手寫繪圖板(G題)

1、2013年全國大學生電子設計競賽XXXXXXXXXXXXX（X題）【XX組】2013年9月x日I摘 要 隨著電子技術的迅猛發(fā)展，觸摸設備越來越多的走進了我們的生活，本文介紹了用覆銅板做手寫繪圖板的基本原理。給出了微小電阻測量法，微小信號放大的方法，以及由于導線電路引起的電壓誤差的減小方法。以及用軟件進行系統(tǒng)初始矯正的程序。本系統(tǒng)通過用高精度，低偏置電壓的運放OPA2227，將覆銅板上微小的分壓放大，在經過AD采集，由STM32進行處理和計算，從而得到覆銅板上任意一點的坐標，其精度在A區(qū)誤差為3mm，在B區(qū)為5mm。并可實現(xiàn)畫圓的功能。顯示部分用LCD12864來顯示，可以檢測接觸，顯示坐標和象

2、限。在實際的系統(tǒng)中由于電壓的不穩(wěn)定性，和導線的影響，我們又引入了電阻補償，軟件矯正的方法。極大的減小了誤差。關鍵詞：STM32單片機 微小信號放大 AD轉換 電壓補償 運放OPA2227U目 錄1系統(tǒng)方案11.1 測量模塊的論證與選擇11.2 電源模塊的論證與選擇11.3 顯示模塊的論證與選擇1 1.3 顯示模塊的論證與選擇.12系統(tǒng)理論分析與計算12.1 坐標點測量方法的分析12.2 誤差分析與矯正方法的計算12.3 低功耗設計方法的計算23電路與程序設計23.1電路的設計23.1.1系統(tǒng)總體框圖23.1.2 電源子系統(tǒng)框圖與電路原理圖23.1.3 測量電路系統(tǒng)框圖與電路原理圖23.1.5

3、運放電路系統(tǒng)框圖與電路原理圖2 3.1.6 單片機最小系統(tǒng)框圖與電路原理圖.23.2程序的設計23.2.1程序功能描述與設計思路23.2.2程序流程圖34測試方案與測試結果34.1測試方案34.2 測試結果及分析34.21測試結果(數(shù)據(jù))34.2.2測試分析與結論4附錄1：電路原理圖5附錄2：源程序6XXXXXXXX（X題）【XX組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由測量模塊、電源模塊，顯示模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 測量模塊的論證與選擇方案一：將覆銅板的一端看做地，則覆銅板內任意一點與端點存在電阻，將覆銅板接入電橋，通過判斷每一點的電阻值大小，來確定每一點的相對位

4、置。其仿真如下（圖1），當改變測量點的位置時，其電阻分壓通過后級運放有明顯變化。該方案優(yōu)點如是功耗小，不用外界電源接入覆銅板。缺點是復雜，不宜調試調試。 圖1 橋式電路仿真 方案二：通過分析覆銅板橫向和縱向接入電路時，內部的等勢面大致如圖（橫向圖2，縱向圖3）所示：利用此原理可測得覆銅板內任意一點的電位，進而判斷其位置。 圖2 圖3雖然方電橋法功耗較低，調試較為復雜，也不易精確確定某個點的位置。相比之下，方案二思路簡單，調試方便，配以低偏置電壓運放和高精度A/D可以達到測量要求。綜合以上二種方案，選擇方案二。1.2 電源模塊的論證與選擇方案一：采用7805等穩(wěn)壓芯片，特點是電路簡單，但難以滿足

5、較大電流。方案二：12V到5V采用LM2576開關穩(wěn)壓芯片，電壓穩(wěn)定主要給單片機供電。 12V轉3.5V（圖5）為測量電路提供電源，要求有較大的輸出電流，電壓穩(wěn)定性要高，因此用13005做的線性電源。由于高精度低偏置電壓OPA2227需要+5v，-5v 供電，因此用TI公司的TPS60400做負壓產生。綜合以上二種方案，選擇方案二。1.3 顯示模塊的論證與選擇方案一：采用字符型LCD1602液晶顯示器。微功耗、尺寸小，超薄輕巧，價格便宜，但顯示信息量較少，僅限于字符，不能顯示圖形，難以滿足設計需求。方案二：采用無字庫LCD12864，12864是128*64點陣液晶模塊，控制器為 KS0108

