江蘇省職業(yè)院校技能大賽-電子產(chǎn)品設計及制作

年江蘇省職業(yè)院校技能大賽電子產(chǎn)品設計及制作賽項樣題任務書題目:具有機器視覺交互功能的電流信號檢測儀的設計及制作一、競賽任務按賽題要求，根據(jù)下發(fā)的技術資料、元器件及配件完成具有機器視覺功能的電流信號檢測儀系統(tǒng)的如下工作任務：1.根據(jù)下發(fā)的文件要求，根據(jù)紙質(zhì)原理圖和印制電路板約束條件，利用Altium軟件繪制電路原理圖和印制電路板圖；2.根據(jù)所給資料結合傳感器平臺研究電流信號檢測儀的工作原理和功能要求；3.完成給定的單片機核心板（STM32單片機或51單片機）和信號調(diào)理電路板的焊接裝調(diào)任務；4.根據(jù)賽項提供的機箱完成簡單的布局設計，包括開關、電路板、插座的安裝及機內(nèi)走線的規(guī)劃；5.完成電流信號檢測儀系統(tǒng)的參數(shù)設置及軟硬件調(diào)試，使其達到規(guī)定功能要求和技術指標；電流信號檢測儀裝置可采用具有機器視覺功能的視覺信號處理板套件（攝像頭及OV7725+STM32F103視覺信號處理板）完成部分人機交互操作。6.撰寫任務書要求的相關技術文件。功能與技術要求1.系統(tǒng)原理說明本賽項電流信號檢測儀裝置如下圖1所示：圖1電流信號檢測儀工作示意圖電流檢測裝置是電力系統(tǒng)中用于電能計量和繼電保護的重要裝置，同時也是智能電網(wǎng)的重要參數(shù)來源。從電氣隔離角度，電流檢測裝置可分為接觸式和非接觸式兩種方式。接觸式測量一般是通過串聯(lián)電阻檢測電壓的方法，主要指電阻分流器；非接觸式測量一般通過檢測電流產(chǎn)生的磁場實現(xiàn)的，由于電流周圍會產(chǎn)生磁場，可以間接地通過測量磁場的大小得到被測電流的大小，主要包括霍爾電流傳感器、電流互感器、羅氏線圈、光纖電流傳感器等。本裝置采用一種原邊為單匝線圈、副邊為多匝線圈的電流互感器，其作用就是將一次側母線上的大電流信號轉變成二次側的小電流信號，目的是便于后續(xù)信號的采集與處理，其等效電路如圖2所示。圖2電流互感器等效電路模型圖中，M為一次電流／電壓與線圈之間的互感系數(shù)，L0為線圈的自感，R0為線圈的內(nèi)阻，C0為線圈的雜散電容，e(t)為線圈感應的電勢，U(t)為線圈的輸出電勢。在本測試裝置中，被測電流導線穿過電流互感器線圈，線圈兩根引線U(+)、U(-)輸出感應信號，經(jīng)過信號調(diào)理線路、AD轉換、頻率測量等模塊，測量電流信號的幅值、頻率，并在液晶屏上顯示測量結果。被測正弦電流頻率范圍為50Hz~500Hz，幅值范圍為1mA~50mA，被測電流在1mA~10mA范圍時,電流測量精度優(yōu)于5%，被測電流在10mA~50mA范圍時,電流測量精度優(yōu)于1%，頻率測量精度優(yōu)于1%。當檢測電流超出最高設定電流時，蜂鳴器長鳴報警。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷，在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用。機器視覺系統(tǒng)是通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標的形態(tài)信息，進而根據(jù)判別的結果來控制現(xiàn)場的設備動作。整個系統(tǒng)由DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）、信號調(diào)理電路（焊接在現(xiàn)場加工的PCB板或通用線路板上）、電流互感器線圈、攝像頭套件（OV7725+STM32F103視覺信號處理板）和電源等組成。