最終2013手寫繪圖板競(jìng)賽論文

1、2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽手寫繪圖板（本科組G題）設(shè)計(jì)報(bào)告【摘 要】 手寫繪圖板系統(tǒng)主要包括電源模塊、恒流源模塊、微弱信號(hào)檢測(cè)模塊、控制模塊和觸摸顯示模塊。電源給系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的電源，恒流源給銅板X，Y軸分別加恒定的電流，微弱信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)銅板上微小的電壓變化并處理這些信號(hào)，通過(guò)控制繼電器控制恒流源模塊給銅板提供電流，并控制微弱信號(hào)檢測(cè)模塊分別采樣軸的電壓值和軸的電壓值。當(dāng)控制繼電器給銅板的軸、軸加上電流后，觸筆接觸到銅板并滑動(dòng)，由于銅板不同點(diǎn)對(duì)公共端的阻抗不一樣，所以銅板上有很微弱的電壓變化，通過(guò)微弱信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)處理，然后進(jìn)行采集。再通過(guò)進(jìn)

2、行一系列的計(jì)算，得出、坐標(biāo)值并通過(guò)觸摸顯示模塊顯示出來(lái)。【關(guān)鍵詞】恒流源，微弱信號(hào)檢測(cè)，STM32最小系統(tǒng)，觸摸顯示屏；目錄1前言- 1 -1.1設(shè)計(jì)的背景及意義- 1 -1.2設(shè)計(jì)要求- 1 -1.3本設(shè)計(jì)所作的工作- 2 -2方案比較與方案選定- 3 -2.1恒流源方案設(shè)計(jì)與比較- 3 -2.2銅板采樣方案論證比較- 4 -2.3微弱信號(hào)檢測(cè)電路論證比較- 4 -2.4顯示最小系統(tǒng)搭建方案設(shè)計(jì)- 5 -2.5低功耗設(shè)計(jì)- 6 -3系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)- 6 -3.1系統(tǒng)供電部分電路設(shè)計(jì)- 7 -3.1.1輸入電壓第一級(jí)穩(wěn)壓- 7 -3.1.2 模擬正5V- 7 -3.1.3 模擬負(fù)5V- 8 -3

3、.1.4 恒流源電路- 8 -3.1.5.電路板PCB布局布線- 9 -3.2繼電器電路- 9 -3.3銅板坐標(biāo)測(cè)量方法- 10 -3.4微弱信號(hào)電路設(shè)計(jì)- 11 -3.5STM32最小系統(tǒng)- 12 -4程序設(shè)計(jì)- 13 -4.1程序流程圖- 13 -5系統(tǒng)測(cè)試- 14 -5.1測(cè)試原理- 14 -5.2測(cè)試方法- 14 -5.3測(cè)試結(jié)果- 15 -6結(jié)論- 16 -7參考文獻(xiàn)- 17 -8附錄- 18 -附錄一- 18 -附錄二- 19 -附錄三- 20 -1 前言1.1 設(shè)計(jì)的背景及意義目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，手寫繪圖板的種類、數(shù)量逐漸擴(kuò)增，適用范圍越來(lái)越廣泛。另外，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，

4、市場(chǎng)上各種手寫繪圖板功能的多樣化，目前人們對(duì)繪圖板的需求需求量越來(lái)越高，因此設(shè)計(jì)可靠，安全，便捷，精度更高的手寫繪圖板具有廣泛的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。1.2 設(shè)計(jì)要求利用普通PCB覆銅板設(shè)計(jì)和制作手寫繪圖輸入設(shè)備。普通覆銅板尺寸為15cm×10cm，其四角用導(dǎo)線連接到電路，同時(shí)，一根帶導(dǎo)線的普通表筆連接到電路。表筆可與覆銅板表面任意位置接觸，電路應(yīng)能檢測(cè)表筆與銅箔的接觸，并測(cè)量觸點(diǎn)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手寫繪圖功能。覆銅板表面由參賽者自行繪制縱橫坐標(biāo)以及6cm × 4cm（高精度區(qū)A）和12 cm × 8cm（一般精度區(qū)B）1、基本要

