全国电子设计大赛手写绘图板竞赛论文.docx
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全国电子设计大赛手写绘图板竞赛论文
2013年全国大学生电子设计大赛
手写绘图板（本科组 G题）设计报告
【摘要】手写绘图板系统主要包括电源模块、恒流源模块、微弱信号检测模块、ＭＣＵ控制模块和ＴＦＴ触摸显示模块。
电源给系统的各个模块提供稳定的电源，恒流源给铜板X，Y轴分别加恒定的电流，微弱信号检测模块检测铜板上微小的电压变化并处理这些信号，ＭＣＵ通过控制继电器控制恒流源模块给铜板提供电流，并控制微弱信号检测模块分别采样Ｘ轴的电压值和Ｙ轴的电压值。
当ＭＣＵ控制继电器给铜板的Ｘ轴、Ｙ轴加上电流后，触笔接触到铜板并滑动，由于铜板不同点对公共端的阻抗不一样，所以铜板上有很微弱的电压变化，通过微弱信号检测模块检测处理，然后进行ＡＤ采集。
再通过ＭＣＵ进行一系列的计算，得出Ｘ、Ｙ坐标值并通过ＴＦＴ触摸显示模块显示出来。
【关键词】恒流源，微弱信号检测，STM32最小系统，触摸显示屏；
1前言
1.1设计的背景及意义
目前，随着电子工业的发展，手写绘图板的种类、数量逐渐扩增，适用范围越来越广泛。
另外，随着电子技术的发展，市场上各种手写绘图板功能的多样化，目前人们对绘图板的需求需求量越来越高，因此设计可靠，安全，便捷，精度更高的手写绘图板具有广泛的使用价值和应用前景。
1.2设计要求
利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。
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6cm × 4cm（高精度区A）和12 cm ×8cm（一般精度区B）
1、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。
2.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，绝对误差不大于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。
1.3本设计所作的工作
本设计是基于STM32搭建的基本应用电路，将铜板的各点的电压值经计算转化成ＴＦＴ的相应坐标，在采样时显示出来，所以，本次设计需要做好以下工作：
（1）学习STM32、模电数电的原理等。
（2）学习DXP09、KeilC等工具软件的使用方法。
（3）设计测量ＴＦＴ动态显示电路。
（4）设计测量恒流源，STM32最小系统及相应程序。
（5）用DXP09软件绘制电原理图和印刷电路版图，编写程序。
（6）调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。
（7）撰写设计论文。
2方案比较与方案选定
2.1恒流源方案设计与比较
方案一：
用线性稳压芯片7805,7905直接输出+-5V电压
图2.1-1压原理图
方案二：
采用开关电源芯片
图2.1-2开关电源电路
方案一电路优点：
电路结构简单，芯片常见。
方案一电路缺点：
电路直接从+-12V接入稳压到+-5V，电源效率相对于开关电源较低，而且输出电源滤波效果差，不能用于小信号检测。
对信号检测产生很大的不良影响。
所以采用方案二。
2.2铜板采样方案论证比较
方案一：
采用电压加载法：
把电压加载到铜板两端，测量铜板上采样点的电势即采样点的电压值。
方案二：
采用电流加载法：
通过恒流源产生电流加载到铜板，测试铜板的各点电压值。
方案一理论上可行，但是实际铜板电阻率很低，所以只能加载很小的电压，否则与铜板连接相当于短路。
所以方案一在实际操作中很难检测出电压值。
而方案二采用大电流加载使铜板的电压稍微增大，再通过放大器处理，可以使AD采样出铜板各点的电压值。
2.3微弱信号检测电路论证比较
方案一:
直接采用单输入同相放大器。
此方案电路简单易于调试，但是单输入同相放大器的工模抑制不好，而且放大倍数受到运算放大器性能的影响，很难检测得到铜板上的微弱信号。
图2.3-1同相放大器电路
方案二:
采用差分输入放大和多级放大电路级联。
差分输入放大和多级放
具有很高的共模抑制比，切只要有变化就能通过差分输入后的放大器把变化的压降放大。
很容易检测到铜板上的微弱信号。
图2.3-2差分电路与多级放大电路级联电路
方案一相对于方案二电路过于简单，且放大的倍数受芯片制约，小信号滤波效果差，精度低。
而方案二中，采用差分输入使共模抑制比越大，信号质量越好。
采用多级放大，各级之间低通滤波。
所以采用方案二。
2.4ＴＦＴ显示最小系统搭建方案设计
系统必须完成绘图功能，我们采用2.4寸液晶触摸屏屏幕作为显示。
别且能实现触摸按键等扩展功能。
主控芯片选择ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６。
2.5低功耗设计
（１）系统采用了PWM波控制液晶屏亮度，极大的减少了功耗；