6、或兼容 ST7920 T6963C 。12864顯示信息量大、字跡清晰、穩(wěn)定，美觀、視覺舒適低功耗，能夠顯示圖形。系統(tǒng)選擇方案二，可以用中文LCD2864液晶進行豐富的菜單顯示，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。1.3 單片機的論證與選擇方案一：使用STC12c887，電路簡單，運算速度低，內置AD位數(shù)低，難以滿足要求。方案二：在整個電路中，電阻計算,坐標位置顯示，和上電校驗等復雜任務的處理都要依靠單片機來完成，所以采用一款我們熟煉，可靠，高運算性能的單片機，是保證我們完成整個任務的基石，在眾多優(yōu)秀芯片中STM系列較好，他們都采用高密度非易失性存儲器技術制造。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，

7、亦適于常規(guī)編程器，在單芯片上，擁有靈巧的32 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用，且價格相比同類產品非常便宜，具有很高的性價比功能強大、應用成熟，可以更好的完成任務。所以在系統(tǒng)我們采用我們常用的高性能微控制器STM32。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 坐標點測量方法的分析與計算 用分壓法，分壓即電阻串聯(lián)分壓，在電路中被測覆銅板將和已知電阻R1串聯(lián)，R1的阻值為100歐，經測試，當電壓為3.5V時，整個覆銅板的總壓降約為1mv,經過高精度低偏置運算放大器OPA2227放大，其放大倍數(shù)為 R2/(R1+R1)* = 500則氣壓將為理論為500 mv,但是由于覆

8、銅板的電阻太小，加上后部導線的影響，其兩端壓降約為260mv。經過調整后的STM32內部AD可達16位完全可滿足要。 確定坐標時分別兩步，首先將覆銅板接入如圖3電路，其等勢面可確定，即電勢從左到右依次減小，理想情況下，在一定范圍內，從上到下可近似認為相等。經實際測量確實符合這一規(guī)律。則取銅板內一點，測其點位就可以確定點的橫坐標。第二，再通過控制電路繼電器控制電路將電極轉變（如圖4），理想情況下，在一定范圍內橫向上可以認為電勢近似相等，從上到下依次遞減。再測這一點的電位便可確定其縱坐標。以上分析均在理想情況下進行的，實際測量時可能存在誤差，需要矯正與調整。 根據(jù)理論計算結果，測量電路的總電流約為

9、350mA，而覆銅板的壓降放大500 倍后約為260mv,銅板的電阻為V/500/350= 0.0014歐，橫向時每10mm的距離壓降為35mv經16位AD采樣完全可以滿足3mm的精度。2.2 誤差分析與矯正方法分析與計算 在實際測量時，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主要存在三方面的誤差。 第一，由于覆銅板兩端點的導線長度不可能完全相等，而且還要加入繼電器轉換電路，致使覆銅板兩端的電位存在誤差。解決辦法是在電位較低的一段前加入電阻補償，使其產生壓降，這樣既可調節(jié)使兩端點位相同。本系統(tǒng)采用加入康銅絲的方法。 第二，由于銅板內部的銅分布不均，導致內部等勢面變形，在銅板的邊緣部分這種變形尤為明顯，在靠近中心的部分，這種現(xiàn)

