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发表于 2019-1-17 11:04:59
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手写绘图板的设计与制作
摘要： 本设计目的得到一个较为精确的手写绘图板，我们通过一个恒流源接入覆铜板并将八个精密电阻引入，当触摸笔接触到覆铜板任意一个位置时便会检测到一个小电压信号，通过这一原理我们在覆铜板上通过表笔的移动采集差分信号，差分信号有助于信号传输，我们将采集到得信号进行电压跟随以提高电路带负载的能力从而得到较为稳定的小电压信号，再进行前置高精度较高增益放大并通过低通滤波然电路后进入电压跟随电路从而得到更稳定的信号并提高信号准确度及性价比。被放大的电压信号被高精度的AD采集，经过51单片机的处理得到信号数据并将处理的信号显示到液晶上，从而实现实时显示表笔的位置坐标的要求及其他的显示要求。
一、设计要求
1.1 设计任务
利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。系统构成框图如图1所示。普通覆铜板尺寸为15cm×10cm，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6cm x4cm（高精度区A）和12cm x8cm（一般精度区B）如图中两个虚线框所示。
1.2 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。
1.3 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。
二、主控系统设计与模块方案选择
测量系统主要组成部分有 电源供电模块、单片机控制模块、小电阻检测模块、跟随放大模块、显示模块、模拟开关模块、A/D模块等。给整个系统供电的是+12V单电源，51通过串行通讯方式接受来自A/D的采集信号，并通过进一步的控制运算比较判断，然后将结果送往TFT液晶显示模块显示。手写板实时接触与实时显示模块一起组成人机界面。
2.1 单片机控制系统选取
方案一：采用ARM 处理器进行数据处理，ARM处理器处理数据比较高，、而且端口比较多，可以处理多个任务。但是ＡＲＭ价格高，入门比较困难，熟练掌握比较困难，学习周期比较长，而且在小车前进过程中，处理的数据量不是很大，过多的IO口反而不利于控制。故舍去该方案。
方案二：采用比较普及的ｃ５１单片机，51 单片机比较普及，价格低廉，学习资料比较多，易于自主的学习而且这与掌握，方面的图书和教材比较多，学习资料易于获取。综合考虑采用该方案。在小车行驶过程中处理的数据量51 的IO口完全可以满足。 综合考虑方案二更利于实现，故采用第二套方案
2.2 模块选择与实现
2.2.1 微小电阻测量方法模块
方案一：交流电桥式测量电阻
目前,常用的小电阻测量是采用交流电桥的方式来测量的,如图2所示
RN是低值标准电阻,Rx是待测低电阻.由RN,Rx,R1,R2组成一个电桥,这是常用的双电桥.测量误差rx,rN不能计算在内.rx,rN是测量时的接触电阻,而一般接触电阻远远大于被测电阻，因而 引 进R1,R2组成另一个电桥,形成双电桥.当双电桥平衡时,检流计支路元件电流流过,由基尔霍夫定律求得平衡条件为:
若R1/R2=R1’/R’则Rx=R1RN/R2这样附加接触电阻r被平衡掉了,不影响Rx的测量结果,测得的微电压经交流放大器A放大后去带动电流表指示.电流表的摆动大小来确定被测电阻的大小.
以上测量方法有一个很大的缺点,就是图1中的E测量时的工作电压一般是用1.5V,而工作电流要求比较大,一般的工作电流为2A.如此大的电流流过被测器件时,会引起测量器件发热,使测量值产生误差,特别是有些元件不允许通过大电流时,就无法进行测量.因此放弃此方案。
方案二： 大脉冲电流测量小电阻
由于需要测量的是小电阻，为了提高测量的准确度，信噪比就应该比较大，业就是说通过电阻的电流要大，但这是我们必须考虑电阻的负载效应。根据电子学的知识，我们知道电阻阻值与温度及电阻温度与电阻电流电流通过时间的关系：
从上式可以看出电阻的阻值与温度的变化成线性关系，而电阻温度的 变化又与通过电阻的电流及时间有关。要使大电流通过电阻而电阻的阻值的变化很小，就应该使得通过电阻的时间很短，业就是说这个大电流就是脉冲电流。电流的大小和脉冲宽度应根据电阻的阻值大小和放大器的性能决定。因此方案容易对电阻造成损坏以及对测量要求极高并不方便测量 。因此放弃此方案。
方案三：直流恒流源四线测量微小电阻
四线测量是将恒流源电流流入被测电阻R的两根电流线和数字万用表电压测量端的两根电压线分离开，使得数字万用表测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压，如图3所
从图中可以看出，四线测量法比通常的测量法多了两根馈线，断开了电压测量端与恒流源两端连线。由于电压测量端与恒流源端断开，恒流源与被测电阻Rx、馈线RL1、RL2构成一个回路。送至电压测量端的电压只有Rx两端的电压，馈线RL1、RL2电压没有送至电压测量端。因此，馈线电阻RL1和RL2对测量结果没有影响。馈线电阻RL3和RL4对测量有影响，但影响很小，由于数字万用表的输入阻抗（MΩ级）远大于馈线电阻（Ω级），所以，四线测量法测量小电阻的准确度很高。不过，四线测量中的恒流源电流的精确度非常关键。建议采用外加的更稳定的恒流源电流；应注意的是，外加的恒流源电流的大小要与数字万用表恒流源电流的大小相等。我们采用的外加的恒流源电流由高精密基准电压MAX6250、运放及扩流复合管组成，如图3所示。电压源MAX6250的温漂≤2ppm/℃，时漂ΔVout/t＝20ppm/1000h。 将获得的小电压信号进行信号调理放大。然后进行信号采集和A/D转换，最后显示测量结果，框图如图：
