2013年电子设计大赛G题总方案及原理图程序

2013年全国大学生电子设计竞赛手写绘图板（G题）

【本科组】

Dut physics

1202class

2013年9月7日

摘要

本作品以STC12C5A单片机为核心，对铜板这种小电阻在微弱变化下的精密测量，以实现对触点的精确定位。用恒流源给覆铜板加稳恒电流，利用电桥和OP07对产生的电压信号进行采集和放大。用单片机控制MOS开关控制覆铜板四角接线的开闭。制作一个10cm*15cm的手写绘图板，并对板上任意位置进行坐标读取，分辨率小于10mm，并在12864的LCD显示器上进行显示。

关键字：STC12C5A，精密测量，LCD

目录

1系统方案 (1)

1.1 铜板处理的论证与选择 (1)

1.2 信号采集和放大的论证与选择 (1)

1.3 开关控制模块的论证与选择 (1)

1.4 电源模块的论证与选择 (2)

1.5 控制系统的论证与选择 (2)

2系统理论分析与计算 (2)

2.1 左右方向及象限位置的确定 (2)

2.2 坐标点测量的方法 (2)

2.3 各点坐标采集的方法...................................................................... 错误！未定义书签。3电路与程序设计. (3)

3.1电路的设计 (3)

3.1.1系统总体框图 (3)

3.1.2 信号采集与放大子系统框图与电路原理图 (3)

3.1.3 单片机控制子系统框图与电路原理图 (3)

3.1.4电源 (4)

3.2程序的设计 (4)

3.2.1程序功能描述与设计思路 (4)

3.2.2程序流程图 (4)

4测试方案与测试结果 (6)

4.1测试方案 (6)

4.2 测试条件与仪器 (6)

4.3 测试结果及分析 (6)

4.3.1测试结果(数据) (6)

4.3.2测试分析与结论 (7)

附录1：电路原理图 (8)

附录2：源程序 (9)

手写绘图板（G题）

【本科组】

1系统方案

本系统主要由铜板模块、信号采集和放大模块、开关控制模块、电源模块，控制模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 铜板处理的论证与选择

由于测得的铜板电阻太小，现考虑以下方案。

方案一：采用在板上腐蚀网格或者有规律的数学图案，这种方法有利于增大铜板的测量电阻，利于在测量过程中电压的获取和计算，但是这种方案会使板面不够平稳，如果间隙不够小，就会导致分辨率太低，误差较大。

方案二：在铜板背后加电阻，可以增大电阻，但是由于电阻本身大小和要求数量，没发满足误差的要求。

方案三：利用RC振荡电路，用公式中的1/R对铜板电阻进行放大处理，测量。但是测算麻烦，误差较大，且不是线性变化。

方案四：直接使用铜板使用恒流源和电桥法测量小电阻，对测量电压多级放大输出，实现电压测量。

综合以上三种方案以及题目中的要求，方案一不能使表笔在覆铜板上的任意位置接触，二三方案误差不好处理，故选择方案四。

1.2 信号采集和放大的论证与选择

由于信号很小采集和放大都需要认真考虑，现考虑以下方案：

方案一：用恒压源进行采集数据，并用2级运算放大器进行放大送入单片机。这种方法由于铜板电阻太小，使用恒压源要么电流过大，要么误差很大没法精确测量。

方案二：用恒流源进行采集数据，一级使用电桥进行差分放大，将差值放大后输入第二级放大，这种方法既便于采集放大，也能提高精度。

综上我们选择第二种方案。

1.3 开关控制模块的论证与选择

方案一：在铜板4个脚都采用4个采集放大电路，但是由于铜板电阻小，很容易由于导线长度的增大使铜板采集的信号误差变大。

方案二：只用一个采集放大电路，利用以IRF540n为核心的mos开关模块，让单片机通过此开关控制模块对测量线路的开闭进行控制。

方案二既简单也容易控制我们，所以我们选择方案二。

1.4 电源模块的论证与选择

电源模块组要由恒流源，单电源变双电源电路组成。

恒流源是为铜板提供稳恒电流的，以测量电压信号。单变双电源以TDA2030为核心的将赛组能提供的12v单电源变为±6v的双电源。在最这个电源的同时，我们加进了为单片机提供5v电压的电源部分。

1.5 控制系统的论证与选择

方案一：采用51系列的单片机作为主控器件，使用自己做的最小系统板，用来实现要达到的各种要求。但88888888是AD转化需要另外做。此方案规模小，成本低。

方案二：采用我们此前购买的以STC12系列的单片机带有10位的AD转换作为主控器件。此方案方便快捷，只需对AD和单片机进行程序编写。

综合考虑，我们将方案一备用，采用方案二。

2系统理论分析与计算

2.1 左右方向及象限位置的确定

我们使用单片机控制开关实现对四角测量的通断，通过用第一角电压减去第二角电压是否大于0来确定上下方向，通过第二角和第三角的压差是否大于0来确定左右方向，然后实现象限位置的确定。

2.2 坐标点测量的方法

我们在测试前将铜板用水将铜板上的氧化膜清除掉，但是由于铜板本身的各种原因，铜板上一点到四角的电阻是不均匀的，没办法实现根据各点电压计算距离，于是我们采用事先采集各点电压，在程序中使用查表的方法进行转换坐标，这样做尽管需要耗费单片机的内存，但是这种方法简单可行，精确度高，我们采用此方法。

2.3 各点坐标采集的方法

在板子上画好坐标之后我们根据多次测试的结果以每0.5mm为单位进行多次采样并取平均值，

然后建立各点的电压值表，电压值表见表一。把这些数据写入单片机，当在表笔接触铜板时，根据输入的电压值查表找到对应的坐标然后送LCD显示。