2．功能實現(xiàn)要求參賽隊完成以下功能：（1）印刷線路板繪制根據(jù)賽項下發(fā)的紙質(zhì)原理圖和電子文檔的PCB文件夾中給定的相關庫文件，完成原理圖紫色框中參數(shù)設計區(qū)中R3、R4電阻值和C5電容值的參數(shù)設計，使原理圖完整，并繪制電路原理圖。在賽項給定的PCB外形尺寸（如圖3所示）進行印制電路板的設計；線路板約束規(guī)則要求：采用雙層板，最小間距6mil，最小線寬8mil，過孔最小孔徑15mil，過孔最小直徑30mil，敷銅最小間距12mil；繪制完成后要求生成以下文件：完成整個工程后，提交電原理圖、印刷線路板圖和生成的GERBER文件等，用于現(xiàn)場PCB制作與設計打分。各參賽隊在設計PCB時，不得改變給定的PCB文件板面尺寸大小、已給定的安裝固定孔的位置。圖3電流信號檢測儀主板PCB尺寸布局示意圖硬件焊接組裝和調(diào)試電路板裝調(diào)：根據(jù)提供的DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）和信號調(diào)理電路（焊接在DCP-2142通用線路板上。在廠家現(xiàn)場加工的PCB板沒有發(fā)放之前，各參賽隊必須用DCP-2142通用線路板焊接調(diào)試賽題中要求自主設計的電路。）的原理圖、材料清單及焊接套件完成電路板焊接裝配任務，裝配工藝按照典型電子產(chǎn)品裝接工藝要求執(zhí)行。各參賽隊選手在裁判長宣布比賽后30分鐘內(nèi)完成下發(fā)元器件的核查，若元器件缺損可以申請更換，超時申請元器件將按照每申請一個扣1分計入總成績。信號調(diào)理電路焊接在DCP-2142（通用線路板）上，選手自行設計R3、R4電阻值和C5電容值的參數(shù)，使SIN點輸出幅值在（500mV-3V）范圍內(nèi)（以示波器測試結果為準），R3、R4電阻值和C5電容值參數(shù)的可選擇范圍僅限于組委會下發(fā)的材料袋中的直插電阻和直插電容（嚴禁選手使用自帶元件）?，F(xiàn)場加工的PCB板完成焊接調(diào)試后可替換之前焊接調(diào)試的通用板，替換成功按選用現(xiàn)場加工PCB板的評分標準評分。替換不成功仍然使用之前焊接調(diào)試的通用板，按選用多孔通用線路板的評分標準評分。注意：在現(xiàn)場加工的PCB板焊接環(huán)節(jié)，需要低溫焊接。賽場為每個工位統(tǒng)一配置1臺可調(diào)溫焊臺（焊接溫度可調(diào)，最低溫度可設置180℃，且精準穩(wěn)定）、低溫焊錫絲（含助焊劑，焊料成分Sn、Bi、Ag，焊料熔點138℃，焊接溫度180℃~190℃）若干。電流信號檢測儀的裝調(diào)：電流信號檢測儀的裝調(diào)工作要求在如圖4所示意的同規(guī)格機箱中完成。安裝套件包括機箱、前面板、后面板、安裝底板、DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）、信號調(diào)理電路（焊接在通用線路板上或現(xiàn)場加工的PCB板）以及必需的電氣附件。圖4機箱參考圖形DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）、信號調(diào)理電路（包括多孔通用線路板、現(xiàn)場加工的PCB板）由參賽隊采用散件焊接調(diào)試。參賽隊員需自行完成電流信號檢測儀機箱內(nèi)的布局設計、安裝和裝調(diào)工作。電流信號檢測儀的前面板需安裝DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）和電源開關。前面板的布置如圖5所示。