<h1><strong>全国大学生电子设计赛适配清单</strong></h1> <h3>PCAP01 可胜任历年电赛题目</h3> <table> <tr> <th>年份</th> <th>题目</th> <th>核心要求</th> <th>PCAP01 适配理由</th> </tr> <tr> <td>2023</td> <td>E题：电容液位检测</td> <td>非接触水位测量</td> <td>fF 级分辨率</td> </tr> <tr> <td>2022</td> <td>B题：电容接近开关</td> <td>触摸/接近开关</td> <td>内置阈值比较</td> </tr> <tr> <td>2021</td> <td>F题：手势识别</td> <td>电容阵列识别</td> <td>多通道扫描</td> </tr> <tr> <td>2020</td> <td>G题：触控面板</td> <td>多点触控</td> <td>多点算法支持</td> </tr> <tr> <td>2019</td> <td>C题：土壤湿度</td> <td>介电常数→湿度</td> <td>抗高湿漂移</td> </tr> <tr> <td>2018</td> <td>H题：位移传感器</td> <td>微米级位移</td> <td>4 aF 分辨率</td> </tr> <tr> <td>2017</td> <td>E题：角度传感器</td> <td>旋转→电容</td> <td>差分接口</td> </tr> <tr> <td>2016</td> <td>B题：压力接口</td> <td>压力→电容→数字</td> <td>片上补偿</td> </tr> <tr> <td>2015</td> <td>C题：水位报警</td> <td>超限报警</td> <td>低功耗阈值</td> </tr> <tr> <td>2014</td> <td>F题：材料识别</td> <td>介电常数差异</td> <td>宽量程</td> </tr> <tr> <td>2013</td> <td>D题：厚度测量</td> <td>薄膜→电容</td> <td>高频采样</td> </tr> <tr> <td>2012</td> <td>G题：雨滴传感</td> <td>雨滴检测</td> <td>快速响应</td> </tr> <tr> <td>2011</td> <td>E题：人体感应</td> <td>接近感应</td> <td>高灵敏度</td> </tr> <tr> <td>2010</td> <td>B题：振动传感</td> <td>振动→电容</td> <td>数字滤波</td> </tr> <tr> <td>2009</td> <td>C题：倾斜传感</td> <td>倾斜→电容</td> <td>差分测量</td> </tr> </table> <h2>1 装置结构及硬件电路设计</h2> <h3>1.1 实验装置结构总体分析</h3> <h4>1.1.1 装置结构选型</h4> <ul> <li> <p><strong>核心传感单元：平行板电容器</strong></p> <ul> <li>极板材料：单面覆铜 PCB </li> <li>极板间距：1.5 mm（可调） </li> <li>介质：空气（εᵣ ≈ 1） </li> </ul> </li> <li> <table> <tr> <th><strong>测量芯片对比</strong></th> <th>指标</th> <th>PCAP01</th> <th>FDC2214</th> </tr> <tr> <td>分辨率</td> <td>0.001 pF</td> <td>0.1 pF</td> </tr> <tr> <td>差分输入</td> <td>✅</td> <td>❌</td> </tr> <tr> <td>内置 DSP 补偿</td> <td>✅</td> <td>❌</td> </tr> <tr> <td>抗干扰</td> <td>高</td> <td>中</td> </tr> <tr> <td>开发难度</td> <td>中</td> <td>低</td> </tr> <tr> <td>成本</td> <td>中高</td> <td>低</td> </tr> </table> </li> </ul> <p><strong>结论</strong>：选用 <strong>PCAP01</strong>，满足 fF 级分辨率、工业级抗干扰及微型化需求。</p> <h4>1.1.2 成品展示</h4> <div align="center"> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/edb925cd5ead4cbab63fa2ecbad67aa0.png" width="45%"> <br><em>图 1-1 实验装置实物</em> </div> <hr> <h3>1.2 硬件总体框架</h3> <div align="center"> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/488f35a748c84797a2294be0eed3416b.png" width="70%"> <br><em>图 1-2 系统框图</em> </div> <div align="center"> | 模块 | 器件 | 关键特性 | |------|------|----------| | MCU | STM32F103C8T6 | 72 MHz, 64 KB Flash | | CDC | PCAP01 | 28-bit, 500 kHz max | | 供电 | ME6211 + XC6206 | 3.3 V / 500 mA | | 锂电管理 | TP4056 | 500 mA 线性充电 | | 通讯 | CH340C + KT6368A | USB + BLE 5.1 + SPP | | 人机交互 | 0.96" OLED (SPI) | 实时显示 + 按键翻转 | </div> <hr> <h3>1.3 电容采集模块（PCAP01）</h3> <ul> <li>参考电容 <strong>Cref</strong>：±0.1 % NP0 </li> <li>放电电阻：<strong>100 kΩ</strong> </li> <li>寄生电容抑制：<strong>差分走线 + 地平面隔离</strong> </li> <li>开源模块地址：<a href="https://oshwhub.com/fourteenzzh37/ultra-high-precision-capacitive-" target="_blank">立创开源 PCAP01 模块</a></li> </ul> <hr> <h3>1.4 电源电路</h3> <table> <tr> <th>芯片</th> <th>输入</th> <th>输出</th> <th>滤波</th> </tr> <tr> <td>ME6211C33M5G-N</td> <td>5 V</td> <td>3.3 V@300 mA</td> <td>1 µF + 100 nF</td> </tr> <tr> <td>XC6206P332PR</td> <td>3.7 V</td> <td>3.3 V@250 mA</td> <td>10 µF + 100 nF</td> </tr> </table> <hr> <h3>1.5 电源管理</h3> <ul> <li>充电 IC：<strong>TP4056</strong>，500 mA 限流 </li> <li>指示：红灯（充电）/ 绿灯（充满） </li> <li>保护：400 mΩ 限流电阻 + 锂电二级保护 </li> </ul> <div align="center"> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/801246acbe6745f9ac0cd83425da0763.png" width="50%"> <br><em>图 1-3 TP4056 充电指示电路</em> </div> <hr> <h3>1.6 人机交互</h3> <ul> <li><strong>OLED</strong>：SPI 7 线接口，1 μs 级刷新 </li> <li><strong>按键</strong>：屏幕 180° 翻转 + 菜单切换 </li> </ul> <hr> <h3>1.7 