手写绘图板的设计与制作.doc
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手写绘图板的设计与制作.doc
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2013年全国大学生电子设计竞赛论文
手写绘图板(G题)
【本科组】
学校:
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指导教师:
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参赛者:
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手写绘图板的设计与制作
摘要:
本设计目的得到一个较为精确的手写绘图板,我们通过一个恒流源接入覆铜板并将八个精密电阻引入,当触摸笔接触到覆铜板任意一个位置时便会检测到一个小电压信号,通过这一原理我们在覆铜板上通过表笔的移动采集差分信号,差分信号有助于信号传输,我们将采集到得信号进行电压跟随以提高电路带负载的能力从而得到较为稳定的小电压信号,再进行前置高精度较高增益放大并通过低通滤波然电路后进入电压跟随电路从而得到更稳定的信号并提高信号准确度及性价比。
被放大的电压信号被高精度的AD采集,经过51单片机的处理得到信号数据并将处理的信号显示到液晶上,从而实现实时显示表笔的位置坐标的要求及其他的显示要求。
关键词:
差分放大信号处理AD转换TFT液晶
Abstract:
Thepurposeofthisdesigntogetamoreaccuratehandwrittendrawingboard,Webyaconstantcurrentsourceaccesscoppercladandintroduceseightpreciseresistance,Whenthestylusincontactwiththecoppercladanarbitrarypositionwillbeasmallvoltagesignalisdetected,Bythisprinciplewemovethroughthepensandthecollectiononcoppercladdifferencesignal,Thedifferentialsignalhelpssignaltransmission,Wewillhavetofollowinordertoimprovethesignalvoltagecollectedcircuitonloadcapacityandrelativelystablesmallvoltagesignalisobtained,andthentoleadhighprecisionbuthighgainamplifierandlow-passfiltercircuitafterenteringvoltagefollowcircuitinordertogetmorestablesignalsandimprovetheaccuracyandcostperformance.BeamplifiedvoltagesignalishighprecisionADsampling,Aftera51single-chipprocessinggetsignaldataandsignaldisplayontheLCD,Soastorealizetherequirementofreal-timedisplaypensandpositioncoordinatesandotherdisplayrequirements.
Keywords:
ThedifferentialamplifierThesignalprocessingTheADconversionTFTLCD
目录
设计要求 4
1.1设计任务 4
1.2基本要求 5
1.3发挥部分 5
主控系统设计与模块方案选择 5
2.1单片机控制系统选取 5
2.2模块选择与实现 6
3.1系统总体框图 12
程序模块设计控制系统程序模块流程框图设计 15
测量方法与分析 16
4.1实时显示触点 16
4.2点坐标测量及显示 16
系统测试与低功耗设计 17
5.1测试方案 17
5.2测试结果和误差分析及改进 19
5.3低功耗设计 21
设计总结 21
参考文献 22
附录 23
6.1元器件明细 23
6.2整体系统组成原理图 24
6.3主要PCB版图 26
6.4程序源代码 27
设计要求
1.1设计任务
利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。
系统构成框图如图1所示。
普通覆铜板尺寸为15cm×10cm,其四角用导线连接到电路,同时,一根带导线的普通表笔连接到电路。
表笔可与覆铜板表面任意位置接触,电路应能检测表笔与铜箔的接触,并测量触点位置,进而实现手写绘图功能。
覆铜板表面由参赛者自行绘制纵横坐标以及6cmx4cm(高精度区A)和12cmx8cm(一般精度区B)如图中两个虚线框所示。
图1系统构成框图
1.2基本要求
(1)指示功能:
表笔接触铜箔表面时,能给出明确显示。
(2)能正确显示触点位于纵坐标左右位置。
(3)能正确显示触点四象限位置。
(4)能正确显示坐标值。
(5)显示坐标值的分辨率为10mm,绝对误差不大于5mm。
1.3发挥部分
(1)进一步提高坐标分辨率至8mm和6mm;要求分辨率为8mm时,绝对误差不大于4mm;分辨率为6mm时,绝对误差不大3mm。
(2)绘图功能。
能跟踪表笔动作,并显示绘图轨迹。
在A区内画三个直径分别为20mm,12mm和8mm不同直径的圆,并显示该圆;20mm的圆要求能在10s内完成,其它圆不要求完成时间。
(3)低功耗设计。
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。
(4)其他。
如显示文字,提高坐标分辨率等。
........
