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1、2013年全国大学生电子设计竞赛2013年全国大学生电子设计大赛手写绘图板（本科组G题）设计报告【摘 要】 手写绘图板系统主要包括电源模块、恒流源模块、微弱信号检测模块、控制模块和触摸显示模块。电源给系统的各个模块提供稳定的电源，恒流源给铜板X，Y轴分别加恒定的电流，微弱信号检测模块检测铜板上微小的电压变化并处理这些信号，通过控制继电器控制恒流源模块给铜板提供电流，并控制微弱信号检测模块分别采样轴的电压值和轴的电压值。当控制继电器给铜板的轴、轴加上电流后，触笔接触到铜板并滑动，由于铜板不同点对公共端的阻抗不一样，所以铜板上有很微弱的电压变化，通过微弱信号检测模块检测处理，然后进行采集。再通过进
2、行一系列的计算，得出、坐标值并通过触摸显示模块显示出来。【关键词】恒流源，微弱信号检测，STM32最小系统，触摸显示屏；目录1前言- 1 -1.1设计的背景及意义- 1 -1.2设计要求- 1 -1.3本设计所作的工作- 2 -2方案比较与方案选定- 3 -2.1恒流源方案设计与比较- 3 -2.2铜板采样方案论证比较- 4 -2.3微弱信号检测电路论证比较- 4 -2.4显示最小系统搭建方案设计- 5 -2.5低功耗设计- 6 -3系统框架设计- 6 -3.1系统供电部分电路设计- 7 -3.1.1输入电压第一级稳压- 7 -3.1.2 模拟正5V- 7 -3.1.3 模拟负5V- 8 -3
3、.1.4 恒流源电路- 8 -3.1.5.电路板PCB布局布线- 9 -3.2继电器电路- 9 -3.3铜板坐标测量方法- 10 -3.4微弱信号电路设计- 11 -3.5STM32最小系统- 12 -4程序设计- 13 -4.1程序流程图- 13 -5系统测试- 14 -5.1测试原理- 14 -5.2测试方法- 14 -5.3测试结果- 15 -6结论- 16 -7参考文献- 17 -8附录- 18 -附录一- 18 -附录二- 19 -附录三- 20 -1 前言1.1 设计的背景及意义目前，随着电子工业的发展，手写绘图板的种类、数量逐渐扩增，适用范围越来越广泛。另外，随着电子技术的发展，
4、市场上各种手写绘图板功能的多样化，目前人们对绘图板的需求需求量越来越高，因此设计可靠，安全，便捷，精度更高的手写绘图板具有广泛的使用价值和应用前景。1.2 设计要求利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。普通覆铜板尺寸为15cm10cm，其四角用导线连接到电路，同时，一根带导线的普通表笔连接到电路。表笔可与覆铜板表面任意位置接触，电路应能检测表笔与铜箔的接触，并测量触点位置，进而实现手写绘图功能。覆铜板表面由参赛者自行绘制纵横坐标以及6cm4cm（高精度区A）和12cm 8cm（一般精度区B）1、基本要求（1）指示功能：表笔接触铜箔表面时，能给出明确显示。（2）能正确显示触点位于纵坐标
5、左右位置。（3）能正确显示触点四象限位置。（4）能正确显示坐标值。（5）显示坐标值的分辨率为10mm，绝对误差不大于5mm。2. 发挥部分（1）进一步提高坐标分辨率至8mm和6mm；要求分辨率为8mm时，绝对误差不大于4mm；分辨率为6mm时，绝对误差不大于3mm。（2）绘图功能。能跟踪表笔动作，并显示绘图轨迹。在A区内画三个直径分别为20mm，12mm和8mm不同直径的圆，并显示该圆；20mm的圆要求能在10s内完成，其它圆不要求完成时间。（3）低功耗设计。功耗为总电流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。（4）其他。如显示文字，提高坐标分辨率等。1.3 本设计所作的工作本
6、设计是基于STM32搭建的基本应用电路，将铜板的各点的电压值经计算转化成的相应坐标，在采样时显示出来，所以，本次设计需要做好以下工作：(1)学习STM32、模电数电的原理等。(2)学习 DXP09、Keil C等工具软件的使用方法。(3)设计测量动态显示电路。(4) 设计测量恒流源，STM32最小系统及相应程序。(5) 用DXP09软件绘制电原理图和印刷电路版图，编写程序。(6) 调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。(7) 撰写设计论文。2 方案比较与方案选定2.1 恒流源方案设计与比较方案一：用线性稳压芯片7805,7905直接输出+-5V电压图2.1-1压原理图 方案二：采用开关电源
7、芯片 图2.1-2 开关电源电路方案一电路优点：电路结构简单，芯片常见。方案一电路缺点：电路直接从+-12V接入稳压到+-5V，电源效率相对于开关电源较低，而且输出电源滤波效果差，不能用于小信号检测。对信号检测产生很大的不良影响。所以采用方案二。2.2 铜板采样方案论证比较方案一：采用电压加载法：把电压加载到铜板两端，测量铜板上采样点的电势即采样点的电压值。方案二：采用电流加载法：通过恒流源产生电流加载到铜板，测试铜板的各点电压值。方案一理论上可行，但是实际铜板电阻率很低，所以只能加载很小的电压，否则与铜板连接相当于短路。所以方案一在实际操作中很难检测出电压值。而方案二采用大电流加载使铜板的电