信號測試儀信號測試儀信號測試儀信號測試儀信號測試儀信號測試儀圖5前面板示意圖電流信號檢測儀的后面板需安裝220V交流電源插座（用于整機供電），以及與電流信號檢測器和攝像頭的連接插座。后面板的布置如圖6所示。傳感器信號輸入傳感器信號輸入圖6后面板示意圖（3）軟件編程和調(diào)試通過面板上鍵盤和攝像頭實現(xiàn)電流信號檢測儀系統(tǒng)的功能，各界面之間關系如圖7所示，面板上鍵盤功能定義如圖8所示。圖7界面關系圖圖8裝置面板及按鍵定義圖通過電流信號檢測儀前面板的按鍵（圖8中的按鍵對應于DCP-400-A模塊中的相應按鍵）設置相關參數(shù)，可以實現(xiàn)電流信號檢測儀的人機接口類型、參數(shù)設定和電流參數(shù)測量功能。系統(tǒng)上電后，核心板上蜂鳴器鳴叫一聲，時長3秒，然后顯示歡迎界面，如圖9所示。界面底部“請按D鍵進入菜單”每隔1秒閃爍一次。按下面板上的“D”號鍵，進入人機接口選擇，如圖10所示。包含：1、鍵盤人機界面；2、機器視覺界面，通過面板矩陣鍵盤上相應的數(shù)字鍵選擇進入不同的系統(tǒng)菜單。圖9歡迎界面圖10人機接口選擇在圖10中選擇1，則進入系統(tǒng)菜單，如圖11所示，包含：1、參數(shù)設定；2、電流參數(shù)測量，通過面板矩陣鍵盤上相應的數(shù)字鍵選擇進入對應的子功能界面，或返回上一級菜單。在圖10中選擇2，則進入攝像頭自動識別狀態(tài)，如圖12所示，通過顏色或形狀進入對應的子功能界面，或返回上一級菜單。圖11鍵盤輸入系統(tǒng)菜單圖12機器視覺系統(tǒng)菜單參數(shù)設定子功能界面如圖13所示，可以設定系統(tǒng)工作的電流安全幅值閾值即系統(tǒng)最高電流，超出最高電流蜂鳴器長鳴警報。（設置按鍵和方法不具體規(guī)定）設置完成后按“#”號鍵返回上一級菜單。電流參數(shù)測量子功能界面如圖14所示，包含電流幅值顯示和電流頻率顯示。電流幅值數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后兩位，單位為mA，頻率保留整數(shù)位，單位為Hz。按“#”號鍵返回上一級菜單。圖13參數(shù)設定功能示意圖圖14電路參數(shù)測量菜單示意圖本賽題包含印刷線路板設計、電流信號檢測儀的裝調(diào)和電流信號檢測儀軟件編寫，參賽隊在設計及制作時根據(jù)參賽隊自身情況，合理安排分工，完成各項任務。（4）撰寫技術文件要求技術文件的對象是參賽隊裝調(diào)的電流信號檢測儀。1．工藝文件包括：工藝流程圖、元器件清單、電氣安裝連接圖(表)、調(diào)試工作單和儀器儀表明細表；2．產(chǎn)品說明書包括：產(chǎn)品概述、技術參數(shù)、面板及操作說明、使用注意事項等。在參賽隊自己焊接的DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）不能正常工作時，可以采用參賽隊自帶的成品訓練板代替，但根據(jù)競賽規(guī)程將扣10分。參賽隊自己焊接的信號調(diào)理電路（焊接現(xiàn)場加工的PCB板或DCP-2142通用線路板）不能正常工作時，可以采用組委會提供的成品板代替，但根據(jù)競賽規(guī)程將扣10分。三、提交方式提交的文件刻錄在組委會下發(fā)的U盤上遞交。各隊完成的全部文件存放在“2022DS××”（2位數(shù)字，競賽隊工位號，在參賽隊報到后通過抽簽獲得）文件夾中。提交的電子文件采用統(tǒng)一命名規(guī)則（類型名＋工位號），不得以其他名稱命名電子文件。因保密要求，提交的任何文件中不得出現(xiàn)學校名稱及設計者姓名；電子文件名稱不符合命名規(guī)則，體現(xiàn)學校信息的，總成績以零分計算。示例：工位號為“02”的參賽隊，建立的文件夾名稱為“2022DS02”，印制板圖文件的文件名為“印制板圖02”，擴展名為默認。