主控系统设计与模块方案选择
测量系统主要组成部分有电源供电模块、单片机控制模块、小电阻检测模块、跟随放大模块、显示模块、模拟开关模块、A/D模块等。
给整个系统供电的是+12V单电源,51通过串行通讯方式接受来自A/D的采集信号,并通过进一步的控制运算比较判断,然后将结果送往TFT液晶显示模块显示。
手写板实时接触与实时显示模块一起组成人机界面。
2.1单片机控制系统选取
方案一:
采用ARM 处理器进行数据处理,ARM处理器处理数据比较高,、而且端口比较多,可以处理多个任务。
但是ARM价格高,入门比较困难,熟练掌握比较困难,学习周期比较长,而且在小车前进过程中,处理的数据量不是很大,过多的IO口反而不利于控制。
故舍去该方案。
方案二:
采用比较普及的c51单片机,51 单片机比较普及,价格低廉,学习资料比较多,易于自主的学习而且这与掌握,方面的图书和教材比较多,学习资料易于获取。
综合考虑采用该方案。
在小车行驶过程中处理的数据量51 的IO口完全可以满足。
综合考虑方案二更利于实现,故采用第二套方案
2.2模块选择与实现
2.2.1微小电阻测量方法模块
方案一:
交流电桥式测量电阻
目前,常用的小电阻测量是采用交流电桥的方式来测量的,如图2所示
图2
RN是低值标准电阻,Rx是待测低电阻.由RN,Rx,R1,R2组成一个电桥,这是常用的双电桥.测量误差rx,rN不能计算在内.rx,rN是测量时的接触电阻,而一般接触电阻远远大于被测电阻,因而引进R1,R2组成另一个电桥,形成双电桥.当双电桥
平衡时,检流计支路元件电流流过,由基尔霍夫定律求得平衡条件为:
若R1/R2=R1’/R’则Rx=R1RN/R2这样附加接触电阻r被平衡掉了,不影响Rx的测量结果,测得的微电压经交流放大器A放大后去带动电流表指示.电流表的摆动大小来确定被测电阻的大小.
以上测量方法有一个很大的缺点,就是图1中的E测量时的工作电压一般是用1.5V,而工作电流要求比较大,一般的工作电流为2A.如此大的电流流过被测器件时,会引起测量器件发热,使测量值产生误差,特别是有些元件不允许通过大电流时,就无法进行测量.因此放弃此方案。
方案二:
大脉冲电流测量小电阻
由于需要测量的是小电阻,为了提高测量的准确度,信噪比就应该比较大,业就是说通过电阻的电流要大,但这是我们必须考虑电阻的负载效应。
根据电子学的知识,我们知道电阻阻值与温度及电阻温度与电阻电流电流通过时间的关系
及
从上式可以看出电阻的阻值与温度的变化成线性关系,而电阻温度的变化又与通过电阻的电流及时间有关。
要使大电流通过电阻而电阻的阻值的变化很小,就应该使得通过电阻的时间很短,业就是说这个大电流就是脉冲电流。
电流的大小和脉冲宽度应根据电阻的阻值大小和放大器的性能决定。
因此方案容易对电阻造成损坏以及对测量要求极高并不方便测量。
因此放弃此方案。
方案三:
直流恒流源四线测量微小电阻
四线测量是将恒流源电流流入被测电阻R的两根电流线和数字万用表电压测量端的两根电压线分离开,使得数字万用表测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压,如图3所
图3
从图中可以看出,四线测量法比通常的测量法多了两根馈线,断开了电压测量端与恒流源两端连线。
由于电压测量端与恒流源端断开,恒流源与被测电阻Rx、馈线RL1、RL2构成一个回路。
送至电压测量端的电压只有Rx两端的电压,馈线RL1、RL2电压没有送至电压测量端。
因此,馈线电阻RL1和RL2对测量结果没有影响。
馈线电阻RL3和RL4对测量有影响,但影响很小,由于数字万用表的输入阻抗(MΩ级)远大于馈线电阻(Ω级),所以,四线测量法测量小电阻的准确度很高。
不过,四线测量中的恒流源电流的精确度非常关键。
建议采用外加的更稳定的恒流源电流;应注意的是,外加的恒流源电流的大小要与数字万用表恒流源电流的大小相等。
我们采用的外加的恒流源电流由高精密基准电压MAX6250、运放及扩流复合管组成,如图3所示。
电压源MAX6250的温漂≤2ppm/℃,时漂ΔVout/t=20ppm/1000h。
将获得的小电压信号进行信号调理放大。
然后进行信号采集和A/D转换,最后显示测量结果
框图如图
由于恒流源测量小电阻方案原理相对简单且制作简易产生的信号较稳定,因此本设计采用本方案。
2.2.2跟随放大电路模块
方案一:
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
但缺点是输出电流小;大电流输出,一般还得采用三极管做输出级,三极管构成的跟随器,虽然和普通运放比,输入输出阻抗性能都不好,跟随器性能差,但输出电流大。
电路的一级放大电路是
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