8、压稍微增大，再通过放大器处理，可以使AD采样出铜板各点的电压值。2.3 微弱信号检测电路论证比较方案一 :直接采用单输入同相放大器。此方案电路简单易于调试，但是单输入同相放大器的工模抑制不好，而且放大倍数受到运算放大器性能的影响，很难检测得到铜板上的微弱信号。图2.3-1同相放大器电路方案二 : 采用差分输入放大和多级放大电路级联 。差分输入放大和多级放具有很高的共模抑制比，切只要有变化就能通过差分输入后的放大器把变化的压降放大。很容易检测到铜板上的微弱信号。图2.3-2 差分电路与多级放大电路级联电路方案一相对于方案二电路过于简单，且放大的倍数受芯片制约，小信号滤波效果差，精度低。而方案二中
9、，采用差分输入使共模抑制比越大，信号质量越好。采用多级放大，各级之间低通滤波。所以采用方案二。2.4 显示最小系统搭建方案设计系统必须完成绘图功能，我们采用2.4寸液晶触摸屏屏幕作为显示。别且能实现触摸按键等扩展功能。主控芯片选择。2.5 低功耗设计（）系统采用了PWM波控制液晶屏亮度，极大的减少了功耗；（）微弱信号检测电路采用低功耗运放，减少了该电路的功率消耗；（）由于采用线性电源，当压差大的时候功耗比较大，所以利用开关电源先把的输入电压降到；（）采用高性能，低压降，低功耗的凌力尔特芯片和作为正负的稳压电源；（）恒流源的采样电阻使用的是三个.欧的功率电阻并联，使得功耗降低；（）本系统使用了继
10、电器作为切换开光，消耗有点大，所以利用程序控制当触笔没有按下的时候继电器处于常闭状态；3 系统框架设计通过给铜板X，Y轴分别加恒流源，使铜板在不同区域可以检测到不同的电压值，电压值呈线性增长。本系统是基于STM32搭建的基本应用电路，表笔采样铜板各点X，Y轴的电压值经由AD转化成显示的相应坐标。铜板信号放大采样.显示继电器恒流源图3-1 系统框架图3.1 系统供电部分电路设计本题要求供电电源是单电源12V；但是系统的小信号放大电路部分的放大器需要正负电压供电，而且这个电源必须是低纹波的，所以不能直接用稳压源提供的电源供电，得经过DC-DC变换电路。经过方案的讨论，现需要以下几种供电电源：(1)
11、输入降压；(2)模拟正5V；(3)模拟负5V；(4)数字正5V；(5)恒流源电路。3.1.1输入电压第一级稳压 考虑到电压的低纹波，所以采用线性电源进行稳压。但是线性电源在高压差工作的时候功耗太大；所以先采用开关电源把输入电压降下来。选用LM2596-adj进行降压处理。把电压从+12V降到+5.9V。可以大大降低电源板的功耗。输入电压降压电路如图.。 图3.1-1 输入电压降压电路3.1.2 模拟正5V这个电源需要满足以下几个条件：（1）需要高精度的低纹波电源；（2）系统有低功耗的要求；（3）电流估计小于100mA。综合以上要求，现采用凌力尔特公司的800mA低压差正稳压器LT1117-5。
12、模拟正电路如图.。 图3.1-2：模拟正5V电路3.1.3 模拟负5V这个电源需要满足以下几个条件：（1）需要高精度的低纹波电源；（2）系统有低功耗的要求；（3）电流估计小于100mA；（4）输出负电压。综合以上要求，现采用凌力尔特公司的500mA低压差负稳压器LT117-5。 但是这个芯片的输入电压是负电压，所以前级还得加上正负电压变换电路；采用可用于升压变换器、降压变换器、反向器的MC34063的反向功能把正电压变换为负电压；MC34063的输出电压可调节R5来完成，选用R5=5.6k得到输出电压-5.9V。模拟负电路如图.。 图3.1-3 模拟-5V电路3.1.4 恒流源电路方案采用在普
13、通的覆铜板两端加上恒流源的方式来检测触点的位置。由于普通的覆铜板的电阻率非常低，为了方便测量，电流是愈大愈好，但是考虑到系统的功耗问题，电流也不能太大。为了提高电源利用率采用开关型稳压芯片LM2596来制作恒流源。LM2596采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高 ；输出电流可高达3A；输出电流可高达3A；由于材料的问题，用3个W0.欧姆的电阻并联得到0.0欧姆的采样电阻，这样可以降低一部分系统功耗。再经过LM358把采样电压放大作为LM2596的反馈电压来调节输出电流。从而实现恒流的功能。 图. 恒流源电路3.1.5.电路板PCB布局布线考虑到电路板的电磁场
14、兼容性、抗干扰的问题；走线要短，交叉要少，电源、地的路径及去耦，模拟和数字电源分开布局，大面积覆铜。现把电源分为以下几个部分布局布线：（1）输入降压；(2)数字正5V；（3）恒流源电路；(4)模拟正5V、负5V。并且四个部分分开布线。为了使电源的抗干扰能力更强，精度更高，采用双面板制作。图见【附录一】3.2 继电器电路求覆铜板的坐标是二维的，得同时求出触点的X、Y坐标。那么就得切换加在覆铜板上的电压极性来求得坐标。考虑到调试难度和材料的限制，采用继电器来控制。但是需要快速的切换速度和低的导通电阻。用一般继电器是达不到要求的，现采用小体积，高速（实测50Hz可以正常工作），低导通电阻（最大0.1欧姆）的G6K_2F_Y 5VDC。在覆铜板