10、象不顯著。因此需要實際的測量一些數(shù)據(jù)，當檢測邊緣地帶時進行軟件的補償。 第三，由于電源隨機性，上電時的輸出電壓不那么穩(wěn)，導致每次測量時同一點的電位有差別，雖然只是幾個毫伏，但經過運放的處理，誤差非常明顯，但是任意兩點間的差值比較穩(wěn)定。解決辦法為在測量前加入矯正環(huán)節(jié)，具體是先測量一組數(shù)據(jù)存入單片機，當上電時檢測指定點的電壓,在與單片機內存儲的數(shù)據(jù)進行比對，從而確定差值，再在以后每一個數(shù)據(jù)上加上或者減去這一差值既可得到較為準確的數(shù)據(jù)。 2.3 低功耗設計的分析與計算 本系統(tǒng)的采用電阻分壓的方法進行測量。從理論上分析，若想要得到較為大的分壓值就需要較大的電流，但這樣又增加了系統(tǒng)的功耗。進行多級放大可

11、以解決之一問題，即在較小的電流下得到較小的壓差，在經過第二級的放大。是這一差別更加顯著，從而提高了精度，降低了功耗。 系統(tǒng)功耗的計算：W = U*I,其中U為加在系統(tǒng)上的總電壓，I為流過系統(tǒng)的總電流，I = I1 +I2，I1為單片機部分消耗的電流，大約為200mA，I2為測量電路消耗的電流，大約為300mA，這樣系統(tǒng)的總功耗約為5W。3電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖4所示圖4 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 電源模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、12V到5V電路原理圖 采用LM2576開關穩(wěn)壓芯片，電壓穩(wěn)定主要給單片機供電。 圖5 12V到5V子系統(tǒng)電路2、12V轉

12、3.5V子系統(tǒng)電路 12V轉3.5V（圖5）為測量電路提供電源，要求有較大的輸出電流，電壓穩(wěn)定性要高，因此用13005做的線性電源。 圖5 12V轉3.5V子系統(tǒng)電路2、5V到-5，+5V子系統(tǒng)框圖與電路原理圖由于高精度低偏置電壓OPA2227需要+5v，-5v 供電，因此用TI公司的TPS60400做負壓產生，如右圖。:3.1 3測量電路子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 測量電路專門為檢測覆銅板電位而設計，由于覆銅板的整體電阻很小，必須在測量回路中加以較大的電流才會得到明顯的電壓輸出，選用3.5V與10歐電阻串聯(lián)，在滿足精度的前提下盡量降低功耗。由于確定覆銅板內某一點位置時要變換覆銅板兩側電極，就需要

13、一組繼電器電路來控制轉換。3.14 運放電路子系統(tǒng)框圖與電路原理圖測量電路中，覆銅板的整體壓降僅為1mv左右，為了提高精度，必須采用高精度，低偏置運算放大器，本系統(tǒng)采用的是OPA2227，原理圖如右圖所示。3.15 單片機最小系統(tǒng)子系統(tǒng)框圖與電路原理圖STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能，是16位產品

14、用戶的最佳選擇。兩個系列都內置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產品，相當于0.5mA/MHz。在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導體已經推出STM32基本型系列、增強型系列、USB基本型系列、增強型系列；新系列產品沿用增強型系列的72MHz處理頻率。內存包括64KB到256KB閃存和 20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三種封裝，不同的封裝保持引腳排列一致性，結合STM32平臺的設計理

15、念，開發(fā)人員通過選擇產品可重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應用需求。STM32F0 系列產品基于超低功耗的 ARM Cortex-M0 處理器內核，整合增強的技術和功能，瞄準超低成本預算的應用。該系列微控制器縮短了采用 8 位和 16 位微控制器的設備與采用 32 位微控制器的設備之間的性能差距，能夠在經濟型用戶終端產品上實現(xiàn)先進且復雜的功能。系統(tǒng)采用STM32F103C3。3.2程序的設計3.2.1程序功能描述與設計思路單片機上電進行初始化，由于要減小誤差，必須進行初始系統(tǒng)的矯正，程序有自動監(jiān)測矯正成功與否的設置。若不成功就繼續(xù)進行矯正，若成功則馬上采集X