由于恒流源测量小电阻方案原理相对简单且制作简易产生的信号较稳定，因此本设计采用本方案。
2.2.2 跟随放大电路模块
方案一：LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。但缺点是输出电流小；大电流输出，一般还得采用三极管做输出级，三极管构成的跟随器，虽然和普通运放比，输入输出阻抗性能都不好，跟随器性能差，但输出电流大。
电路的一级放大电路是一个阻容耦合的单管共射放大电路，它由信号源、直流电源、BJT、电阻、电容等元件组成。
T是NPN型管，起放大作用，是一级放大的核心。VCC是直流电源，为发射结提供正向偏置电压，为集电结提供反向偏执电压，也是信号放大的能源Rb1是基极偏置电阻，它和电源一起为基极提供一个合适的基极电流IB,以保证BJT不失真的放大。
第二级放大部分为共基极放大电路，从它的交流通路可见，发射极是输入端，集电极是输出端，而基极是输入、输出回路的公共端。其特点是电流放大倍数小于1而接近1，但电流放大倍数大，仍具有功率放大作用；输出高压与输入电压相位相同；输入电阻小，输出电阻较大，其允许的工作频率较高，高频特性较好，用于高频电子电路中。
因为NPN型管易受干扰，容易产生失真，由以上两点缺点，本设计放弃此方案。
方案二：在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输出阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。TLC2262能够提供较大的输出动态范围，低噪声电压和低输入偏置电压。这些特性的提供使它们有较宽的应用范围。因此本设计采用TCL2262跟随电路。
AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。AD620具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 µV)和低失调漂移(最大0.6 µV/°C)特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1 pA/ √Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。
综合比较此方案对小电压信号跟随放大后能够稳定得到放大电压信号。本设计采用这方案。
2.2.3 数据显示模块
方案一：采用1602液晶模块程序简单，成本较低，但是局限于其无法对汉字进行显示，及显示的点阵像素有限，并且题目要求功能较多，存在多个功能间的切换，图形的绘制，为了满足各功能间的切换及操作的简单就需要文字性的说明，而1602就无法满足。
方案二：使用液晶屏显示。LCD具有轻薄短小、低耗电量、影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，显示信息量大，分辨率高且抗干扰性强；外围电路少，使用方便。
综合考虑以上两种方案，选择采用方案二。
2.2.4 PCF8951A/D D/A 转换器
8位A/D D/A转换器单电源供电，工作电压：2.5V ——6V待机电流低，I2C总线串行输入/输出，通过3个硬件地址引脚编址，采样速率取决于I2C总线速度，4个模拟输入可编程为单端或差分输入，自动增量通道选择，模拟电压范围：VSS——VDD，片上跟踪与保持电路，8位逐次逼近式A/D转换并带一个模拟输出的乘法DAC。 PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。 器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位数模拟转换。最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。
三、硬件电路设计
3.1 系统总体框图
3.2 各模块原理图分析与仿真
如下图所示，表笔在手写板的不同位置接触铜板，将采集信号1.2.3接到两个跟随放大电路
从手写板获得小信号电压先经过RC滤波电路，后进入AD620放大电路经两级放大且RC滤波电路得到放大的稳定信号，通过TLC2262的跟随电路从而稳定信号。 另外一路电路也是这样。
| 液晶显示模块：3.2寸TFT液晶与主控51单片机连接 |
由于本设计设计到运放电路.A/D转换电路以及单片机控制系统，会需要+5V -5V +12V -12V 等双电源。需要设计电源模块 本设计采用7805 7905 LM317 A1212S-1W DC-DC隔离电源模块等转压电路。
如图
3.3程序模块设计控制系统程序模块流程框图设计
四、测量方法与分析
4.1 实时显示触点
模拟操作：首先在纸上画一个模拟手写板并规定坐标轴，在板上打上长一厘米宽一厘米的表格，通过表笔的移动将各点的电压值记录。并分别作为X轴与Y轴的坐标，从而判定接触点是否在纵坐标以及所在象限的依据。