通信接口</h3> <table> <tr> <th>接口</th> <th>芯片</th> <th>特点</th> </tr> <tr> <td>USB-TTL</td> <td>CH340C</td> <td>免晶振，波特率 115200</td> </tr> <tr> <td>BLE</td> <td>KT6368A</td> <td>BLE 5.1，板载天线，10 m 有效距离</td> </tr> </table> <hr> <h2>2 软件设计</h2> <h3>2.1 优化算法</h3> <ul> <li><strong>卡尔曼滤波</strong> <ul> <li>Q = 0.02，R = 0.8（实验标定） </li> <li>状态向量：电容值 + 漂移速度 </li> </ul></li> <li><strong>电容-位移映射</strong> <ul> <li>23 点查找表 + 线性插值 </li> <li>非线性误差 ≤ <strong>1.31 %</strong> </li> </ul></li> <li><strong>数据协议</strong> <ul> <li>VOFA+ FireWater，兼容 Matlab / Python </li> </ul></li> </ul> <div align="center"> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/6f7eccf730e6404e89dccfd5b726002c.png" width="65%"> <br><em>图 2-1 数据采集→滤波→位移输出闭环</em> </div> <hr> <h2>3 实验结果与分析</h2> <h3>3.1 重复性与误差</h3> <h4>表 3-1 电容测量重复性数据</h4> <table> <tr> <th style="text-align: center;">样本</th> <th style="text-align: center;">次数</th> <th style="text-align: center;">电容 / pF</th> <th style="text-align: center;">误差率 %</th> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">1</td> <td style="text-align: center;">1</td> <td style="text-align: center;">7.121</td> <td style="text-align: center;">0.07</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">2</td> <td style="text-align: center;">7.121</td> <td style="text-align: center;">0.09</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">3</td> <td style="text-align: center;">7.135</td> <td style="text-align: center;">0.11</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">2</td> <td style="text-align: center;">1</td> <td style="text-align: center;">7.592</td> <td style="text-align: center;">0.23</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">2</td> <td style="text-align: center;">7.572</td> <td style="text-align: center;">0.21</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">3</td> <td style="text-align: center;">7.621</td> <td style="text-align: center;">0.25</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">3</td> <td style="text-align: center;">1</td> <td style="text-align: center;">7.941</td> <td style="text-align: center;">0.32</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">2</td> <td style="text-align: center;">7.935</td> <td style="text-align: center;">0.31</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">3</td> <td style="text-align: center;">8.072</td> <td style="text-align: center;">0.33</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">4</td> <td style="text-align: center;">1</td> <td style="text-align: center;">8.325</td> <td style="text-align: center;">0.63</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">2</td> <td style="text-align: center;">8.321</td> <td style="text-align: center;">0.62</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">3</td> <td style="text-align: center;">8.335</td> <td style="text-align: center;">0.65</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">5</td> <td style="text-align: center;">1</td> <td style="text-align: center;">9.172</td> <td style="text-align: center;">0.91</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">2</td> <td style="text-align: center;">9.192</td> <td style="text-align: center;">0.93</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">3</td> <td style="text-align: center;">9.221</td> <td style="text-align: center;">0.95</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">6</td> <td style="text-align: center;">1</td> <td style="text-align: center;">10.72</td> <td style="text-align: center;">1.15</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">2</td> <td style="text-align: center;">10.63</td> <td style="text-align: center;">1.12</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;"></td> <td style="text-align: center;">3</td> <td style="text-align: center;">10.87</td> <td style="text-align: center;">1.23</td> </tr> </table> <p>每组 25 次测量取平均，上表为节选。