手写绘图板设计报告

1手写绘图板摘要本作品基于四线制测电阻原理的基本原理，测量电压，计算电阻值来确定位置。以单片机MSP430的最小系统为控制核心，采用单12V供电。表笔接触铜箔表面时，能给出明确显示。具有显示坐标大小、横坐标正负和在屏幕上显示对应点的功能，还能跟踪表笔动作并显示绘图轨迹。其显示精度为10mm,绝对误差不大于5mm。可显示12cm×8cm的范围，高精度区为6cm×4cm。关键词：MSP430，绘图一、方案比较和选择1、控制方案的选择方案一：采用51单片机实现控制功能。运用比较广泛，有良好的知识基础，上手比较快。本系统的程序量比较大，需要的I/O口资源比较多，51单片机很难胜任这些功能。方案二：可以使用FPGA实现控制功能。电路设计比较简单，可以很容易的实现控制、显示和键盘等功能。价格较高，显得大材小用。方案三：可以使用MSP430F149单片机同时完成检测、控制、显示等功能，且该单片机以超低功耗著称，此方案简单易行，设计自由度大而且成本较低。基于上述考虑，拟采用方案三。2、显示模块的选择方案一：选用12864液晶屏。与1602lcd相比，12864液晶屏有显示信息量较大的特点，且具有图形显示的功能，满足题目基本要求。但功耗相对较高以及响应速度较慢是其缺点。方案二：选用TFT彩色液晶屏。彩色液晶屏显示信息丰富，具有灵活现成的函数可以调用，开发周期短，响应快，功耗低，画面细腻，人机界面友好。但编程较为复杂，成本高。基于上述考虑，拟采用方案一。23、放大电路方案的选择方案一：采用两级运算放大器对表笔采集的微弱信号进行放大，运算放大器采用型号为OP07。通过MULTISIM仿真软件可以实现放大1000倍，但是在实际操作中有很多不理想的因素，会造成较大的误差，未采用。方案二：采用HX711A/D转换芯片。HX711是一款24位A/D转换芯片。采用片上放大器进行放大。利用HX711芯片可使放大后的电压值更利于A/D采集，且电路简洁，减少了整个系统的功耗，但是A/D值抖动厉害，所以最终采用两级OP07做放大电路。二、核心部件电路设计1、关键器件性能分析（1）A/D采集和放大模块A/D采集模块主要采用MSP430片内12位A/D，该A/D有两个通道。基准电压1.5V。放大模块采用OP07两级同相放大,第一级放大19倍，第二级放大49倍。（2）恒流源模块LM317恒流电路如图1恒流源模块电路图所示，Vin引脚接输入电压，Vout脚接一个电阻后为恒流输出，ADJ脚直接接到恒流输出，因为LM317里面有基准的1.25V电压，这个电压在LM317里面有稳压措施，所以会一直保持不变，这个电压就在电阻的两端，电阻值恒定，电压恒定，因而流过电阻的电流就是恒定不变3的。此外，LM317还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。取R1=5Ω，输出电流I=Ω525.1V=250mA。图1恒流源模块电路图（3）电源供电模块图2电源供电模块图2为电源供电模块，采用7805、7660、DC/DC模块实现12V向+5V、-5V的转换，给74HCT245、MSP430单片机和运放OP07供电，恒流源模块供电,。（4）覆铜板电流输入模块如图3所示，通过单片机实现MOS管IRF540（Q1、Q2、Q3、Q4）的通断，当Q1、Q3导通而Q2、Q4截止，以a→b为方向进行恒流输入，A/D采样获得的值为x轴方向上值的变化；当电流以c→d为方向恒定输入时，A/D采样值为y轴方向上的变化值。4I/O4IOUT2bQ4Q1acIOUT1Q3I/O1I/O3dI/O2Q2图3覆铜板电流输入模块电路图2、电路结构工作机理由LM317组成的恒流源模块向覆铜板注入恒定电流，通过两级同相放大电路将表笔触点与覆铜板顶点间的微弱电压信号放大至0~600mV，以满足单片机采样需求。对多次采样所得数据分析与处理，为后期的软件编程和显示其坐标点提供数据基础。三、系统软件设计分析1、系统整体工作流程首先恒流源为覆铜板提供恒定电流，表笔接在覆铜板的不同位置，经OP07放大电压后A/D会采集到不同的电压值，经A/D转换后的数字值输入单片机，由单片机判断触点具体在哪个位置，然后由液晶屏显示。具体流程见图5。覆铜板OP07放大电压值主控MCU采集放大后电压值A/D转换主控MCU进行数据库校准找出触点对应坐标值液晶屏显示触点位置及坐标PCB板恒流源5图4系统整体工作流程图2、程序流程图手写绘图板程序流程图如图6。NYNYNY开始上电初始化手写绘图板测试是否按下按键1是否接触是否按下按键2显示坐标显示Y轴左右，象限6图5手写绘图板程序流程图四、系统设计与数据分析1、测试仪器与设备（见表1）表1使用的仪器与设备序号名称型号数量标注1双显示数字万用表GDM-8261A1测量精度：6位半2多路输出直流稳压电源GPS-3303C1测试精度：0.1V3信号发生器AFG-22251---4双通道数字示波器GDS-2202A1---2、数据获取与分析（1）坐标轴上的数据处理如图7所示，当以a→b为方向进行恒流输入时，接触点到b点的电压值经A/D采样得x0；当以c→d为方向进行恒流输入时，接触点到d点的电压值经A/D采样得y0；因而每用表笔接触一个点，便可获得坐标（x0，y0）。在y轴上采样多组y0数据并与对应坐标轴上的值y1比较，通过拟合函数获取y0与y1的近似关系。同理，采用同样的方法获取x轴上x0与x1的近似关系函数。（2）PCB覆铜板采样点数据获取中断服务程序3、功率测试（1）电源电压：U=12V。（2）系统总电流：I=0.16A。（3）总消耗功率：P=U×I=1.92W。4、测试数据A区测试数据见表2表1使用的仪器与设备组号测试坐标/（cm,cm）真实坐标/(cm,cm)最大绝对误差/mm11.0,1.01.1,1.5521.0,2.01.2,1.7332.0,1.02.2,1.6642.0,2.02.1,1.7353.0,1.03.3,1.55五、成效得失整个系统的设计与实现能满足赛题基本要求，可以对表笔是否接触做出判断，做出定位并显示坐标（在题目给出的误差范围内）。采集电压的不稳定性给A/D转换带来了一定的困难，虽然做出了一定努力但7是不可否认的是信号电压仍然存在波动。而且覆铜板上X轴1cm的距离输出电压约为30μV，放大900倍后约为27mV。Y轴1cm的距离输出电压约为7μV，放大900倍后约为6.3mV。比较便于观测，但更大更好，仍需改进。六、参考资料[1]胡仁杰，堵国樑.全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编（2013年江苏赛区）[M].南京：东南大学出版社，2014[2]施保华，赵娟.单片机入门与提高全国大学生电子设计竞赛实训教程[M].武汉：华中科技大学出版社，2013[3]康华光.电子技术基础：模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2006[4]康华光.电子技术基础：数字部分[M].北京：高等教育出版社，2006