全國大學生電子設(shè)計大賽本科組手寫繪圖板論文(備份)

1、2013年全國大學生電子設(shè)計競賽手寫繪圖板（G題）【本科組】2013年9月6日III摘 要 本手寫繪圖板以C8051f350單片機為主控制器，其內(nèi)置24位AD數(shù)據(jù)采集。自制恒流源為手寫板提供測量電流。通過AD采集口采集表筆與地之間的電壓，兩次采樣后對采集數(shù)據(jù)處理計算出表筆所處手寫板位置并在高分辨率的LCD屏幕顯示相應坐標。該手寫板顯示坐標值的分辨率為10mm， 絕對誤差不大于5mm，功率在1.5W以內(nèi)，實現(xiàn)了低功耗。關(guān)鍵詞： AD采集 MCU 恒流源 功率目 錄1系統(tǒng)方案31.1銅板測試電源的論證與選擇31.2MCU和AD采集電路的設(shè)計的論證與選擇31.3 顯示模塊的論證與選擇41.4 系統(tǒng)結(jié)

2、構(gòu)42系統(tǒng)理論分析與計算52.1 坐標點測量方案52.1.152.1.252.1.352.2 誤差的計算與分析52.2.1 XXX52.2.2 XXX62.2.3 XXX62.3低功耗設(shè)計62.3.1 題目要求：功耗為總電流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。則要滿足要求的最大電流為0.125ma。功耗越低，則表筆所處位置的電壓也就越低。測量工作困難就越大。要在測量精度和功耗之間選擇一個最佳電流。62.3.2 XXX62.3.3 XXX63電路與程序設(shè)計63.1電路的設(shè)計63.1.1系統(tǒng)總體框圖63.1.2 恒流源子系統(tǒng)電路原理圖73.1.3差分放大子系統(tǒng)電路原理圖83.1

3、.4電源模塊電路原理圖83.2程序的設(shè)計93.2.1程序功能描述與設(shè)計思路93.2.2程序流程圖94測試方案與測試結(jié)果114.1測試方案114.2 測試條件與儀器114.3 測試結(jié)果及分析114.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))114.3.2測試分析與結(jié)論12附錄1：電路原理圖13附錄2：源程序14手寫繪圖板（G題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由恒流源模塊、主控制模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1手寫繪圖板坐標檢測方法論證與選擇手寫繪圖板的觸控部分是一塊普通的覆銅板，為了達到檢測觸控筆坐標的目的，可以在銅板上加入一定的電壓或者電流，通過檢測筆來獲取電信號并將信號傳輸?shù)诫娐分羞M行分

4、析得出相應的坐標，方案分析如下：方案一：給銅板施加恒壓源，通過兩次測量電壓，由等勢線交點課得出相應表筆坐標位置。但是由電阻計算公式R=*L/S，銅板電阻率為0.017593（ · mm2/m），并且L較小，S較大?？傻弥~板電阻非常小。題目給出電壓為12V，則其電流很大。并且由公式P=U2 /R，可得功率會較大，甚至有可能燒毀銅板，無法滿足要求。方案二：給銅板施加恒流源，由P=I2 *R，因為銅板的電阻非常小，則其相應的功率也是比較小的，能夠滿足題目要求，由歐姆電律U=R*I，由于R很小，則其電壓變化也是很小的，因而對于該微小的電壓信號的采集是重點。基于題目低功耗并結(jié)合實際情況考慮，

5、最終選擇方案二。1.2MCU和AD采集電路的設(shè)計的論證與選擇方案一：MCU控制采用STM32芯片來設(shè)計，利用集成運放將微小的電壓信號進行放大之后利用STM32內(nèi)部自帶12比特的ADC轉(zhuǎn)換器進行電壓采集。方案二：采用24比特的ADC轉(zhuǎn)換器直接進行電壓信號的采集。經(jīng)過分析與搭接電路驗證之后得出了12bit的ADC最大分辨率是：3.3/(212)V =0.806mV，而經(jīng)過實踐得出表筆在銅板上相距10mm之間的電壓經(jīng)過LM324運放放大后的信號最小分辨率也僅僅是1.5mV-2mV之間，這個數(shù)量級與我們的12比特的ADC的分辨率幾乎是在一個數(shù)量級的，對于我們的實際設(shè)計來說是不太適合的。而24bit的A