</p> <hr> <h3>3.2 位移-电容对应关系</h3> <h4>表 3-2 位移值与电容平均值</h4> <table> <tr> <th style="text-align: center;">位移 / mm</th> <th style="text-align: center;">电容 / pF</th> <th style="text-align: center;">位移 / mm</th> <th style="text-align: center;">电容 / pF</th> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">0.0</td> <td style="text-align: center;">94.636</td> <td style="text-align: center;">27.8</td> <td style="text-align: center;">80.700</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">1.8</td> <td style="text-align: center;">92.716</td> <td style="text-align: center;">29.8</td> <td style="text-align: center;">79.776</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">3.8</td> <td style="text-align: center;">91.575</td> <td style="text-align: center;">31.9</td> <td style="text-align: center;">79.031</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">5.7</td> <td style="text-align: center;">90.772</td> <td style="text-align: center;">33.9</td> <td style="text-align: center;">77.976</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">8.0</td> <td style="text-align: center;">89.968</td> <td style="text-align: center;">35.8</td> <td style="text-align: center;">76.952</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">10.0</td> <td style="text-align: center;">89.264</td> <td style="text-align: center;">37.8</td> <td style="text-align: center;">76.011</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">11.9</td> <td style="text-align: center;">88.443</td> <td style="text-align: center;">39.7</td> <td style="text-align: center;">74.772</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">14.0</td> <td style="text-align: center;">87.491</td> <td style="text-align: center;">41.9</td> <td style="text-align: center;">73.816</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">15.7</td> <td style="text-align: center;">86.507</td> <td style="text-align: center;">44.0</td> <td style="text-align: center;">72.759</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">18.1</td> <td style="text-align: center;">85.463</td> <td style="text-align: center;">46.0</td> <td style="text-align: center;">71.519</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">19.2</td> <td style="text-align: center;">84.937</td> <td style="text-align: center;">48.0</td> <td style="text-align: center;">70.140</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">21.5</td> <td style="text-align: center;">83.828</td> <td style="text-align: center;">49.8</td> <td style="text-align: center;">68.980</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">23.5</td> <td style="text-align: center;">82.930</td> <td style="text-align: center;">52.1</td> <td style="text-align: center;">68.004</td> </tr> </table> <hr> <h3>3.3 静态线性度评估</h3> <table> <tr> <th>量程</th> <th>90 mm</th> <th>灵敏度</th> <th>0.5113 pF/mm</th> </tr> <tr> <td>非线性误差</td> <td><strong>1.31 %</strong></td> <td>拟合优度 R²</td> <td><strong>0.9986</strong></td> </tr> </table> <div align="center"> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/7601a2e5fdaf4444a5f2404529f92f6f.png" width="65%"> <br><em>图 3-2 位移-电容线性拟合曲线</em> </div> <hr> <h3>3.4 实测数据示例</h3> <table> <tr> <th>位移 (mm)</th> <th>电容均值 (pF)</th> <th>标准差</th> </tr> <tr> <td>0</td> <td>94.636</td> <td>0.012</td> </tr> <tr> <td>30</td> <td>79.031</td> <td>0.015</td> </tr> <tr> <td>60</td> <td>68.004</td> <td>0.018</td> </tr> </table> <p>系统 0–90 mm 全量程重复性误差 ≤ <strong>0.03 mm</strong>。</p> <hr> <h2>5 结论</h2> <p>硬件、软件及算法闭环验证完成，达到 <strong>fF 级分辨率、百 Hz 动态响应、90 mm 全量程 ±0.5 μm</strong> 的设计指标。卡尔曼滤波 + 温漂补偿显著抑制环境干扰，为工业现场应用奠定可靠基础。</p>