江蘇省職業(yè)院校技能大賽-電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作

年江蘇省職業(yè)院校技能大賽電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作賽項(xiàng)樣題任務(wù)書題目:具有機(jī)器視覺交互功能的電流信號(hào)檢測儀的設(shè)計(jì)及制作一、競賽任務(wù)按賽題要求，根據(jù)下發(fā)的技術(shù)資料、元器件及配件完成具有機(jī)器視覺功能的電流信號(hào)檢測儀系統(tǒng)的如下工作任務(wù)：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(jié)合傳感器平臺(tái)研究電流信號(hào)檢測儀的工作原理和功能要求；3.完成給定的單片機(jī)核心板（STM32單片機(jī)或51單片機(jī)）和信號(hào)調(diào)理電路板的焊接裝調(diào)任務(wù)；4.根據(jù)賽項(xiàng)提供的機(jī)箱完成簡單的布局設(shè)計(jì)，包括開關(guān)、電路板、插座的安裝及機(jī)內(nèi)走線的規(guī)劃；5.完成電流信號(hào)檢測儀系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及軟硬件調(diào)試，使其達(dá)到規(guī)定功能要求和技術(shù)指標(biāo)；電流信號(hào)檢測儀裝置可采用具有機(jī)器視覺功能的視覺信號(hào)處理板套件（攝像頭及OV7725+STM32F103視覺信號(hào)處理板）完成部分人機(jī)交互操作。6.撰寫任務(wù)書要求的相關(guān)技術(shù)文件。功能與技術(shù)要求1.系統(tǒng)原理說明本賽項(xiàng)電流信號(hào)檢測儀裝置如下圖1所示：圖1電流信號(hào)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(jì)量和繼電保護(hù)的重要裝置，同時(shí)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(shí)現(xiàn)的，由于電流周圍會(huì)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(cè)母線上的大電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成二次側(cè)的小電流信號(hào)，目的是便于后續(xù)信號(hào)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(yīng)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(dǎo)線穿過電流互感器線圈，線圈兩根引線U(+)、U(-)輸出感應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理線路、AD轉(zhuǎn)換、頻率測量等模塊，測量電流信號(hào)的幅值、頻率，并在液晶屏上顯示測量結(jié)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(shí),電流測量精度優(yōu)于5%，被測電流在10mA~50mA范圍時(shí),電流測量精度優(yōu)于1%，頻率測量精度優(yōu)于1%。當(dāng)檢測電流超出最高設(shè)定電流時(shí)，蜂鳴器長鳴報(bào)警。機(jī)器視覺就是用機(jī)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(yīng)用。機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)由DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）、信號(hào)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(hào)處理板）和電源等組成。2．功能實(shí)現(xiàn)要求參賽隊(duì)完成以下功能：（1）印刷線路板繪制根據(jù)賽項(xiàng)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(guān)庫文件，完成原理圖紫色框中參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)中R3、R4電阻值和C5電容值的參數(shù)設(shè)計(jì)，使原理圖完整，并繪制電路原理圖。在賽項(xiàng)給定的PCB外形尺寸（如圖3所示）進(jìn)行印制電路板的設(shè)計(jì)；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(gè)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(shè)計(jì)打分。各參賽隊(duì)在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，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(hào)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(hào)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(duì)必須用DCP-2142通用線路板焊接調(diào)試賽題中要求自主設(shè)計(jì)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(wù)，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(duì)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(shí)申請?jiān)骷凑彰可暾堃粋€(gè)扣1分計(jì)入總成績。信號(hào)調(diào)理電路焊接在DCP-2142（通用線路板）上，選手自行設(shè)計(jì)R3、R4電阻值和C5電容值的參數(shù)，使SIN點(diǎn)輸出幅值在（500mV-3V）范圍內(nèi)（以示波器測試結(jié)果為準(zhǔn)），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(huì)下發(fā)的材料袋中的直插電阻和直插電容（嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)工位統(tǒng)一配置1臺(tái)可調(diào)溫焊臺(tái)（焊接溫度可調(diào)，最低溫度可設(shè)置180℃，且精準(zhǔn)穩(wěn)定）、低溫焊錫絲（含助焊劑，焊料成分Sn、Bi、Ag，焊料熔點(diǎn)138℃，焊接溫度180℃~190℃）若干。電流信號(hào)檢測儀的裝調(diào)：電流信號(hào)檢測儀的裝調(diào)工作要求在如圖4所示意的同規(guī)格機(jī)箱中完成。安裝套件包括機(jī)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(hào)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(jī)箱參考圖形DCP-400-A（STM32F103核心板）或DCP-300-A（IAP15W4K61S4核心板）、信號(hào)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(duì)采用散件焊接調(diào)試。參賽隊(duì)員需自行完成電流信號(hào)檢測儀機(jī)箱內(nèi)的布局設(shè)計(jì)、安裝和裝調(diào)工作。電流信號(hào)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(guān)。前面板的布置如圖5所示。信號(hào)測試儀信號(hào)測試儀信號(hào)測試儀信號(hào)測試儀信號(hào)測試儀信號(hào)測試儀圖5前面板示意圖電流信號(hào)檢測儀的后面板需安裝220V交流電源插座（用于整機(jī)供電），以及與電流信號(hào)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(hào)輸入傳感器信號(hào)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(shí)現(xiàn)電流信號(hào)檢測儀系統(tǒng)的功能，各界面之間關(guān)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(guān)系圖圖8裝置面板及按鍵定義圖通過電流信號(hào)檢測儀前面板的按鍵（圖8中的按鍵對應(yīng)于DCP-400-A模塊中的相應(yīng)按鍵）設(shè)置相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)檢測儀的人機(jī)接口類型、參數(shù)設(shè)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(shí)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(jìn)入菜單”每隔1秒閃爍一次。