2022年电子方案竞赛一等奖报告手写绘图板罗登覃元元吴旭峰 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用手写绘图板摘要：设计了一种基于MSP430F149的手写绘图输入设备。系统以MSP430为主控器，以高精度AD 采样电路、精密恒流源电路、微弱电阻测量电路为外围辅助电路，能检测表笔与铜箔的接触，测量触点位置，并实现了手写绘图、显示文字的功能。系统使用普通覆铜板作为绘图板，利用四线法测量微弱电阻来确定坐标，本系统考虑到低功耗要求，整机功耗1.3W，坐标测量分辨率4mm，绝对误差小于 2mm，测量准确、系统稳定，效果比较满意。关键词：手写绘图板； MSP430 F149；精密恒流源；微弱电阻测量；高精度AD 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

2、 - - - - - -第 1 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用一、系统方案1.1 方案比较与选择微小电阻测量实现方案方案一：大脉冲电流测量法。产生脉冲电流源，流过普通覆铜板后，通过测量普通覆铜板上的最大压降，确定坐标位置。方案二：精密直流恒流源测量法。产生精密恒流源，流过普通覆铜板，产生恒定压降，通过测量电压确定坐标位置。方案三：精密交流电流源。产生交流电流输出，流过普通覆铜板后，产生特定频率的正弦电压，通过锁相放大的方法排除噪声的干扰，实现微弱电压信号的提取，进而确定坐标位置。方案二实现起来较为简单，方案一能够减小功耗，但是脉冲电流可能引入较大的噪声，影响测量精度，而且控制相对复杂

3、，方案三实现起来较为复杂。考虑到题目中坐标测量分辨率为6mm时，绝对误差不大于3mm，方案二能够满足要求，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用1.2 系统结构本系统以 MSP430 为核心处理器，通过对ADC、MOS 开关、 12864LCD 显示屏的控制，检测表笔与铜箔的接触，测量触点位置，实现了手写绘图、显示文字的功能，达到手写绘图板的基本技术要求。如图1 所示，本系统主要由电压信号调理电路、高精度AD 采样电路、精密恒流源电路、MSP430处理模块和12864 LCD 显示屏构成。由精密

4、恒流源输出1A 的恒定电流，通过开关控制电流流入普通覆铜板的方向，将表笔两端的压降通过INA118 仪表放大器将mV 级电压信号放大至V 级，之后经过 ADS8317 采样，经过 MSP430处理，将对应的坐标值以及图形、文字显示在LCD 屏上。二、理论分析与计算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用2.1 坐标点测量方法测量坐标值，可以等效为测量微弱电阻值，如图2 所示，T 是表笔测试端子， A、B、C、D 是覆铜板的 4 个顶角；当覆铜板上A、C两点之间流过恒定电流时，覆铜板各点之间会产生恒

5、定的压降，其等势线如图2所示。考虑到覆铜板是二维平面，等势线上各点电压相等，所以仅仅测量T 点与覆铜板某个顶角两点之间的压降，无法确定唯一坐标。因此，可以测量T 点和 B 点、T 点和 C 点之间的恒定电压降 U1、U2）。对于每一个坐标值，都有唯一的一组电压降U1、U2）与之对应，即有唯一的一组电阻值 R1、R2）与之对应，这样便可以确定唯一坐标。通常电阻值的测量采用两线法，但由于导线电阻会引入很大误差。故对于微弱电阻的测量采用四线法，可以消除导线电阻的影响。如图3所示 R1R4为 4根测量导线的电阻值，由于流过Rx 的电流是恒定的Is，所以 Rx 两端的电压UX = IS RX为恒定值。这

6、样通过四线制的方法就消除了导线电阻的影响，可以精确测量电阻值，通过一组数据就可以确定唯一坐标。图 2 坐标测量示意图图 3 微弱电阻测量示意图R1R4RxR2R3恒流源I s 测量 电压Um精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用2.2 误差分析影响精确测量直流电压值的原因主要是各种误差源的影响，这些误差源如图 4 误差源示意图覆铜板本身的变化、热电势等。通常这些误差会严重影响微弱电压信号的放大以及测量，因此必须消除或者减小误差源，测量才有意义。实验证明，在弱电阻测量时误差源基本不随测试电流方向变

