记2020年校级电子竞赛 -纸张计数装置的制作

竞赛历程

起始

学校比赛通知的时间是10月18号，在通知出来之后我才想起来找队友的事情，而其他组很多都已经提前找好组员了。虽然在那之后我们班的学委还有团支书邀请我组队，但是在权衡之后我决定还是跟我的舍友一起组队。一方面我的舍友在之前跟我已经有过合作经验，另一方面我们一起行动比较方便。

准备阶段

题目选择
我们对竞赛的各个题目进行了研究，初步确定了几个比较合适的题。

手势控制搬运小车
1. 题目要求：
  小车在边长为 1.2 米内的正方形九宫格内运动，每个空格放置不容颜色进行区分。小车可沿 Z 字路线在九宫格内根据地面的颜色完成相应的动作。小车运行的起点在九宫格的左下方，终点在右上方。
  基本要求：
  1. 从起点出发，到终点结束，以最快时间统计九宫格内地面三种颜色的相应个数，并在显示屏上进行显示。
  2. 从起点出发前，人为设置一种颜色，要求小车按照要求设置的颜色在九宫格内进行搜索，并在指定的颜色地面停车，并给出声光报警信号，同时倒计时 10 秒，倒计时结束后继续探测下一个相同颜色地面，直到终点结束。倒计时时间需要在屏幕上进行显示。
  3. 小车上放有 1 个具有一定质量物体，小车出发前根据设定的目标颜色，小车启动后将物体放置在指定颜色区域内停车，并给出声光报警。
    
    以下是发挥要求：
  4. 将小车放在九宫格中心区域，然后借助手势动作启动小车；分别实现向上，向下，向左，向右运动的启动设置，在小车到达九宫格边界线后自行停车，手势传感器需放在小车上。
  5. 九宫格内的小车控制可以通过无线模块进行控制。按照发挥要求 1 中的手势控制，小车的运动控制可以由主机通过无线模块发送给小车。
  6. 基本要求 3 的基础上，增加两个物体，并将两个物体放置在按预先设置好的不同颜色区域内。
2.题目分析
这道题的优势在于颜色检测和手势控制分别实现都比较简单，可以考虑用arduino制作。但是考虑到arduino中断比较混乱，程序编写有难度就放弃了。

2.智能寻迹打靶车

题目要求
制作一辆可完成如下图所示轨迹的循迹小车，车体大小及形状自定。然后在小车上自行设计并制作一由电机组成的可上下左右移动的系统(参考云台)，并在系统中放置一激光笔，可实现距离 40cm，激光笔发射出的光斑能在一不小于 50*50cm 并与地面垂直的平板上画出不同的轨迹。
2.题目分析
这题的优势在于寻迹是比较简单的部分，我们在之前用51曾经实现过使用红外模块的寻迹。但是考虑到要使用云台和激光笔，所以我们pass了这道题。

3. 纸张测量计数装置

题目要求
这道题是19年的全国大学生电子竞赛的F题。
题目分析
这道题最大的优势就在于网上有很多的资料可以参考，所以在考虑和比对之后，我们选择了这道题。

初步思路

1.1 实现方案的论证与选择

1.1.1 实现方案

在CSDN以及各种的论坛查阅了各种资料之后，我们初步确定了三种实现思路。

方案一
lm295。使用LM295搭建成振荡电路，振荡频率将会随着极板电容容量的变换而变化，通过单片机测量该频率，经过多次数据的校验就可以完成对纸张的测量。
方案二
FDC2214电容测量芯片。使用TI公司生产的FDC2214完成本次设计。这是一块高分辨率、高速，电容-数字转换器。芯片的激励频率可从10 kHz至10 MHz，分辨率高达28位，完全可以满足本次设计所需。芯片通过I^C通讯协议与单片机完成数据交换，因而使用方便接线简单。
3.方案三
NE555。单片机开启定时器0定时200ms，同时开启定时器1的计数功能，P3^5引脚也就是定时器1的计数引脚，由于555是一直不间断地在工作（一上电就工作），形成的矩形信号就会一直稳定地通过它的3号引脚进行输出，并且被单片机的计数器捕获，当定时200ms时间到，关闭计数。单片机通过一定时期内的采样信号计算出这段信号的频率，最终将频率转成数码管的数字显示出来。