5、求（1）指示功能：表筆接觸銅箔表面時(shí)，能給出明確顯示。 （2）能正確顯示觸點(diǎn)位于縱坐標(biāo)左右位置。 （3）能正確顯示觸點(diǎn)四象限位置。 （4）能正確顯示坐標(biāo)值。 （5）顯示坐標(biāo)值的分辨率為10mm， 絕對(duì)誤差不大于5mm。2. 發(fā)揮部分（1）進(jìn)一步提高坐標(biāo)分辨率至8mm和6mm；要求分辨率為8mm時(shí)，絕對(duì)誤差不大于4mm；分辨率為6mm時(shí)，絕對(duì)誤差不大于3mm。 （2）繪圖功能。能跟蹤表筆動(dòng)作，并顯示繪圖軌跡。在A區(qū)內(nèi)畫三個(gè)直徑分別為20mm，12mm和8mm不同直徑的圓，并顯示該圓；20mm的圓要求能在10s內(nèi)完成，其它圓不要求完成時(shí)間

6、。 （3）低功耗設(shè)計(jì)。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。 （4）其他。如顯示文字，提高坐標(biāo)分辨率等。1.3 本設(shè)計(jì)所作的工作本設(shè)計(jì)是基于STM32搭建的基本應(yīng)用電路，將銅板的各點(diǎn)的電壓值經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化成的相應(yīng)坐標(biāo)，在采樣時(shí)顯示出來(lái)，所以，本次設(shè)計(jì)需要做好以下工作：(1)學(xué)習(xí)STM32、模電數(shù)電的原理等。(2)學(xué)習(xí) DXP09、Keil C等工具軟件的使用方法。(3)設(shè)計(jì)測(cè)量動(dòng)態(tài)顯示電路。(4) 設(shè)計(jì)測(cè)量恒流源，STM32最小系統(tǒng)及相應(yīng)程序。(5) 用DXP09軟件繪制電原理圖和印刷電路版圖，編寫程序。(6) 調(diào)試，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)和

7、結(jié)果。(7) 撰寫設(shè)計(jì)論文。2 方案比較與方案選定2.1 恒流源方案設(shè)計(jì)與比較方案一：用線性穩(wěn)壓芯片7805,7905直接輸出+-5V電壓圖2.1-1壓原理圖 方案二：采用開關(guān)電源芯片 圖2.1-2 開關(guān)電源電路方案一電路優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，芯片常見(jiàn)。方案一電路缺點(diǎn)：電路直接從+-12V接入穩(wěn)壓到+-5V，電源效率相對(duì)于開關(guān)電源較低，而且輸出電源濾波效果差，不能用于小信號(hào)檢測(cè)。對(duì)信號(hào)檢測(cè)產(chǎn)生很大的不良影響。所以采用方案二。2.2 銅板采樣方案論證比較方案一：采用電壓加載法：把電壓加載到銅板兩端，測(cè)量銅板上采樣點(diǎn)的電勢(shì)即采樣點(diǎn)的電壓值。方案二：采用電流加載法：通過(guò)恒流源產(chǎn)生電流加載到銅板，測(cè)試銅

8、板的各點(diǎn)電壓值。方案一理論上可行，但是實(shí)際銅板電阻率很低，所以只能加載很小的電壓，否則與銅板連接相當(dāng)于短路。所以方案一在實(shí)際操作中很難檢測(cè)出電壓值。而方案二采用大電流加載使銅板的電壓稍微增大，再通過(guò)放大器處理，可以使AD采樣出銅板各點(diǎn)的電壓值。2.3 微弱信號(hào)檢測(cè)電路論證比較方案一 :直接采用單輸入同相放大器。此方案電路簡(jiǎn)單易于調(diào)試，但是單輸入同相放大器的工模抑制不好，而且放大倍數(shù)受到運(yùn)算放大器性能的影響，很難檢測(cè)得到銅板上的微弱信號(hào)。圖2.3-1同相放大器電路方案二 : 采用差分輸入放大和多級(jí)放大電路級(jí)聯(lián) 。差分輸入放大和多級(jí)放具有很高的共模抑制比，切只要有變化就能通過(guò)差分輸入后的放大器把變