（２）微弱信号检测电路采用低功耗运放，减少了该电路的功率消耗；
（３）由于采用线性电源，当压差大的时候功耗比较大，所以利用开关电源ＬＭ２５９６先把１２ｖ的输入电压降到６ｖ；
（４）采用高性能，低压降，低功耗的凌力尔特芯片ＬＴ１１７５和ＬＴ１１１７５作为正负５ｖ的稳压电源；
（５）恒流源的采样电阻使用的是三个０.２５欧的功率电阻并联，使得功耗降低；
（６）本系统使用了继电器作为切换开光，消耗有点大，所以利用程序控制当触笔没有按下的时候继电器处于常闭状态；
3系统框架设计
通过给铜板X，Y轴分别加恒流源，使铜板在不同区域可以检测到不同的电压值，电压值呈线性增长。
本系统是基于STM32搭建的基本应用电路，表笔采样铜板各点X，Y轴的电压值经由AD转化成ＴＦＴ显示的相应坐标。
图3-1系统框架图
3.1系统供电部分电路设计
本题要求供电电源是单电源12V；但是系统的小信号放大电路部分的放大器需要正负电压供电，而且这个电源必须是低纹波的，所以不能直接用稳压源提供的电源供电，得经过DC-DC变换电路。
经过方案的讨论，现需要以下几种供电电源：
（1）输入降压；
（2）模拟正5V；
（3）模拟负5V；
（4）数字正5V；
（5）恒流源电路。
3.1.1输入电压第一级稳压
考虑到电压的低纹波，所以采用线性电源进行稳压。
但是线性电源在高压差工作的时候功耗太大；所以先采用开关电源把输入电压降下来。
选用LM2596-adj进行降压处理。
把电压从+12V降到+5.9V。
可以大大降低电源板的功耗。
输入电压降压电路如图３.１－１。
图3.1-1输入电压降压电路
3.1.2模拟正5V
这个电源需要满足以下几个条件：
（1）需要高精度的低纹波电源；
（2）系统有低功耗的要求；（3）电流估计小于100mA。
综合以上要求，现采用凌力尔特公司的800mA低压差正稳压器LT1117-5。
模拟正５Ｖ电路如图３.１－２ 。
图3.1-2：
模拟正5V电路
3.1.3模拟负5V
这个电源需要满足以下几个条件：
（1）需要高精度的低纹波电源；
（2）系统有低功耗的要求；
（3）电流估计小于100mA；
（4）输出负电压。
综合以上要求，现采用凌力尔特公司的500mA低压差负稳压器LT117-5。
但是这个芯片的输入电压是负电压，所以前级还得加上正负电压变换电路；采用可用于升压变换器、降压变换器、反向器的MC34063的反向功能把正电压变换为负电压；MC34063的输出电压可调节R5来完成，选用R5=5.6k得到输出电压-5.9V。
模拟负５Ｖ电路如图３.１－３。
图3.1-3模拟-5V电路
3.1.4恒流源电路
方案采用在普通的覆铜板两端加上恒流源的方式来检测触点的位置。
由于普通的覆铜板的电阻率非常低，为了方便测量，电流是愈大愈好，但是考虑到系统的功耗问题，电流也不能太大。
为了提高电源利用率采用开关型稳压芯片LM2596来制作恒流源。
LM2596采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高；输出电流可高达3A；输出电流可高达3A；由于材料的问题，用3个１W0.２５欧姆的电阻并联得到0.0８欧姆的采样电阻，这样可以降低一部分系统功耗。
再经过LM358把采样电压放大作为LM2596的反馈电压来调节输出电流。
从而实现恒流的功能。
图３.１.４恒流源电路
3.1.5.电路板PCB布局布线
考虑到电路板的电磁场兼容性、抗干扰的问题；走线要短，交叉要少，电源、地的路径及去耦，模拟和数字电源分开布局，大面积覆铜。
现把电源分为以下几个部分布局布线：
（1）输入降压；
（2）数字正5V；（3）恒流源电路；（4）模拟正5V、负5V。
并且四个部分分开布线。
为了使电源的抗干扰能力更强，精度更高，采用双面板制作。
ＰＣＢ图见【附录一】
3.2继电器电路
求覆铜板的坐标是二维的，得同时求出触点的X、Y坐标。
那么就得切换加在覆铜板上的电压极性来求得坐标。
考虑到调试难度和材料的限制，采用继电器来控制。
但是需要快速的切换速度和低的导通电阻。
用一般继电器是达不到要求的，现采用小体积，高速（实测50Hz可以正常工作），低导通电阻（最大0.1欧姆）的G6K_2F_Y5VDC。
在覆铜板的四个引脚上的电压有两个是固定的高低电压，另外两个的电压相互切换系统就可以工作，但是考虑到阻抗匹配，在电路中四根导线的长度和材料应尽量相同，所以在不用切换的两个电极也加上也加上继电器（为了使每根导线都加上0.1欧姆的电阻）。
在输出到覆铜板上的引线采用直径2.5MM的漆包线，能提高电流传输能力，并减少传输线上的电压降。
继电器原理图如图３.２。
ＰＣＢ见【附录二】。
图３.２ 继电器原理图
3.3铜板坐标测量方法
先给铜板制定坐标，15cm长的方向为Y轴，10cm长的方向为X轴。
然后制定12cm×8cm为一般精度区，6cm×4cm为高精度区。
测量X轴：
给长15cm铜板两端加正极，相对应的加负极。
恒流源通过铜板导通，表笔在铜板上面的不同位置可以测得不同的电压值，再转换成X轴相应的ＴＦＴ坐标。