7、化，因此通过改变测试电流的方向 2 R 由于要控制电流的流向，所以恒流源的负载包括普通覆铜板和开关，如图4图4所示，主要包括：放大电路的温漂、失调、恒流源的漂移 、工频干扰 、R x热电势U 5运放温漂、失调U1恒流源漂移U250H z工频干扰U3覆铜板自身变化U 4+I s 仪表放大器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用所示。普通覆铜板的电阻大小约为50m ，因此需要减小开关的电阻。在本设计中，开关采用 IRF3205，其导通电阻仅为8m ，这样恒流源回路电阻为 : 图 5 恒流源负载示意图

8、恒流源回路上的功耗仅为66mW，成功的避免了大电流带来的大功耗。同时控制中心采用低功耗单片机MSP430，显示屏使用 12864，两者静态功耗仅为 0.2W；仪表放大器选用INA118，其静态电流仅 350uA，采用 5V 供电，功耗仅3.5mW；ADC 采用 5V 供电的 ADS8317，采样率为 10kHz时，功耗仅为 0.5mW。综上通过合理的器件选型与电路设计，能够成功地实现低功耗设计。三、电路与程序设计3.1 主要功能电路设计1）恒流源电路设计恒流源电路如图6 所示，由 AD8571、NPN 管和 TPS5430构成一个大反馈。反馈环较大容易产生振荡，但通过合理的调节参数可以使输出稳

9、定。此电路可以在消耗很小的功率条件下输出最大3A 的电流。输出电流受输入电压的控制，其关系为：本系统将输出电流设计为1A，这样输入电压为0.1V。由于运放采用单电压供电，0.1V 的输入电压相对过小，为保证运放正常工作可以设置偏置电压和采用轨至轨输入运放。本设计采用轨至轨输入运放AD8571，AD8571 的输入电压可以低至0V。AD8571 及 NPN 管的供电电压由稳压芯片提供。2）检测电路设计检测电路如图7 所示，使用高精度低功耗仪放INA118 对表笔两端的电压进行放大，放大倍数设定为1000倍。为了避免工频等其他干扰，输入与输出均接有截至频率约30Hz 的一阶 RC 滤波器。输入输出

10、均有对地10K 的电阻，用于泄放高阻抗节点寄生电容耦合的噪声干扰。R = 50m+ 8m+ 8m= 66m普通覆铜板I s开关开关精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用图 6 恒流源电路图 7 检测电路3）AD 采样电路设计AD 采样电路如图 8 所示，其中 AD8132 全差分运放用于将输入信号由单端输入转换成双端差分输入，以减小噪声的干扰；全差分运放的共模电平和ADC 的基准电压由外部参考源ADR420 电压基准芯片提供。 ADS8317是 16位高精度 ADC，能够满足 6cm x 4cm

11、内，精确测量 3mm 的精度要求。3.2 主要程序设计1）系统程序流程图由于要时刻判断表笔是否接触以及等待着按键的触发，因而整体流程使用循环的模式，在循环中进行AD 采样、状态改变以及液晶的显示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用由于按键的触发需要实时判断，因而采用外部中断的方式来判断按键触发，并在中断中进行按键处理。整体流程图如图9。图 8 AD 采样电路程序开始时，单片机控制不同的IO 口输出不同的电压，从而控制加在覆铜板电流的方向， AD 采样不同坐标处的电压值后，就可以得到每一坐标处

12、两个不同方向电流所对应的电压值，再经过查表得到相应的坐标。图中的五种状态是通过按键触发中断实现转换的，状态一中对读取的坐标值的基本判断，其中的坐标值储存是做的一个扩展功能，当判断接触并且前后两点的误差大于3mm 时，表示此点有效并将此点储存起来；状态二是将坐标值用液晶显示出来并依次连接有效的相邻两点；状态三中连成文字，需要进行接触判断处理，如果画线过程中有表笔没接触的情况，则表示文字的某一笔一划写完，下一点不能与此前的最后一点连接；状态四实现状态一中存储数据的显示；状态五也是做的一个扩展功能，只需确定两点就能够快速的画出一个圆形，第一点确定圆心，第二点与第一点距离确定半径。2）AD 采样消除工