9、化的壓降放大。很容易檢測(cè)到銅板上的微弱信號(hào)。圖2.3-2 差分電路與多級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)電路方案一相對(duì)于方案二電路過(guò)于簡(jiǎn)單，且放大的倍數(shù)受芯片制約，小信號(hào)濾波效果差，精度低。而方案二中，采用差分輸入使共模抑制比越大，信號(hào)質(zhì)量越好。采用多級(jí)放大，各級(jí)之間低通濾波。所以采用方案二。2.4 顯示最小系統(tǒng)搭建方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須完成繪圖功能，我們采用2.4寸液晶觸摸屏屏幕作為顯示。別且能實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵等擴(kuò)展功能。主控芯片選擇。2.5 低功耗設(shè)計(jì)（）系統(tǒng)采用了PWM波控制液晶屏亮度，極大的減少了功耗；（）微弱信號(hào)檢測(cè)電路采用低功耗運(yùn)放，減少了該電路的功率消耗；（）由于采用線性電源，當(dāng)壓差大的時(shí)候功耗比較大，所以利

10、用開關(guān)電源先把的輸入電壓降到；（）采用高性能，低壓降，低功耗的凌力爾特芯片和作為正負(fù)的穩(wěn)壓電源；（）恒流源的采樣電阻使用的是三個(gè).歐的功率電阻并聯(lián)，使得功耗降低；（）本系統(tǒng)使用了繼電器作為切換開光，消耗有點(diǎn)大，所以利用程序控制當(dāng)觸筆沒(méi)有按下的時(shí)候繼電器處于常閉狀態(tài)；3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)通過(guò)給銅板X，Y軸分別加恒流源，使銅板在不同區(qū)域可以檢測(cè)到不同的電壓值，電壓值呈線性增長(zhǎng)。本系統(tǒng)是基于STM32搭建的基本應(yīng)用電路，表筆采樣銅板各點(diǎn)X，Y軸的電壓值經(jīng)由AD轉(zhuǎn)化成顯示的相應(yīng)坐標(biāo)。銅板信號(hào)放大采樣.顯示繼電器恒流源圖3-1 系統(tǒng)框架圖3.1 系統(tǒng)供電部分電路設(shè)計(jì)本題要求供電電源是單電源12V；但是系統(tǒng)的

11、小信號(hào)放大電路部分的放大器需要正負(fù)電壓供電，而且這個(gè)電源必須是低紋波的，所以不能直接用穩(wěn)壓源提供的電源供電，得經(jīng)過(guò)DC-DC變換電路。經(jīng)過(guò)方案的討論，現(xiàn)需要以下幾種供電電源：(1)輸入降壓；(2)模擬正5V；(3)模擬負(fù)5V；(4)數(shù)字正5V；(5)恒流源電路。3.1.1輸入電壓第一級(jí)穩(wěn)壓 考慮到電壓的低紋波，所以采用線性電源進(jìn)行穩(wěn)壓。但是線性電源在高壓差工作的時(shí)候功耗太大；所以先采用開關(guān)電源把輸入電壓降下來(lái)。選用LM2596-adj進(jìn)行降壓處理。把電壓從+12V降到+5.9V。可以大大降低電源板的功耗。輸入電壓降壓電路如圖.。 圖3.1-1 輸入電壓降壓電路3.1.2 模擬正5V這個(gè)電源需要

12、滿足以下幾個(gè)條件：（1）需要高精度的低紋波電源；（2）系統(tǒng)有低功耗的要求；（3）電流估計(jì)小于100mA。綜合以上要求，現(xiàn)采用凌力爾特公司的800mA低壓差正穩(wěn)壓器LT1117-5。模擬正電路如圖.。 圖3.1-2：模擬正5V電路3.1.3 模擬負(fù)5V這個(gè)電源需要滿足以下幾個(gè)條件：（1）需要高精度的低紋波電源；（2）系統(tǒng)有低功耗的要求；（3）電流估計(jì)小于100mA；（4）輸出負(fù)電壓。綜合以上要求，現(xiàn)采用凌力爾特公司的500mA低壓差負(fù)穩(wěn)壓器LT117-5。 但是這個(gè)芯片的輸入電壓是負(fù)電壓，所以前級(jí)還得加上正負(fù)電壓變換電路；采用可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的MC34063的反向功能把正電壓

