13全国大学生电子设计大赛本科组手写绘图板论文 p16

1、2013年全国大学生电子设计竞赛手写绘图板（G题）【本科组】2013年9月6日摘 要 本手写绘图板以C8051f350单片机为主控制器，其内置24位AD数据采集。自制恒流源为手写板提供测量电流。通过AD采集口采集表笔与地之间的电压，两次采样后对采集数据处理计算出表笔所处手写板位置并在高分辨率的LCD屏幕显示相应坐标。该手写板显示坐标值的分辨率为10mm， 绝对误差不大于5mm，功率在1.5W以内，实现了低功耗。关键词： AD采集 MCU 恒流源 功率目 录1系统方案31.1铜板测试电源的论证与选择31.2MCU和AD采集电路的设计的论证与选择31.3 显示模块的论证与选择41.4 系统结构42

2、系统理论分析与计算52.1 坐标点测量方案52.1.152.1.252.1.352.2 误差的计算与分析52.2.1 XXX52.2.2 XXX62.2.3 XXX62.3低功耗设计62.3.1 题目要求：功耗为总电流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。则要满足要求的最大电流为0.125ma。功耗越低，则表笔所处位置的电压也就越低。测量工作困难就越大。要在测量精度和功耗之间选择一个最佳电流。62.3.2 XXX62.3.3 XXX63电路与程序设计63.1电路的设计63.1.1系统总体框图63.1.2 恒流源子系统电路原理图73.1.3差分放大子系统电路原理图83.1.4电

3、源模块电路原理图83.2程序的设计93.2.1程序功能描述与设计思路93.2.2程序流程图94测试方案与测试结果114.1测试方案114.2 测试条件与仪器114.3 测试结果及分析114.3.1测试结果(数据)114.3.2测试分析与结论12附录1：电路原理图13附录2：源程序14手写绘图板（G题）【本科组】1系统方案本系统主要由恒流源模块、主控制模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1手写绘图板坐标检测方法论证与选择手写绘图板的触控部分是一块普通的覆铜板，为了达到检测触控笔坐标的目的，可以在铜板上加入一定的电压或者电流，通过检测笔来获取电信号并将信号传输到电路中进行分析得出

4、相应的坐标，方案分析如下：方案一：给铜板施加恒压源，通过两次测量电压，由等势线交点课得出相应表笔坐标位置。但是由电阻计算公式R=*L/S，铜板电阻率为0.017593（ · mm2/m），并且L较小，S较大。可得知铜板电阻非常小。题目给出电压为12V，则其电流很大。并且由公式P=U2 /R，可得功率会较大，甚至有可能烧毁铜板，无法满足要求。方案二：给铜板施加恒流源，由P=I2 *R，因为铜板的电阻非常小，则其相应的功率也是比较小的，能够满足题目要求，由欧姆电律U=R*I，由于R很小，则其电压变化也是很小的，因而对于该微小的电压信号的采集是重点。基于题目低功耗并结合实际情况考虑，最终选

5、择方案二。1.2MCU和AD采集电路的设计的论证与选择方案一：MCU控制采用STM32芯片来设计，利用集成运放将微小的电压信号进行放大之后利用STM32内部自带12比特的ADC转换器进行电压采集。方案二：采用24比特的ADC转换器直接进行电压信号的采集。经过分析与搭接电路验证之后得出了12bit的ADC最大分辨率是：3.3/(212)V =0.806mV，而经过实践得出表笔在铜板上相距10mm之间的电压经过LM324运放放大后的信号最小分辨率也仅仅是1.5mV-2mV之间，这个数量级与我们的12比特的ADC的分辨率几乎是在一个数量级的，对于我们的实际设计来说是不太适合的。而24bit的ADC的