1.1.2方案论证
其实总体来说，实现的思路不外乎两种。
第一种是直接测量极板再纸张放入极板之后两个极板之间电容的变化。这种方法对应的代表芯片就是FDC2214。网上很多都采用的这种方法，淘宝上也有现成的一整个模块。
第二种就是通过搭建振荡电路，通过测量不同震荡频率对应的纸张数量来测量。在网上有人使用LM295来搭建这个电路，NE555也是不错的选择。
在经过考虑之后，我们决定选择第二种方案，且使用NE555进行搭建电路。第一种方案首先是淘宝上面出售的基本都是成品的模块，使用起来很简单，感觉对我们没有什么在成长上的帮助。另外就是价格的确高昂，一个模块大概二百五十块左右。而对于第二种方案我们选择NE555就是因为我们对NE555比较熟悉，然后我们在网上查阅到的资料里那个作者也使用的NE555。虽然NE555在纸张数量多了之后穿透力比较差，可能引起一定误差，但是对于这个比赛还是绰绰有余。我们在哔哩哔哩上面看到去年一个国赛一等奖的作品用的也是NE555，测出了一百多张，傲视群雄呀简直。用几毛钱的芯片做出这样的效果，是我们所向往和追求的。

具体实现

这次比赛学校大概给了我们一个礼拜的时间，但是由于我们准备的比较晚，网购器材回来比较慢，所以前面基本处于待机状态。加上我们还有一门考试刚好在比赛结束的前两天，所以我们真正作比赛的时间可能也就是不到三天而已。还好电路图和程序我们都准备好了，三天时间基本都在焊接和纠错以及对程序进行简单的调试。
在实现的过程中出现了挺多问题，主要还是我们之前接触的比赛太少，所以在这记录一下问题。

单片机的选择
我们刚开始选择了STC12系列的单片机的开发板，带有一些按钮和数码管模块。但是后来在焊接的过程中才发现其实那些额外模块根本没有存在必要，我们应该选择一块最小系统板就行。
芯片选择
我们在购买材料时还是粗心了，买24C02时买成了SOP也就是贴片封装的芯片，这个虽然使用还是一样，但是要把那么小的引脚焊线出来还是有点考验我们的焊接技术。
数码管数量准备
我们本以为数码管不会是消耗品，但是后来才发现这东西很不稳定，我们只准备了三个数码管。但是由于实现方案对比的原因后来我们起码需要四个。在制作过程中数码管也出现了损坏等，这就是导致我们失败的最终原因之一。
单面覆铜板
这个有点难度，我们本来是在嘉立创打板，但是他们给邮寄的板不对，所以我们只能用普通7×*9cm单面覆铜板用暴力手段改成了5×5cm的。
亚克力板
购买的时候不知道应该打多大的孔，所以干脆没打。后来我们就用电烙铁在上面烫了洞再想办法磨开。
电路连接
电路的接线大概就两种方式，一种主要用杜邦线+面包板，一种直接就用焊线跟洞洞板。我们本来想主要有杜邦线，这样比较好改，但是后来发现这样反而不方便，毕竟芯片在面包板上不好布局，然后其实杜邦线之间相接也不稳定。我们最后还是用了一点杜邦线，结果导致数码管部分很不稳定。

最终结果和感想

其实在比赛结束前两天晚上，我们的连线就已经完成了，但是数码管有几段显示始终不亮，所以我们把线路重新连接了好多次，没想到结果越来越不如人意。我们自己做的时候是有大概三四段没亮，最后只能不了了之，比赛的前天晚上我们一直做到了四点，后来困得不行打算睡会起来继续做，结果一觉睡到了七点半，两个闹钟都没能把我叫醒，八点交作品和论文，我们论文都没写。所以也只能放弃去写论文了。
想想还是蛮遗憾的，连线第一次完成的那个时候如果没有那么追求完善的话我们的作品肯定是没有问题的，只要再录入纸张再测试几次就能完成比赛了。只是一切都没有如果，这些硬件和决策上的问题在当时的确是无法避免的。
下一次做比赛就不知道会是什么时候了，这次真的很感谢包括我的队友，然后还有博主@金三亲给我的那么多帮助。
这时间所有的东西都是熟能生巧，虽然我自己在家也做了一些东西，但是比赛的经验还是不是很够。但是这一次比赛从选择题目到方案确定、器材选择、实物实现、程序调试以及论文的撰写基本都是我亲力亲为完成的，所以我还是感觉蛮好的，虽然最后只是区区三等奖。
我想重要的还是自己去实践努力，重要的是这样的一个拼尽全力的过程。比赛的时候最后两天每天都只睡了三四个小时，牙顾不上刷，脸顾不上洗，更别说洗澡洗衣服了。想想这样的一次比赛，也的确颇具意义。遗憾的确遗憾，毕竟自己明明可以完成，明明胜利近在咫尺。但是不后悔自己付出的那些，我想大概也就足够了。