在手写板上画以模拟板的点为中心每个格范围为1cmX1cm，从而达到准确度的要求。在手写板上的三角位置引入两路差分电路，所获的电压通滤波过运放放大等电路会得到两路电压值 每一路电压信号代表一个坐标值，单片机通过检测两路的电压是否满足已经规定的点的压降范围，若满足判定要求则在液晶上显示此点。否则不显示。从而达到实时显示触摸点位置及电压放大值。
4.2 点坐标测量及显示
当不接触时，由于外界干扰A/D仍会采集到一些信号，规定此时的电压信号为未接触时的电压，单片机判断输入的信号从而达到表笔是否触到铜箔表面的要求。位于纵坐标与位于象限均采用这种方法。
手绘手写板：
TFT液晶实时显示接触点的相关数据
五、系统测试与低功耗设计
5.1 测试方案
因为覆铜板表面为均匀导体，所以无法获得标准电阻及电压。于是我们将手写板中心位置作为坐标原点，并做出X.Y轴，并用铅笔分割手写板成许多小格，我们先用表笔在手写板上接触，通过采集三路信号经运放电路多级放大电路A/D转换电路最终通过单片机处理由彩屏显示出此时的压降。运用判断模拟手写板的模拟电压的方法从而实现彩屏显示铜板触点位置。
5.2 测试结果和误差分析及改进
将调好的模块连在一起，打开电源，启动进行系统初始化。用表笔在手写板上书写，可以看到TFT液晶上显示是否接触到手写板并显示接触点在已经画好的坐标轴上坐标位置以及位于纵坐标左右位置，当进行划线的测试，将表笔在手写板上任意确定起点滑动在液晶上将显示表笔划过的轨迹，划线测试成功，TFT彩屏模拟一个坐标轴可以实时显示接触点的位置，所有的功能都能实现，系统能正常工作，达到设计的基本要求并实现人机交流。
5.2.2 误差分析及改进：
造成误差的原因有 ：零点漂移：由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差，可以通过温度补偿措施来解决此误差。
A/D，D/A转换误差： 受AD转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来一定的误差。为了更精确的输出电源电压，选用更多位数的AD，DA芯片。
因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。
采样电阻自热效应引起的误差：由于电阻在温度上升时阻值会发生变化， 因此会引起温度飘移，给系统带来测量的误差。
由于外界存在50Hz工频信号以及其他干扰信号，当A/D高倍数放大后，干扰信号也会随之被放大，从而引进不可忽视的干扰。由于采集的是毫伏级的电压值在为人操作的时候也会引入身体上的干扰电压。由于手写板阻值还受外界温度.十度等环境影响会有一定范围的影响。使得本设计存在一些缺陷，可以引进双T陷波电路从而消除工频信号的影响。
5.3 低功耗设计
为了减少功耗，我们通过尽可能采用低功耗的器件，比如采用低功耗的单片机、液晶屏及信息采集器件；并通过一系列的软件设计，尽可能降低时钟的速率，让单片机长时间工作于低功耗模式，关断未使用电路，以最大限度地降低功耗。尽量降低器件的工作频率，大家都知道CMOS电路的工作电流主要来此于开关转换时对后一级输入端的电容充放电，如果能够降低MCU的工作频率自然耗电也就下来了。如当AVR工作在32.768Hz时和工作在20Mhz时的工作电流差异是很大的。在结果显示方面，我们采用12864这种低电压低功耗的液晶显示屏，既达到了显示的要求，又不影响整体的分辨率。总而言之，就是从软硬件划分，存储器优化，动态功耗管理三个方面作为低功耗的设计理念。此外，为了减小线路上的功耗浪费，我们采用手工印刷电路板。
六、设计总结
经过将近四天的时间完成了此实验，使得在课堂上学习的知识得到巩固，同时对模拟运放跟随的分析，连接，调试，错误分析等能力有了很大的提高，并且是对多级放大电路有了更进一步的理解，思维也得到了的升华。了解了高速A/D的使用可达到的指标，根据不同的要求合理调整电路在整个课程设计当中，我们先深刻的讨论了七道题目的设计方案及最初思路，并参考了老师以及学长的建议。
后来，我们锁定了题目，便进一步讨论整体思路以及各个模块的选择。在老师与学长的帮助下，我们拟定了方案并开始搜索相关模块设计，断断续续地凑齐了所有的模块，便开始Multisim软件仿真操作，通过仿真需要修改相关的设置从而达到要求，仿真过程中还是遇到不少问题，反复检测电路，其过程相当烦琐，可能花了很长一段时间调试，却仍未发现问题所在。后来仿真相对而言通过了，我们便开始用Altium Designer v6.9画原理图以及PCB图然后焊接电路。从此进入了无穷无尽你的调试过程中。就这样前几天天我们在改了又改.拆了又拆的日子中度过。虽然我们已经筋疲力尽了，但想到自己在无形中学到了很多书本上没有的知识。真正的研究一项设计，便再次坚持下来，总结这些天，深知理论知识真正应用到实际当中，却不是那么得心应手。需要考虑很多外界因素造成的影响。不过虽然设计过程中问题重重，但在团队的积极思考和老师的细心指导下，顺利的完成了本次设计，我们也学到了一些调试电路的方法和一般设计的思路，对一些问题的检测有了深刻的体会。
整个设计过程，我们都抱着积极乐观的心态，专注于电路的调试和纠正，不断的探索与改进，深切的体会到了电赛给我们带来的乐趣与学习动力。
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