6、分辨率为3.3/（224）= 0.197uV, 这个数量级对于测量铜板上10mm之间的微弱电压信号是有可能实现的。经过分析我们最终选择了使用C8051F350芯片来，并利用其内部自带的24bit的ADC进行信号采集，其内部ADC框图如下图所示： 其内部有个PGA可编程增益放大模块可以对所要采集的信号进行放大,再进行信号的采集，之后再进行SINC滤波得出综合以上三种方案，选择方案三。1.3 显示模块的论证与选择 方案一：使用LCD-1602显示屏。优点：功耗小，显示数字与阿拉伯字母等字符，编程难度较低。缺点：屏幕较小，在实现功能画圆以及实现显示汉字等功能上存在明显缺陷。方案二：使用LCD-128

7、64显示屏。优点：带有汉字、图形、显示内容更为丰富，并且有助于调试程序。缺点：编程难度较高，价格昂贵。综合考虑采用本次比赛要求显示坐标与画圆。选择方案方案二1.4 系统结构系统结构如下图所示，由恒流源、C8051F350最小系统、电源模块、LM324差分放大模块组成。图xx 系统结构2系统理论分析与计算2.1 坐标点测量方案 2.1.1 总体思路：如下图所示，图中取B点为电势零点，若在A点为高电势点并把AB两点当成两个等量的异种电荷则会在铜板上形成一个如图所示的电场 图xx :等量异种电荷电场图所以其等势面必定也是呈现弧形状的而不是线性的。经过方案分析设计如下：在一个采样周期内的前半个周期先加

8、一70mA左右从A流向B的恒流源，再对表笔的信号量进行采集与分析，如此时检测表笔有接触铜板则通过信号的分析可以得出此时表笔所在位置的电动势，根据该电动势可以确定表笔在一个弧形的等势面上，在后半个采样周期将原来的恒流源去除改为从C流向B的恒流源，同理，如此时检测表笔有接触到铜板即可得到相应的电动势并确定一个等势面，这样在一个周期内可以得到两个等势面，并且这两个等势面必定会交叉，根据两个等势面的交家点即可唯一确定铜板上的横纵坐标。图xx 铜板示意图2.1.2 2.1.3 2.2 误差的计算与分析 2.2.1 XXXXXXX2.2.2 XXXXXXX2.2.3 XXXXXXX2.3低功耗设计 2.3

9、.1 据题目给的工功率在1.5W内，则根据公式P=UI和电源U=12V可得I=P/U=1.5/12A= 125mA,所以为了达到题目的条件则理论上整体最大的电流只能为125mA,其中还包括主控MCU和相应的外设电路。若给覆铜板两端直接加入12V的电压则根据公式功率P=U2/R，而铜的电阻是非常小的，可想而知对应的功率非常大，不能达到题目的要求。而给铜板加一个恒定的电流源根据公式P=I2*R，在理论条件下是可以达到题目的要求的。根据这一理论，我们找了一个数控电源给铜板加一个4A的恒流源用万用表来测铜板的不同位置的电压来做实验，实验结果显示铜板两端的电压差大约为5mV左右，根据公式U=I*R则可知

10、铜板的电阻的大概数量级为0.125毫欧。若按题目给的1.5W计算, 若给铜板加100mA的电流。DT U1= 100ma*（0.125/15）m=0. 00083333mV 经过差分放大后。DTU2=DTU1*Av = 124.995uv24bit的ADC的分辨率为3.3/（224）= 0.197uV, 这个数量级对于测量铜板上10mm之间的微弱电压信号是有可能实现的。理论计算要达到分辨率10mm，铜板10mm的变化最下为0.197uV。最小电流Amin= Umin/R铜=0.197/（0.125/15） = 23.64ma要达到发挥部分精度6mm的要求Amin= Umin/R铜=0.197/

