的信号。这个信号在后面整体时可以用DDS芯片或者单片机编程刷波表产生。

打开示波器，观察1页，10页，20页时的波形。可以看到幅度递减。

二极管精密整流测试

二极管精密整流是用运放抵消二极管的导通电压，实现

Vout = -（Vin – 2*（Vin的正半周））

通过三通道示波器同时观察反向加法器的两个输入和输出，从而实测整流过程。电源保持±12V不变。

设置信号源S1产生500mVpp，1KHz正弦波

打开示波器，三个通道同时观察。可以看到AIN3红色就是精密整流结果。

纸张变化转直流测试

将阻抗分压，跟随器，二极管精密整流和RC滤波，正向放大串联起来。就可以测试极板电容变化转换为直流变化。用硬木课堂万用表测试Out直流。后面可以用单片机ADC采集。

信号源依旧提供10KHz，9.5Vpp正弦波，电源±12V供电。万用表使用直流电压档。

记录表格如下

纸张数量	直流电压		纸张数量	直流电压		纸张数量	直流电压		纸张数量	直流电压		纸张数量	直流电压		纸张数量	直流电压
60	578		50	654		40	760		30	923		20	1178		10	1720
59	583		49	662		39	775		29	938		19	1218		9	1809
58	591		48	672		38	788		28	963		18	1249		8	1908
57	596		47	679		37	803		27	985		17	1300		7	2012
56	604		46	691		36	815		26	1006		16	1344		6	2140
55	612		45	705		35	827		25	1030		15	1398		5	2261
54	620		44	715		34	848		24	1056		14	1452		4	2430
53	627		43	726		33	866		23	1083		13	1512		3	2606
52	637		42	733		32	884		22	1115		12	1579		2	2823
51	646		41	748		31	902		21	1147		11	1649		1	3073

单片机编程时，根据这个实测曲线，由测试电压反推纸张数量。

联合测试

需要注意的是，由于纸张之间有空隙，需要一个重物压实。重物的选择要偏重一些，但是不要引起极板变形。重物确定好以后，测试中不要更换，保持重量不变。这样纸张的缝隙才能每次测试近似相同。放置纸张，压重物，测试开始，看单片机显示的纸张数。

上下极板使用50mm的覆铜电路板。纸张是70g标准的A4纸，裁剪为小方片，方便操作演示。