13、變換為負(fù)電壓；MC34063的輸出電壓可調(diào)節(jié)R5來(lái)完成，選用R5=5.6k得到輸出電壓-5.9V。模擬負(fù)電路如圖.。 圖3.1-3 模擬-5V電路3.1.4 恒流源電路方案采用在普通的覆銅板兩端加上恒流源的方式來(lái)檢測(cè)觸點(diǎn)的位置。由于普通的覆銅板的電阻率非常低，為了方便測(cè)量，電流是愈大愈好，但是考慮到系統(tǒng)的功耗問(wèn)題，電流也不能太大。為了提高電源利用率采用開關(guān)型穩(wěn)壓芯片LM2596來(lái)制作恒流源。LM2596采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高 ；輸出電流可高達(dá)3A；輸出電流可高達(dá)3A；由于材料的問(wèn)題，用3個(gè)W0.歐姆的電阻并聯(lián)得到0.0歐姆的采樣電阻，這樣可以降

14、低一部分系統(tǒng)功耗。再經(jīng)過(guò)LM358把采樣電壓放大作為L(zhǎng)M2596的反饋電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流。從而實(shí)現(xiàn)恒流的功能。 圖. 恒流源電路3.1.5.電路板PCB布局布線考慮到電路板的電磁場(chǎng)兼容性、抗干擾的問(wèn)題；走線要短，交叉要少，電源、地的路徑及去耦，模擬和數(shù)字電源分開布局，大面積覆銅。現(xiàn)把電源分為以下幾個(gè)部分布局布線：（1）輸入降壓；(2)數(shù)字正5V；（3）恒流源電路；(4)模擬正5V、負(fù)5V。并且四個(gè)部分分開布線。為了使電源的抗干擾能力更強(qiáng)，精度更高，采用雙面板制作。圖見(jiàn)【附錄一】3.2 繼電器電路求覆銅板的坐標(biāo)是二維的，得同時(shí)求出觸點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)。那么就得切換加在覆銅板上的電壓極性來(lái)求得坐標(biāo)。考

15、慮到調(diào)試難度和材料的限制，采用繼電器來(lái)控制。但是需要快速的切換速度和低的導(dǎo)通電阻。用一般繼電器是達(dá)不到要求的，現(xiàn)采用小體積，高速（實(shí)測(cè)50Hz可以正常工作），低導(dǎo)通電阻（最大0.1歐姆）的G6K_2F_Y 5VDC。在覆銅板的四個(gè)引腳上的電壓有兩個(gè)是固定的高低電壓，另外兩個(gè)的電壓相互切換系統(tǒng)就可以工作，但是考慮到阻抗匹配，在電路中四根導(dǎo)線的長(zhǎng)度和材料應(yīng)盡量相同，所以在不用切換的兩個(gè)電極也加上也加上繼電器（為了使每根導(dǎo)線都加上0.1歐姆的電阻）。在輸出到覆銅板上的引線采用直徑2.5MM的漆包線，能提高電流傳輸能力，并減少傳輸線上的電壓降。繼電器原理圖如圖.。見(jiàn)【附錄二】。 圖.繼電器原理圖3.3