13、频干扰的实现由于输出的直流电平中含有很小的50Hz工频干扰信号，因而单次AD采样得到的值不是一个定值，此时就需要一定的算法来消除此干扰信号。工频干扰信号是一种正弦信号，所以取工频信号的一个周期，并在周期内连续多次采样，求出的平均值就是直流输出电平的值。为了实现此算法，我们先用示波器测得AD采样一次数据花的时间约为60.6 us，因此需要连续采样330次，才能取得一个完整周期 20ms内的所有值。这样处理之后发现AD 采样的值能够很稳定，误差约为1，精度完全满足要求。3）系统校零的实现由于系统的工作电压的微小变化都会引起AD 采样数据的变化，从而会使得到的坐标值有微小的漂移，此时就需要进行系统校

14、零来消除此误差。当按键二按下时，将会触发IO口中断，在中断中进行AD采样，此时将触笔接精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用到坐标中的原点，记录此时的AD采样数值，那么以后的AD采样数值都是在此基础上进行一定的增量、减量计算，再经过上面的坐标值确定算法，就可以比较准确的得到和系统工作电压相关性很小的坐标值。四、测试方案与测试结果及分析4.1 测试仪器1、Tektronix MSO 2002B 型数字示波器2、Agilent U3402A 5 1/2 位双重显示万用表3、NDY EE1420 型

15、DDS 合成函数信号发生器 4、DF1731SL1ATA 直流稳压电源精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用4.2 测试方案1、基本要求测试：检查供电电压是否是单12V 电源供电，将表笔置于坐标4，3）处，检查LCD 屏是否给出正确接触指示，是否正确显示左右位置，是否显示正确象限，记录此时显示的坐标值。2、高精度区测量精度测试：将表笔置于坐标1，1）和 0，0）处，分别记录测量显示的坐标值。3、绘图功能测试：将表笔置于 A 区，画出直径 20mm的圆，检查是否正确显示图形，并记录完成时间。再在

16、A 区内画出直径 12mm 和 8mm 的圆，记录是否正确显示所画的图形。4、功耗测试：检查供电电压是否是12V 单电源，然后在电压源附近串入电流表，记录测试的电流值。 5、其他测试：测试是否能显示文字或提高坐标测量的分辨率。4.3 测试条件室温： 26 摄氏度，市电： 224V 4.4 测试结果1、基本要求测试：表 1 基本要求测试测试工程测试要求测量结果表笔落在 4，3）处给出接触指示是显示左右位置右显示象限第一象限显示坐标4,3）2、高精度区测量精度测试：表 2 高精度区测量精度测试测试工程测试要求测量结果表笔落在 1，1）处绝对误差不大于 4mm1.1,1）表笔落在 0，0）处绝对误差

17、不大于 3mm 0.1,0.2）3、绘图功能测试：表 3 绘图功能测试测试工程测试要求测量结果以1,1）为圆心绘制圆，在屏幕对应位置上显示圆直径 20mm，10s 内完成完成精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用形，误差不大于3mm 直径 12mm完成直径 8mm完成4、功耗测试：测得电源电压12V，电流 0.1A，整机功耗 1.3W。4.5 测试分析测量精度均达到了要求，但是整机功耗为1.3W，功耗偏大。分析原因，功耗来源主要有两点，一是电源电压是12V 供电，因此使用了A1205 DCDC

18、 芯片转换成 5V，由于转换效率问题，消耗了0.2W 的功耗；二是精密恒流源产生电路效率不够高， LM2576 芯片功耗较大，电流源消耗了0.3W。因此应优化电源供电系统与恒流源产生电路，降低系统的功耗，提高整机效率，实现绿色设计。五、参考文献1黄智伟 .全国大学生电子设计竞赛系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，2006. 2康华光 .电子技术基础模拟部分 M. 高等教育出版社， 1998. 3黄争. 李琰. 运算放大器应用手册 M. 北京：电子工业出版社， 2018. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页