基于普通覆铜板的手写绘图板系统设计(我的G题)

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模拟量转换要求。 其内部电源输入与参考电压的复用， 使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。芯片转换时间仅为 32μS，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差， 转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加 方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择，但是，它的每一级可以 分辨出的电压最小值约为 19mV，不能满足系统对处理微小信号的要求。 方案二：TLC1549 TLC1549 是一个 10 位开关电容器，逐次逼近型的 AD 转换器。这个芯片有 2 个数字 输入端，1 个三态输出口（CS），1 个 I/O CLOCK 端口和 1 个数字输出端（DATA OUT）， 可以实现一个三总线接口到总控制器的串行口的数据传输。不过，它的最小参考电压为 2.5V，10 位分辨率，每一级可分辨的电压最小值约为 2.44mV，仍然不能满足我们系统 的要求。 方案三：TLC2543 TLC2543 是 12 位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D 转换过程。 由于串行输入结构， 价格适中， 分辨率较高， 因此在仪器仪表中有较广泛的应用。 TLC2543 的特点是： 1）12 位分辨率； 2）转换时间为 10us； 3）11 个模拟输入通道； 4）3 路内置自测试方式； 5）有转换结束输出 EOC； 6）可单、双极性输出； 7）可编程输出数据长短。 最重要的是， 它可以在 2.5V 的参考电压下， 每一级分辨的电压最小值约为 0.610mV, 能满足系统基本要求。 信号处理模块，如图三：
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控制与显示模块组成框架，如图二：
LCD12864
STC89C52
按键
图二、控制与显示模块组成框架
1.2 信号处理模块的论证与选择
1.2.1 运算放大器选择 方案一：LM324 LM324 是四运放集成电路，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，相互独立,它 采用 14 脚双列直插塑料封装。直流电压增益高，单位增益频带宽，电源电压范围宽， 低功耗电流，适合于电池供电，低输入偏流。但是，它的输入失调电压最大值为 7mV， 不满足我们需要处理的信号要求。 方案二：AD8065 AD8065 放大器为电压反馈型放大器，是单路放大器，提供 FET 输入，性能出色， 易 于使用，工作噪声极低，输入阻抗非常高。其具有成本低，低噪声，宽电源电压，单电 源，轨到轨输出，其失调电压较低，最大值为 1.5mV。 方案三：OP07 OP07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于 OP07 具 有非常低的输入失调电压，所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07 同 时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点， 这种低失调、 高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其最低输入失调电压， 最大值为 75uV。 因为我们需要采集的信号非常微弱，需要最低输入失调电压很小的运算放大器，通 过对比，我们选择方案三，OP07。 1.2.2 模数转换 ADC 芯片选择 方案一：ADC0832 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片， 其最高分辨可达 256 级， 可以适应一般的
2013 年全国大学生电子设计竞赛广东赛区 设计报告封面
作品编号：
（由组委会填写）
…………………………）
参赛队编号
（参赛学校填写）
学校编号 2 9
组（队）编号 1 3 G
选题编号
说
明
1. 为保证本次竞赛评选的公平、公正，将对竞赛设计报告采用二次编码； 2. 本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订； 3. “作品编号”由组委会统一编制，参赛学校请勿填写； 4. “参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组 委会印制编号填写， “组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排， “选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如： “0105B”或“3367F” 。 5. 本页允许各参赛学校复印。
III
手写绘图板（G 题） 【本科组】
1 系统方案分析
根据题目要求， 制作一个手写绘图板， 需要利用普通 PCB 覆铜板和一支普通的表笔。 普通覆铜板的尺寸为 15cm×10cm， 板的四角用导线连接到电路， 用一根普通表笔连接到 电路。该绘图板系统，能够在表笔接触覆铜板的时候，给出提示并显示该点的坐标。 发 挥部分要求，系统能够跟踪表笔的动作，显示绘图轨迹，能够显示文字，要求高分辨率、 低功耗、绘图速度较快。 通过对这个题目的分析，我们设计的系统包括了四部分： 1）手写输入模块； 2）信号处理模块； 3）显示与控制模块； 4）供电模块。 系统框图如图一所示：
II
目
录
1 系统方案分析.................................................1 1.1 控制与显示模块的论证与选择.................................2 1.1.1 控制芯片选择.............................................2 1.1.2 电路板方案选择...........................................2 1.1.3 显示模块选择.............................................2 1.2 信号处理模块的论证与选择...................................3 1.2.1 运算放大器选择 ..........................................3 1.2.2 模数转换 ADC 芯片选择.................................... 3 1.3 手写输入模块的论证与选择................................... 