测量Y轴：
给长10cm铜板两端加正极，相对应的加负极。
恒流源通过铜板导通，表笔在铜板上面的不同位置可以测得不同的电压值，再转换成Y轴相应的ＴＦＴ坐标。
3.4微弱信号电路设计
图3.3-1微弱信号电路
微弱信号的电压幅度在10uv到200uv，必须放大信号幅度来检测。
信号由芯片1N2141差放输入，通过短接ja，ja和jb，jb从而达到100倍的增益。
因为输出最终是直流信号必须在输入端加限波电路，1N2141的7，8脚输出的电压经过限波电路，使频率降到50Hz以下。
在限波电路后面经0P747差放输入，使输出再增大一百倍。
再由OP747经过两级低通滤波器滤掉高频信号。
保证输出更好达到直流要求。
二阶低通滤波电路
本地路采用的是四通道、精密、轨到轨输出放大器，具有微功耗特性的OP747，截止频率为：
F=1/（2πRC）
C64是反馈电容。
在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段反馈的极性不相同，当信号频率f>>ffc（ffc时fc为截止频率）电路的每级RC电路的相移趋于-90，两级RC电路的移相到-180，电路的输出电压与输入电压的相位相反，故此时通过电容C64引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号将起着削弱输入信号的作用使电压放大倍数减小所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减只允许低频端信号通过。
图3.3-2同相放大电路
两级低通输出再有TL072同相放大100倍,输出给A/D采集。
放大倍数为：
Av=1+R115/R114
3.5STM32最小系统
ＳＴＭ３２最小系统图见【附录三】。
4程序设计
4.1程序流程图
程序流程图如图４.１
5系统测试
5.1测试原理
以STM32为核心的系统设计，将位置的测量转化为电压值的测量。
实现铜板上坐标的测量。
给铜板的横纵轴分别加恒流源，铜板在不同区域检测到不同的值，各点采样值通过AD把模拟信号转换为数字信号，获得采样值可知采样点在铜板上的相应位置，再经ＬＣＤ显示。
测试的主要模块为手写绘图板模块。
5.2测试方法
给铜板X，Y轴分别加恒流源，取铜板上的点作为测试点。
在测试时将被测参数通过本系统测量出来的示值与标准值进行对比，得到本系统的测量精度。
测试仪器为示波器和五位半万用表。
5.3测试结果
根据测量结果对设计进一步进行校正和对实现功能的可靠性的确认。
测试结果如下：
图5.3.1液晶显示效果
表1测试数据
ｘ＼ｙ
-3．０
-2．０
-1．０
0
1
2
3
单位：
ｃｍ
-2
3510，1640
3430，1810
3350,2010
3350,2010
3280,2590
3340,2790
-1
3330，1630
3260，1820
3200,2010
3110,2390
3100,2590
3110,2770
0
1
2910,1650
2890，1850
2850,2010
2700,2390
2640,2590
2570,2780
2
2730，1670
2740，1850
2710,2040
2550,2420
2440,2620
2280,2820
在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法等都对测试值有一定的影响，都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值。
为了减小本设计中误差的大小，主要利用修正的方法来减小本测试仪的测量误差。
所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中，求取某类系统误差的修正值。
在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键，修正值的获得有三种途径。
第一种途径是从相关资料中查取；第二种途径是通过理论推导求取；第三种途径是通过实验求取。
6结论
本手写绘图板系统采用了创新的测绘方案，利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。
经过测试，本系统达到基本要求的指示功能，表笔接触铜箔表面时，能给出明确显示；能正确显示触点位于纵坐标左右位置；能正确显示触点四象限位置；能正确显示坐标值；显示坐标值的分辨率为10mm， 绝对误差不大于5mm。
另外，本系统还采用低功耗设计，在表笔不接触铜板时，系统功率为 １.２９６ｗ；在表笔接触铜板时功率为１.４２８Ｗ，达到了低功耗设计的要求。
功耗为总电流乘12V，功耗等于或小于1.5W。
7参考文献
[1]王卫东．模拟电子技术基础．电子工业出版社，2010.7.
[2]阎石王红．数字电子技术基础．高等教育出版社，2006.10.
8附录
附录一
PCB部分
附录二
继电器PCB
附录三
STM32最小系统
升级会员 