6、DC的分辨率為3.3/（224）= 0.197uV, 這個數(shù)量級對于測量銅板上10mm之間的微弱電壓信號是有可能實現(xiàn)的。經(jīng)過分析我們最終選擇了使用C8051F350芯片來，并利用其內(nèi)部自帶的24bit的ADC進行信號采集，其內(nèi)部ADC框圖如下圖所示： 其內(nèi)部有個PGA可編程增益放大模塊可以對所要采集的信號進行放大,再進行信號的采集，之后再進行SINC濾波得出綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3 顯示模塊的論證與選擇 方案一：使用LCD-1602顯示屏。優(yōu)點：功耗小，顯示數(shù)字與阿拉伯字母等字符，編程難度較低。缺點：屏幕較小，在實現(xiàn)功能畫圓以及實現(xiàn)顯示漢字等功能上存在明顯缺陷。方案二：使用LCD-

7、12864顯示屏。優(yōu)點：帶有漢字、圖形、顯示內(nèi)容更為豐富，并且有助于調(diào)試程序。缺點：編程難度較高，價格昂貴。綜合考慮采用本次比賽要求顯示坐標與畫圓。選擇方案方案二1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，由恒流源、C8051F350最小系統(tǒng)、電源模塊、LM324差分放大模塊組成。圖xx 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 坐標點測量方案 2.1.1 總體思路：如下圖所示，圖中取B點為電勢零點，若在A點為高電勢點并把AB兩點當成兩個等量的異種電荷則會在銅板上形成一個如圖所示的電場 圖xx :等量異種電荷電場圖所以其等勢面必定也是呈現(xiàn)弧形狀的而不是線性的。經(jīng)過方案分析設(shè)計如下：在一個采樣周期內(nèi)的前半個周

8、期先加一70mA左右從A流向B的恒流源，再對表筆的信號量進行采集與分析，如此時檢測表筆有接觸銅板則通過信號的分析可以得出此時表筆所在位置的電動勢，根據(jù)該電動勢可以確定表筆在一個弧形的等勢面上，在后半個采樣周期將原來的恒流源去除改為從C流向B的恒流源，同理，如此時檢測表筆有接觸到銅板即可得到相應的電動勢并確定一個等勢面，這樣在一個周期內(nèi)可以得到兩個等勢面，并且這兩個等勢面必定會交叉，根據(jù)兩個等勢面的交家點即可唯一確定銅板上的橫縱坐標。圖xx 銅板示意圖2.1.2 2.1.3 2.2 誤差的計算與分析 2.2.1 XXXXXXX2.2.2 XXXXXXX2.2.3 XXXXXXX2.3低功耗設(shè)計

9、2.3.1 據(jù)題目給的工功率在1.5W內(nèi)，則根據(jù)公式P=UI和電源U=12V可得I=P/U=1.5/12A= 125mA,所以為了達到題目的條件則理論上整體最大的電流只能為125mA,其中還包括主控MCU和相應的外設(shè)電路。若給覆銅板兩端直接加入12V的電壓則根據(jù)公式功率P=U2/R，而銅的電阻是非常小的，可想而知對應的功率非常大，不能達到題目的要求。而給銅板加一個恒定的電流源根據(jù)公式P=I2*R，在理論條件下是可以達到題目的要求的。根據(jù)這一理論，我們找了一個數(shù)控電源給銅板加一個4A的恒流源用萬用表來測銅板的不同位置的電壓來做實驗，實驗結(jié)果顯示銅板兩端的電壓差大約為5mV左右，根據(jù)公式U=I*R

10、則可知銅板的電阻的大概數(shù)量級為0.125毫歐。若按題目給的1.5W計算, 若給銅板加100mA的電流。DT U1= 100ma*（0.125/15）m=0. 00083333mV 經(jīng)過差分放大后。DTU2=DTU1*Av = 124.995uv24bit的ADC的分辨率為3.3/（224）= 0.197uV, 這個數(shù)量級對于測量銅板上10mm之間的微弱電壓信號是有可能實現(xiàn)的。理論計算要達到分辨率10mm，銅板10mm的變化最下為0.197uV。最小電流Amin= Umin/R銅=0.197/（0.125/15） = 23.64ma要達到發(fā)揮部分精度6mm的要求Amin= Umin/R銅=0.1

11、97/（0.125/25） =39.4ma考慮到實際AD采集精確度，以及硬件帶來的誤差。通過我們實驗，70-80ma是能夠保證精度和功耗的電流值，我們最終決定將施加給銅板電流為70-80ma。功耗為總電流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。則要滿足要求的最大電流為0.125ma。功耗越低，則表筆所處位置的電壓也就越低。測量工作困難就越大。要在測量精度和功耗之間選擇一個最佳電流。AD分辨率=基準電壓÷224 2.3.2 XXX由于銅板電阻很小，假設(shè)在理想條件下，在銅板上加入一個恒定的電流則根據(jù)公式U=I*R= I*L/S可以得到一個與表筆到B點距離相關(guān)的電壓信號。為