16、軸的數(shù)據(jù)，采集完畢，用單片機控制測量電路的轉換，進行Y軸的測量與轉化。當以上兩步完畢后，啟動液晶顯示程序，顯示坐標，象限等相關數(shù)據(jù)。一個周期的采集完畢后，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，等待下一次的測量。3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖4測試方案與測試結果4.1測試方案 首先檢查利用仿真軟件進行功能仿真，從理論上進行分析計算，用MATLAB對覆銅板的電位分布進行繪圖，確保方案的可行性，有了理論 的保障，才能進行實際操作與測量。1.首先用理想的電源，在理想的狀態(tài)下進行測試，測出橫縱坐標的電壓值。2.接入實際的電路進行測量，把測量的數(shù)據(jù)與理想狀態(tài)下進行比對，查找出誤差的原因， 進一步采取措施減小誤差。 3.

17、將硬件誤差調至最低，為進一步提高精度進行軟件補償。 4.2 測試結果及分析4.2.1測試結果(數(shù)據(jù))測試方法：在X軸-6到6，Y軸-4到4之間實際測量，沒5MM一個刻度起家而過如下表。 表1 X軸：R=10,U=3.5（室溫下）坐標6 543210-1- 2 -3-4 -5-6U/mv800784678748727708688666646627610 592577在橫向通電下，列的電壓值大致相同。 表2 Y軸：R =10，U =3.5（室溫下）坐標6543210-1-2-3-4-5-6電位差1371048065544949547292122164190在縱向通電下，每一列存在壓差且近似均勻分布

18、 表3 Y軸：Y = 0，X=6到-6 R=10,U=3.5（室溫下）坐標6 543210-1- 2 -3-4 -5-6U/mv6056056605603603601600599597596595 594593由上表可知，在橫向通電時可確定某一列，在縱向通電時科確定哪一行，進而確定點的坐標。另外MATLAB做出其數(shù)學模型（圖9，圖10） 圖9 Y軸模型 圖10 Y軸模型 4.3.2測試分析與結論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結論：1. 通過實際使用測試，和對測量數(shù)據(jù)的分析，橫向每10mm的電壓差為10-20mv，在A區(qū)電壓差大，兩側小。2. 縱向每10mm有5到10mv 的變化，在A區(qū)壓差下，

19、邊緣壓差大。3. 通過16位AD采樣可以完成5mm到3mm的誤差范圍，并能準確顯示象限，又有畫圓的功能。4. 綜上所述，本設計達到基本要求，兩項發(fā)揮要求。4.4 總結 儀器類的作品往往各方面都具有嚴格的要求，尤其是精確度這方面，所以高精度是我們在設計整個電路時的基本原則，所以在作品在最終測試時，確實在這一塊發(fā)揮很好，達到我們預計結果。我們在完成題目基本要求的同時，還對功能做了擴展，做了良好的人機交互界面，使其更具實用性。 能夠完成整個作品的制作與我們豐富的理論知識與優(yōu)秀的動手能力和有好的合作是分不開的，我想我們已經準備好迎接更多更大挑戰(zhàn)。 參考文獻：信號與系統(tǒng)，沈元隆 周井全編，北京：人民郵電

20、出版社，2007年；C程序設計，譚浩強著，北京：清華大學，2005年；電子技術基礎-模擬部分，康華光編，北京：高等教育出版社，2006年；電子技術基礎-數(shù)字部分，康華光編，北京：高等教育出版社，2006年；單片機原理及應用，李建忠著，西安：西安電子科技大學，2002 年；晶體管電路設計，鈴木雅臣著，北京：科學出版社，2006年；15附錄1：電路原理圖（部分）附錄2：源程序(部分) 文件名稱: 電子設計大賽 手寫繪圖* 開發(fā)應用芯片；STM32F103ZET6* 開發(fā)平臺： KEIL 4.12* 日期： 2013095*/#include "stm32f10x.h"#incl

21、ude "1602.h"#include "12864.h"#include "delay.h"#include "sys.h"#include "wrup.h"#include <math.h>const u8 num10=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;/ 數(shù)字顯示代碼u8 dis6;u16 ad;u32 tempu32 = 0;u8 gototime = 0;u8 time = 0;float pianyi_X,pianyi_Y;float caiyang1;float