按下面板上的“D”號(hào)鍵，進(jìn)入人機(jī)接口選擇，如圖10所示。包含：1、鍵盤人機(jī)界面；2、機(jī)器視覺界面，通過面板矩陣鍵盤上相應(yīng)的數(shù)字鍵選擇進(jìn)入不同的系統(tǒng)菜單。圖9歡迎界面圖10人機(jī)接口選擇在圖10中選擇1，則進(jìn)入系統(tǒng)菜單，如圖11所示，包含：1、參數(shù)設(shè)定；2、電流參數(shù)測量，通過面板矩陣鍵盤上相應(yīng)的數(shù)字鍵選擇進(jìn)入對應(yīng)的子功能界面，或返回上一級菜單。在圖10中選擇2，則進(jìn)入攝像頭自動(dòng)識(shí)別狀態(tài)，如圖12所示，通過顏色或形狀進(jìn)入對應(yīng)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(jī)器視覺系統(tǒng)菜單參數(shù)設(shè)定子功能界面如圖13所示，可以設(shè)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(bào)。（設(shè)置按鍵和方法不具體規(guī)定）設(shè)置完成后按“#”號(hào)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(diǎn)后兩位，單位為mA，頻率保留整數(shù)位，單位為Hz。按“#”號(hào)鍵返回上一級菜單。圖13參數(shù)設(shè)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(shè)計(jì)、電流信號(hào)檢測儀的裝調(diào)和電流信號(hào)檢測儀軟件編寫，參賽隊(duì)在設(shè)計(jì)及制作時(shí)根據(jù)參賽隊(duì)自身情況，合理安排分工，完成各項(xiàng)任務(wù)。（4）撰寫技術(shù)文件要求技術(shù)文件的對象是參賽隊(duì)裝調(diào)的電流信號(hào)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(xì)表；2．產(chǎn)品說明書包括：產(chǎn)品概述、技術(shù)參數(shù)、面板及操作說明、使用注意事項(xiàng)等。在參賽隊(duì)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(shí)，可以采用參賽隊(duì)自帶的成品訓(xùn)練板代替，但根據(jù)競賽規(guī)程將扣10分。參賽隊(duì)自己焊接的信號(hào)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(shí)，可以采用組委會(huì)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(huì)下發(fā)的U盤上遞交。各隊(duì)完成的全部文件存放在“2022DS××”（2位數(shù)字，競賽隊(duì)工位號(hào)，在參賽隊(duì)報(bào)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(hào)），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(xué)校名稱及設(shè)計(jì)者姓名；電子文件名稱不符合命名規(guī)則，體現(xiàn)學(xué)校信息的，總成績以零分計(jì)算。示例：工位號(hào)為“02”的參賽隊(duì)，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(kuò)展名為默認(rèn)。參賽隊(duì)需確認(rèn)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(duì)一起簽字確認(rèn)。提交的文件清單如下：序號(hào)文件夾名稱保存的文件1PCB設(shè)計(jì)文件原理圖、印刷線路板圖和生成的GERBER文件等2技術(shù)文件工藝文件、產(chǎn)品說明書四、評分標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)評分項(xiàng)目評分細(xì)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(tuán)隊(duì)合作與職業(yè)崗位要求22電子設(shè)計(jì)工藝(15%)繪制印刷線路板符合賽卷強(qiáng)制性功能要求8結(jié)果評分繪制電路原理圖、印刷線路板符合設(shè)計(jì)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(jié)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(jié)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(wù)與功能驗(yàn)證(40%)電子產(chǎn)品作品的硬件調(diào)試與測量10結(jié)果評分（機(jī)器視覺功能占8分）傳感器應(yīng)用10控制程序編程205技術(shù)文件撰寫（5%）撰寫工藝文件、產(chǎn)品說明書5結(jié)果評分6扣分項(xiàng)超過規(guī)定時(shí)間補(bǔ)領(lǐng)元器件、更換功能電路板、競賽平臺(tái)故障及其他違紀(jì)扣分項(xiàng)。過程評分7加分項(xiàng)為鼓勵(lì)"又好又快"完成設(shè)計(jì)與制作任務(wù)，在分項(xiàng)2和分項(xiàng)4設(shè)置進(jìn)度加分項(xiàng)。1.基本分達(dá)分項(xiàng)總分80%才可享受；2.進(jìn)度分計(jì)分方法:每提前20分鐘(含)完成=分項(xiàng)總分×2.5%，以分項(xiàng)總分×15%為上限。過程評分總計(jì)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(yīng)定律”和“安培環(huán)路定律”。當(dāng)被測電流沿軸線通過互感器線圈中心時(shí),在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場，強(qiáng)度為H,由安培環(huán)路定律得：∮H·dl=I(t)線圈的感應(yīng)電壓與H的變化率成正比，因此，所有線圈的感應(yīng)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(gè)專用的積分器將線圈輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分可以得到另一個(gè)交流電壓信號(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)被測量電流信號(hào)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(hào)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(yīng)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(dāng)交流電壓u(t)波形正半周加向二極管時(shí)，u(t)對電容C快速充電，當(dāng)u(t)波形峰值過后，C上的電壓大于u(t)，這時(shí)二極管截止，C慢速放電，當(dāng)u(t)第二個(gè)半周加向二極管時(shí)，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(fù)幾周，最后處于一種動(dòng)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(yīng)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(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放電時(shí)間常數(shù)，而放電時(shí)間常數(shù)也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的最大周期T，同時(shí)，RL要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測回路的內(nèi)阻，RL常取值在107～108Ω數(shù)量級上。事實(shí)上，在實(shí)際運(yùn)用中二極管有壓降，用于較低電壓測量