手寫繪圖板的設(shè)計與實現(xiàn)

戴青云/石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系

手寫繪圖板的設(shè)計與實現(xiàn)

戴青云/石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系

2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽高職組J題，要求利用普通PCB覆銅板設(shè)計和制作手寫繪圖輸入設(shè)備。討論了不同方案的，最終以單片機(jī)為控制核心，用恒流源給覆銅板加穩(wěn)恒電流，利用電橋和OP07對產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行采集和放大輔以步放大電路、液晶屏顯示電路、按鍵控制電路等模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)的基本功能要求。

手寫繪圖板；覆銅板；單片機(jī)

一、控制要求

利用普通PCB覆銅板設(shè)計和制作手寫繪圖輸入設(shè)備。普通覆銅板尺寸為15cm×10cm，其四角用導(dǎo)線連接到電路，同時，一根帶導(dǎo)線的普通表筆連接到電路。表筆可與覆銅板表面任意位置接觸，電路應(yīng)能檢測表筆與銅箔的接觸，并測量觸點位置，進(jìn)而實現(xiàn)手寫繪圖功能。

1.基本要求：

（1）指示功能：表筆接觸銅箔表面時，能給出明確顯示。

（2）能正確顯示觸點位于縱坐標(biāo)左右位置。

（3）能正確顯示觸點四象限位置。

（4）能正確顯示坐標(biāo)值。

（5）顯示坐標(biāo)值的分辨率為10m m，絕對誤差不大于5m m。

2.發(fā)揮部分：

（1）進(jìn)一步提高坐標(biāo)分辨率至8m m和6m m；要求分辨率為8m m時，絕對誤差不大于4m m；分辨率為6m m時，絕對誤差不大于3m m。

（2）繪圖功能。能跟蹤表筆動作，并顯示繪圖軌跡。在A區(qū)內(nèi)畫三個直徑分別為20m m，12m m和8m m不同直徑的圓，并顯示該圓；20m m的圓要求能在10s內(nèi)完成，其它圓不要求完成時間。

（3）低功耗設(shè)計。功耗為總電流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。

（4）其他。如顯示文字，提高坐標(biāo)分辨率等。

二、總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由銅板模塊、信號采集和放大模塊、開關(guān)控制模塊、電源模塊，控制模塊組成。

采用測量覆銅板電阻大小的原理，表筆接負(fù)極。在覆銅板四個角上各接一個電阻接電源，當(dāng)表筆接觸到覆銅板上，測量表筆到四個角的電壓，根據(jù)電壓信號可以計算表筆的坐標(biāo)。由于測得的銅板電阻太小，直接使用銅板使用恒流源和電橋法測量小電阻，對測量電壓多級放大輸出，實現(xiàn)電壓測量。

采用恒流源進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，一級使用電橋進(jìn)行差分放大，將差值放大后輸入第二級放大，這種方法既便于采集放大，也能提高精度。利用以I RF540n為核心的M OS開關(guān)模塊，讓單片機(jī)通過此開關(guān)控制模塊對測量線路的開閉進(jìn)行控制。

電源模塊組要由恒流源，單電源變雙電源電路組成。恒流源是為銅板提供穩(wěn)恒電流的，以測量電壓信號。單變雙電源以TDA 2030為核心12v單電源變?yōu)椤?v的雙電源。同時，加進(jìn)了為單片機(jī)提供5v電壓的電源部分。

考慮到對轉(zhuǎn)換速度的要求不是很高，不需要運(yùn)算速度太快的芯片，而重點在小信號的處理上，選擇了STC89C52單片機(jī)。顯示模塊選擇LCD12864液晶顯示屏，它能夠滿足顯示坐標(biāo)、文字，顯示表筆的軌跡，包括顯示一個圓的軌跡，它的屏幕尺寸較大，分辨率較高。為了能夠滿足低功耗高精度的要求，覆銅板與一個0.5歐的水泥電阻串聯(lián)，既保證了精度，也適當(dāng)降低了功耗。信號處理模塊采用低失調(diào)電壓的運(yùn)放芯片OP07、高精度的A DC芯片TLC2543和穩(wěn)定的電壓源模塊，這樣可以確保微弱的信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后能被單片機(jī)處理并顯示。

三、系統(tǒng)理論分析與計算

1.左右方向及象限位置的確定。使用單片機(jī)控制開關(guān)實現(xiàn)對四角測量的通斷，通過用第一角電壓減去第二角電壓是否大于0來確定上下方向，通過第二角和第三角的壓差是否大于0來確定左右方向，然后實現(xiàn)象限位置的確定。

2.坐標(biāo)點測量的方法。在測試前將銅板用水將銅板上的氧化膜清除掉，但是由于銅板本身的各種原因，銅板上一點到四角的電阻是不均勻的，沒辦法實現(xiàn)根據(jù)各點電壓計算距離，于是我們采用事先采集各點電壓，在程序中使用查表的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，這樣做盡管需要耗費(fèi)單片機(jī)的內(nèi)存，但是這種方法簡單可行，精確度高，我們采用此方法。

3.各點坐標(biāo)采集的方法。在板子上畫好坐標(biāo)之后我們根據(jù)多次測試的結(jié)果以每0.5m m為單位進(jìn)行多次采樣并取平均值，然后建立各點的電壓值表，電壓值表見表一。把這些數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)，當(dāng)在表筆接觸銅板時，根據(jù)輸入的電壓值查表找到對應(yīng)的坐標(biāo)然后送LCD顯示。

四、程序的設(shè)計

預(yù)先計算出覆銅板上單位距離與電壓值的比值，記為k。然后測量覆銅板上四個角的電壓值，乘以預(yù)先算得的比例系數(shù)k，便得到了四個角與表筆的距離。再根據(jù)余弦定理求出，表筆與兩角的直線和兩角的夾邊構(gòu)成的三角形的面積。覆銅板的邊長已知，根據(jù)三角形面積、底邊和高的與的關(guān)系，便求出表筆到覆銅板邊長的距離，同理可以求出表筆到其它三邊的距離，也就是求出了表筆的坐標(biāo)。

圖1 主程序流程圖

LCD部分用P2口和P0的部分口實現(xiàn)對LCD的控制和寫數(shù)據(jù)。電壓值處理部分事先將測得的數(shù)據(jù)寫入程序，使用P1.0讀取電壓值在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行查表，計算處理后用LCD輸出觸點的左右側(cè)，象限位置和坐標(biāo)的信息。開關(guān)部分將4個引腳置1，實現(xiàn)M OS管的通斷。按鍵部分使用中斷，實現(xiàn)按鍵特定功能。主程序流程圖如圖1所示。

五、結(jié)論

通過穩(wěn)壓電源給普通覆銅板供電，通電后，當(dāng)表筆觸到銅板，檢測觸點電壓值，信號經(jīng)過兩個運(yùn)算放大器，二級放大一百倍，信號放大后輸入到A DC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，最后，A DC芯片輸出的數(shù)字信號輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過單片機(jī)的處理在LCD液晶屏上顯示，通過按鍵控制工作模式。

[1]張有志.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)教程.清華大學(xué)出版社，2013.

[2]寧武等.新版大學(xué)生電子設(shè)計競賽基本技能指導(dǎo).電子工業(yè)出版社，2013.

[3]郭天祥.51單片機(jī)C語言教程.電子工業(yè)出版社，2009.