16、 銅板坐標(biāo)測(cè)量方法先給銅板制定坐標(biāo)，15cm長(zhǎng)的方向?yàn)閅軸，10cm長(zhǎng)的方向?yàn)閄軸。然后制定12cm×8cm為一般精度區(qū)，6cm×4cm為高精度區(qū)。測(cè)量X軸：給長(zhǎng)15cm銅板兩端加正極，相對(duì)應(yīng)的加負(fù)極。恒流源通過(guò)銅板導(dǎo)通，表筆在銅板上面的不同位置可以測(cè)得不同的電壓值，再轉(zhuǎn)換成X軸相應(yīng)的坐標(biāo)。 測(cè)量Y軸：給長(zhǎng)10cm銅板兩端加正極，相對(duì)應(yīng)的加負(fù)極。恒流源通過(guò)銅板導(dǎo)通，表筆在銅板上面的不同位置可以測(cè)得不同的電壓值，再轉(zhuǎn)換成Y軸相應(yīng)的坐標(biāo)。3.4 微弱信號(hào)電路設(shè)計(jì)圖3.3-1 微弱信號(hào)電路微弱信號(hào)的電壓幅度在10uv到200uv，必須放大信號(hào)幅度來(lái)檢測(cè)。信號(hào)由芯片1N2141差放

17、輸入，通過(guò)短接ja，ja和jb，jb從而達(dá)到100倍的增益。因?yàn)檩敵鲎罱K是直流信號(hào)必須在輸入端加限波電路，1N2141的7，8腳輸出的電壓經(jīng)過(guò)限波電路，使頻率降到50Hz以下。在限波電路后面經(jīng)0P747差放輸入，使輸出再增大一百倍。再由OP747經(jīng)過(guò)兩級(jí)低通濾波器濾掉高頻信號(hào)。保證輸出更好達(dá)到直流要求。二階低通濾波電路本地路采用的是四通道、精密、軌到軌輸出放大器，具有微功耗特性的OP747，截止頻率為：F=1/(2RC)C64是反饋電容。在集成運(yùn)放輸出到集成運(yùn)放同相輸入之間引入一個(gè)負(fù)反饋，在不同的頻段反饋的極性不相同，當(dāng)信號(hào)頻率f>>ffc(ffc時(shí)fc為截止頻率)電路的每級(jí)RC電

18、路的相移趨于-90，兩級(jí)RC電路的移相到-180，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時(shí)通過(guò)電容C64引到集成運(yùn)放同相端的反饋是負(fù)反饋，反饋信號(hào)將起著削弱輸入信號(hào)的作用使電壓放大倍數(shù)減小所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減只允許低頻端信號(hào)通過(guò)。 圖3.3-2 同相放大電路兩級(jí)低通輸出再有TL072同相放大100倍,輸出給A/D采集。放大倍數(shù)為 ： Av=1+R115/R1143.5 STM32最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)圖見(jiàn)【附錄三】。4 程序設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖程序流程圖如圖.開始系統(tǒng)初始化初始化等待觸摸筆接觸坐標(biāo)采集坐標(biāo)顯示否是圖.系統(tǒng)程序流程圖5 系統(tǒng)測(cè)試5.1 測(cè)試原理以

19、STM32為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì) ，將位置的測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓值的測(cè)量。實(shí)現(xiàn)銅板上坐標(biāo)的測(cè)量。給銅板的橫縱軸分別加恒流源，銅板在不同區(qū)域檢測(cè)到不同的值，各點(diǎn)采樣值通過(guò)AD把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，獲得采樣值可知采樣點(diǎn)在銅板上的相應(yīng)位置，再經(jīng)顯示。測(cè)試的主要模塊為手寫繪圖板模塊。5.2 測(cè)試方法給銅板X，Y軸分別加恒流源，取銅板上的點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)。在測(cè)試時(shí)將被測(cè)參數(shù)通過(guò)本系統(tǒng)測(cè)量出來(lái)的示值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，得到本系統(tǒng)的測(cè)量精度。測(cè)試儀器為示波器和五位半萬(wàn)用表。5.3 測(cè)試結(jié)果根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步進(jìn)行校正和對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的可靠性的確認(rèn)。測(cè)試結(jié)果如下：圖5.3.1 液晶顯示效果表1測(cè)試數(shù)據(jù)-3-2-10123單位：-23510，16403430，18103350,20103350,20103280,25903340,2790-13330，16303260，18203200,20103110,23903100,25903110,2770012910,165028