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
2、 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 系统理论分析与计算 .52.1 坐标点测量方案 .52.1.1 .52.1.2 .52.1.3 .52.2 误差的计算与分析 .52.2.1 XXX .52.2.2 XXX .62.2.3 XXX .62.3 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 XXX .62.3.3
3、XXX .63 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
4、、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
5、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
6、 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
7、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-12864 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、
8、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
9、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 2.3.1 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125m
10、A,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*（0.125/1
11、5）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/ （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，70-80
12、ma 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
13、-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)的电流也大幅增大， Rs(Rcl)的电也增大。但一旦 Rs(Rcl)电压
14、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，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