4 1.3.1 覆铜板接线电路的设计......................................4 2 系统理论分析与计算............................................5 2.1 普通覆铜板的阻值测量与分析..................................8 2.2.对 ADC 芯片的要求与分析......................................8 2.3 抑制直流零点漂移............................................8 2.4 放大器稳定性................................................8 3 电路与程序设计................................................9 3.1 电路的设计..................................................9 3.1.1 系统总体框图..............................................9 3.2 程序设计部分................................................9 4 测试方案与测试结果............................................11 4.1 测试方案....................................................11 4.2 测试条件与仪器.............................................11 4.3 测试结果及分析.............................................11 4.3.1 测试分析与结论..........................................14 5.总结.........................................................14 参考文献.......................................................15 附录 1：电路原理图..............................................16 1 中央控制电路.................................................16 2 放大控制电路&驱动电路........................................17 3 电源稳压电路.................................................18 附录 2：部分源程序..............................................19 附录 3：主要元器件明细..........................................25
I
摘
要
本系统以单片机为控制核心，分成四个部分，包括手写输入模块、信号处理 模块、显示与控制模块和稳压供电模块。首先，通过稳压电源给普通覆铜板供 电，通电后，当表笔触到铜板，检测触点电压值，信号经过两个运算放大器， 二级放大一百倍，信号放大后输入到 ADC 模数转换芯片，最后，ADC 芯片输出的 数字信号输入到单片机中，经过单片机的处理在 LCD 液晶屏上显示，通过按键 控制工作模式。程序设计中，运用了中位值平均滤波法，可消除由于脉冲干扰 所引起的采样值偏差，使采集到的信号更稳定。本设计采用了低失调电压的运 放芯片、高精度的 ADC 芯片和稳定的电压源，这样可以确保微弱的信号经过放 大和模数转换后能被单片机处理并显示。 关键字：手写绘图板、模数转换、中位值平均滤波法
图一、系统组成框图
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1.1 控制与显示模块的论证与选择
1.1.1 控制芯片选择 方案一：ARM7 ARM7 是低电压，通用 32 位 RISC 微处理芯片，基于亚微米的制程，速度快，功耗低， 较高的时钟，程序执行快。适用于对电源比较敏感的应用中，快速中断响应，支持高级 语言，简单但功能强大的指令系统。 方案二：STC89C52 STC89C52 单片机作为控制芯片，它具有可靠性高、价格低、低功耗、无法解密、 稳 定性好等特点。其最高时钟频率为 0-80MHz，8K 字节 Flash 程序存储器，512RAM 数据存 储器，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，3 个 16 位定时器/计数器，8 个 中断源，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 我们考虑到本题对转换速度的要求不是很高，不需要运算速度太快的芯片，而重点 在小信号的处理上，加上 STC89C52 单片机价格低，为了能节省更多时间，把时间放在 信号处理模块，我们选择较为简单的方案二，STC89C52 单片机作为系统的主控芯片。 1.1.2 电路板方案选择 方案一：使用万用板 在万用板上搭建单片机最小系统。可快速搭建最小系统，易于修改和更换零件，很 容易发现硬件的问题，灵活性高，耗时少，但是不能统一标准，相同的电路可能有较大 差异。 方案二：使用单片机最小系统 直接使用现成的单片机最小系统开发板。由于开发板上设计比较复杂，不同的端口 连接了不同的器件，可能会影响电压输出，若板上的元器件出现问题，需要大量时间来 检查硬件，较难发现问题。 方案三：自制印刷电路板（PCB 板） 制作 PCB 板可以重复使用相同的布局，具有重复性和一致性，减少了不线和装配的 差错，节省了设备的维修、调试和检查的时间，不线密度高，体积小。 因为需要处理的信号较微弱，为了减小两块设计相同的电路板之间的差异，需要用 标准化的，可重复制作的电路，所以我们选择设计制作能标准化的方案三，自制印刷电 路板。 1.1.3 显示模块选择 方案一：LCD1602 液晶显示屏 常用的 LCD1602 液晶显示屏为 5V 电压驱动，带背光，可显示两行，每行 16 个字符， 不能显示汉字，内置含 128 个字符的 ASCII 字符集字库，只有并行接口，无串行接口。 方案二：LCD12864 液晶显示屏 LCD12864 液晶使用 ST7920 控制器，5V 电压驱动，带背光，内置 8192 个中文汉字 （16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（GDRAM）。与外 部 CPU 接口采用并行或串行两种控制方式。 考虑到需要显示坐标、文字，需要显示表笔的轨迹，显示一个圆的轨迹，我们选择 屏幕尺寸较大，分辨率较高，可显示汉字的方案二，LCD12864 液晶显示屏。