12、便于檢測，可以增大電流以增大電壓信號，相應的其對應的功率也就提升了。根，最終方案設(shè)計為為覆銅板提供70-80mA的電流以保證整體電流在125mA以內(nèi)以實現(xiàn)總體功耗在1.5W內(nèi)。XXXX2.3.3 XXXXXXX3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計該手寫繪圖板電路由恒流源模塊、差分放大模塊、系統(tǒng)控制電路以及系統(tǒng)供電電路等部分組成。3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)總體框圖。采集24位AD數(shù)據(jù)，經(jīng)過差分放大模塊處理。圖1 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 恒流源子系統(tǒng)電路原理圖本模塊以集成電可控精密芯片TL431為核心，當電壓開始升高時，流經(jīng)三極管的偏流電流也增大，從而導致流經(jīng)Rs（Rcl)的電

13、流也大幅增大，Rs(Rcl)的電也增大。但一旦Rs(Rcl)電壓升高，TL431就會動作而使它的陰陽極的電流大幅增加（分流三極管的偏流電流），最終結(jié)果是使Rs（Rcl)的電壓回到2.5V為止。因為三極管的基極偏流電流大小是很小的，它的微小變化就會帶來其發(fā)射極電流的大變化，所以基極電流的變化對恒流大小的變化可以忽略不計的。所以該模塊輸出電流幾乎不受輸入電壓的變化影響的。該模塊輸出電流穩(wěn)定在100ma。圖2 恒流源子系統(tǒng)框圖3.1.3差分放大子系統(tǒng)電路原理圖本模塊以四運放集成電路LM324為核心，該芯片采用14腳雙列直插塑料封裝，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互

14、獨立，且其功耗較低，符合題目要求。同向放大電路的電壓放大倍數(shù)Av也由外接電阻決定：Av=1+R42/R41，可計算其放大倍數(shù)為151。經(jīng)過放大后的電壓則可以被芯片采集讀取。.圖3 差分放大子系統(tǒng)電路原理圖3.1.4電源模塊電路原理圖對于高精度的系統(tǒng)設(shè)計，要求電源的穩(wěn)定性精密度好。電源模塊選擇穩(wěn)壓芯片MIC5205，MIC5205是一種有效的噪聲輸出線性穩(wěn)壓器，具有非常低的壓差（通常在輕負載17mV和165mV 150毫安），和非常低接地電流(耗電600A輸出100mA時）。MIC5205提供了更好的超過1的初始精度。該模塊為整機提供穩(wěn)定電源。圖 4 電源模塊電路原理圖3.2程序的設(shè)計3.2.1

15、程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)表筆位置既AD采集以及LCD的顯示。1）AD采集實現(xiàn)功能：AD采集初始化、數(shù)據(jù)采集處理、查表定位表筆坐標位置。2）顯示部分：表筆所處象限，坐標，漢字，圓圈。2、程序設(shè)計思路程序由主程序、定時器中斷程序、A/D中斷程序、LCD顯示程序四部分組成。各部分功能及流程圖如下。3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖2、12864子程序流程圖3、AD采集子程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試電壓測試：測試電源模塊輸出電壓，Vout = 3.3V，適配器輸出電壓為12V。與理論值相符。系統(tǒng)供電正常。電流測試：測試自制恒流源輸

16、出電流，Iout=98.3ma，誤差為1.7%，該值在合理誤差之內(nèi)。時間和頻率參數(shù)的測試波形參數(shù)測試頻域參數(shù)測試數(shù)字參數(shù)測試整機測試2、硬件軟件聯(lián)調(diào)由于硬件的原因，采集回來的數(shù)據(jù)與理論值有些偏差，利用軟件靈活多遍性，調(diào)節(jié)軟件參數(shù)。最終彌補硬件的不足4.2 測試條件與儀器測試環(huán)境：競賽實驗室，常溫，常濕，常壓。測試條件：使用儀器經(jīng)查以及人工核查，確定電路無短路，斷路。各模塊工作在理論誤差內(nèi)。測試儀器：模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))2V檔信號測試結(jié)果好下表所示： （單位/V）信號值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999顯示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9994.3.2測試分析與結(jié)論經(jīng)過