11、（0.125/25） =39.4ma考虑到实际AD采集精确度，以及硬件带来的误差。通过我们实验，70-80ma是能够保证精度和功耗的电流值，我们最终决定将施加给铜板电流为70-80ma。功耗为总电流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。则要满足要求的最大电流为0.125ma。功耗越低，则表笔所处位置的电压也就越低。测量工作困难就越大。要在测量精度和功耗之间选择一个最佳电流。AD分辨率=基准电压÷224 2.3.2 XXX由于铜板电阻很小，假设在理想条件下，在铜板上加入一个恒定的电流则根据公式U=I*R= I*L/S可以得到一个与表笔到B点距离相关的电压信号。为便于检

12、测，可以增大电流以增大电压信号，相应的其对应的功率也就提升了。根，最终方案设计为为覆铜板提供70-80mA的电流以保证整体电流在125mA以内以实现总体功耗在1.5W内。XXXX2.3.3 XXXXXXX3电路与程序设计3.1电路的设计该手写绘图板电路由恒流源模块、差分放大模块、系统控制电路以及系统供电电路等部分组成。3.1.1系统总体框图系统总体框图如图1所示，系统总体框图。采集24位AD数据，经过差分放大模块处理。图1 系统总体框图3.1.2 恒流源子系统电路原理图本模块以集成电可控精密芯片TL431为核心，当电压开始升高时，流经三极管的偏流电流也增大，从而导致流经Rs（Rcl)的电流也大

13、幅增大，Rs(Rcl)的电也增大。但一旦Rs(Rcl)电压升高，TL431就会动作而使它的阴阳极的电流大幅增加（分流三极管的偏流电流），最终结果是使Rs（Rcl)的电压回到2.5V为止。因为三极管的基极偏流电流大小是很小的，它的微小变化就会带来其发射极电流的大变化，所以基极电流的变化对恒流大小的变化可以忽略不计的。所以该模块输出电流几乎不受输入电压的变化影响的。该模块输出电流稳定在100ma。图2 恒流源子系统框图3.1.3差分放大子系统电路原理图本模块以四运放集成电路LM324为核心，该芯片采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，

14、且其功耗较低，符合题目要求。同向放大电路的电压放大倍数Av也由外接电阻决定：Av=1+R42/R41，可计算其放大倍数为151。经过放大后的电压则可以被芯片采集读取。.图3 差分放大子系统电路原理图3.1.4电源模块电路原理图对于高精度的系统设计，要求电源的稳定性精密度好。电源模块选择稳压芯片MIC5205，MIC5205是一种有效的噪声输出线性稳压器，具有非常低的压差（通常在轻负载17mV和165mV 150毫安），和非常低接地电流(耗电600A输出100mA时）。MIC5205提供了更好的超过1的初始精度。该模块为整机提供稳定电源。图 4 电源模块电路原理图3.2程序的设计3.2.1程序功

15、能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现表笔位置既AD采集以及LCD的显示。1）AD采集实现功能：AD采集初始化、数据采集处理、查表定位表笔坐标位置。2）显示部分：表笔所处象限，坐标，汉字，圆圈。2、程序设计思路程序由主程序、定时器中断程序、A/D中断程序、LCD显示程序四部分组成。各部分功能及流程图如下。3.2.2程序流程图1、主程序流程图2、12864子程序流程图3、AD采集子程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试电压测试：测试电源模块输出电压，Vout = 3.3V，适配器输出电压为12V。与理论值相符。系统供电正常。电流测试：测试自制恒流源输出电流

16、，Iout=98.3ma，误差为1.7%，该值在合理误差之内。时间和频率参数的测试波形参数测试频域参数测试数字参数测试整机测试2、硬件软件联调由于硬件的原因，采集回来的数据与理论值有些偏差，利用软件灵活多遍性，调节软件参数。最终弥补硬件的不足4.2 测试条件与仪器测试环境：竞赛实验室，常温，常湿，常压。测试条件：使用仪器经查以及人工核查，确定电路无短路，断路。各模块工作在理论误差内。测试仪器：模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)2V档信号测试结果好下表所示： （单位/V）信号值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9994.3.2测试分析与结论