22、 caiyang2;float caiyang3;float caiyang4;u8 jdq1_flag=0;/繼電器1允許標志位u8 jdq2_flag=0;/繼電器2允許標志位typedef enum FAILED = 0, PASSED = !FAILED areaStatus;/typedef enum one,two,three,four quatationStatus;typedef struct u16 xval; /X軸電壓 u16 yval; /y軸電壓 float xvalue; /x 坐標值 float yvalue; /y 坐標值 areaStatus x_xiansh

23、i; /x符號 areaStatus y_xianshi; /y符號 XYAttitude;XYAttitude Attiude;#define jdq1_1 GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_5 #define jdq1_0 GPIOA->BRR = GPIO_Pin_5/A5#define jdq2_1 GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_6/A6#define jdq2_0 GPIOA->BRR = GPIO_Pin_6void RCC_Configuration(void);void NVIC_Configuration(void);voi

24、d Delay(_IO uint32_t nCount);void GPIO_Configuration(void);void dis_x(u16 x_v);void dis_y(u16 y_v);/u16 GetVolt(u16 advalue) / / return (u16)(advalue * 330 / 4096); /求的結果擴大了100倍，方便下面求出小數(shù)/ /*求平均值函數(shù)*/void filter(void)/ int sum = 0;/u8 count;/u8 i; / for(i=0;i<3;i+)/ / for ( count=0;count<N;count

25、+)/ / sum += AD_Valuecounti;/ / After_filteri=sum/N;/ sum=0;/ / void disp_v(float valye) u8 s; u16 adcx; u16 t; adcx=valye; valye-=adcx; t=10000*valye; dis0=adcx/10+0x30; dis1=adcx%10+0x30; dis2='.' dis3=t/1000+0x30; dis4=t%1000/100+0x30; dis5=t%1000%100/10+0x30; LCD_Write(LCD_Write_Con_Cmd,

26、 0x93); for(s=0;s<6;s+) LCD_Write(LCD_Write_Dis_Data, diss); int get_mv(float mv) u16 adcx; u16 t; adcx=mv; mv-=adcx; t=10000*mv; return(t/1000)*100+(t%1000/100)*10+(t%1000%100/10);void display_location(float mv,areaStatus flag) /顯示X坐標 u16 adcx; u16 t; u8 s; u8 dis5; adcx=mv; mv-=adcx; t=10000*mv

27、; dis1=adcx%10+0x30; dis2='.' dis3=t/1000+0x30; dis4=t%1000/100+0x30; if(flag=FAILED) dis0='-' else dis0='+' LCD_Write(LCD_Write_Con_Cmd, 0x9b); for(s=0;s<5;s+) LCD_Write(LCD_Write_Dis_Data, diss); void display_loca(float mv,areaStatus flag) /顯示y坐標 u16 adcx; u16 t; u8 s; u

28、8 dis5; adcx=mv; mv-=adcx; t=10000*mv; dis1=adcx%10+0x30; dis2='.' dis3=t/1000+0x30; dis4=t%1000/100+0x30; if(flag=FAILED) dis0='-' else dis0='+' LCD_Write(LCD_Write_Con_Cmd, 0x9d); for(s=0;s<5;s+) LCD_Write(LCD_Write_Dis_Data, diss); int caiyang(void) u16 i; for(i = 0;i &

29、lt; 256;i+) /根據(jù)過采樣技術，每提高一位AD分辨率，需要增加4倍的采樣率；從12位AD分辨率增加到16位AD分辨率，即增加4位，所以需要增加256倍的采樣率 gototime = 0; TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); /開啟時鐘 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); /軟件啟動ADC轉換 while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ); /等待轉換結束 ad = 0;ad = ADC_GetConversionValue(ADC1); /讀取ADC值 tempu32 += ad; /累加 while(gototime = 0); /延時：390.5us。采樣率：10/秒 TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); /關閉時鐘 ad = tempu32 >> 8; /16位分辨率,累加值右移4位