參賽隊需確認成功提交競賽要求的文件，監(jiān)考人員在監(jiān)考記錄單中情況記錄欄做記錄，并與參賽隊一起簽字確認。提交的文件清單如下：序號文件夾名稱保存的文件1PCB設計文件原理圖、印刷線路板圖和生成的GERBER文件等2技術文件工藝文件、產(chǎn)品說明書四、評分標準序號評分項目評分細則分值評分方式1安全操作規(guī)范(8%)安全用電2過程評分環(huán)境清潔2操作規(guī)范2團隊合作與職業(yè)崗位要求22電子設計工藝(15%)繪制印刷線路板符合賽卷強制性功能要求8結果評分繪制電路原理圖、印刷線路板符合設計及加工工藝要求73電子裝接工藝(32%)選用多孔通用線路板8結果評分（二選一）選用現(xiàn)場加工的PCB板12印刷線路板焊接工藝5結果評分電子產(chǎn)品作品安裝工藝5電子產(chǎn)品作品接線工藝104任務與功能驗證(40%)電子產(chǎn)品作品的硬件調(diào)試與測量10結果評分（機器視覺功能占8分）傳感器應用10控制程序編程205技術文件撰寫（5%）撰寫工藝文件、產(chǎn)品說明書5結果評分6扣分項超過規(guī)定時間補領元器件、更換功能電路板、競賽平臺故障及其他違紀扣分項。過程評分7加分項為鼓勵"又好又快"完成設計與制作任務，在分項2和分項4設置進度加分項。1.基本分達分項總分80%才可享受；2.進度分計分方法:每提前20分鐘(含)完成=分項總分×2.5%，以分項總分×15%為上限。過程評分總計100說明：電流互感器測量電流的理論依據(jù)是“法拉第電磁感應定律”和“安培環(huán)路定律”。當被測電流沿軸線通過互感器線圈中心時,在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應變化的磁場，強度為H,由安培環(huán)路定律得：∮H·dl=I(t)線圈的感應電壓與H的變化率成正比，因此，所有線圈的感應電勢之和與電流的變化率成正比。也就是：e(t)=di/dt對輸出電壓e(t)求積分，可獲取i，因此，互感器一般與積分器配套使用。輸出電壓可以用公式Vout=Mdi/dt來表示。其中M為線圈的互感。通過采用一個專用的積分器將線圈輸出的電壓信號進行積分可以得到另一個交流電壓信號，這個電壓信號可以準確地再現(xiàn)被測量電流信號的波形。積分器（如附圖1），其輸出電壓為： 因此，合理選擇R3、C5的值，可以改善積分效果。附圖1峰值測量電路（又稱峰值檢波器）輸出的直流電壓與輸入的交流信號峰值成比例，常見的峰值測量電路有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種，如附圖2所示，圖中，a為串聯(lián)式檢波器，該電路無隔直能力，b為并聯(lián)式檢波器。該電路有電容C可以提供隔直能力，而且應用也比較廣泛。附圖2峰值檢波器的工作原理如附圖3所示，當交流電壓u(t)波形正半周加向二極管時，u(t)對電容C快速充電，當u(t)波形峰值過后，C上的電壓大于u(t)，這時二極管截止，C慢速放電，當u(t)第二個半周加向二極管時，在u(t)高于C上的電壓期間，u(t)繼續(xù)向C充電，如此重復幾周，最后處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，C上的電壓平均值接近u(t)的峰值。需要指出的是，檢波元件RL、C的值選的不同，可以適應不同頻率的電壓測量，但是基本原則是，要使檢波器的充電時間常數(shù)遠遠大于放電時間常數(shù)，而放電時間常數(shù)也要遠遠大于輸入信號的最大周期T，同時，RL要遠遠大于被測回路的內(nèi)阻，RL常取值在107～108Ω數(shù)量級上。事實上，在實際運用中二極管有壓降，用于較低電壓測量