基于STM32F103的手寫繪圖板設(shè)計(jì)

魏浩然, 倪繼鋒, 龍艷花

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

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基于STM32F103的手寫繪圖板設(shè)計(jì)

魏浩然, 倪繼鋒, 龍艷花

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

本設(shè)計(jì)采用銅板電阻分壓電路,基于AD7982的AD轉(zhuǎn)換模塊、STM32F103的主控制模塊和LCD12864的液晶顯示模塊設(shè)計(jì)了一種手寫繪圖板.通過(guò)查找銅板電阻-電壓變化關(guān)系的數(shù)據(jù)表,進(jìn)行軟件編程和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了表筆觸動(dòng)15 cm×10 cm覆銅板時(shí),在液晶屏上顯示觸點(diǎn)坐標(biāo)及象限功能、文字顯示和表筆軌跡追蹤、顯示功能.本設(shè)計(jì)精度高、功耗低,是一種較理想的設(shè)計(jì)方案.

STM32; AD7982; LCD12806; 坐標(biāo)定位; 軌跡追蹤

隨著科技高速發(fā)展,各種人機(jī)交互方式層出不窮,現(xiàn)在主流的手機(jī)、平板電腦都是通過(guò)觸屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速操作[1].繪圖板的普及將會(huì)為人們發(fā)揮繪畫、書法、多媒體、視頻等藝術(shù)才干提供高科技的平臺(tái),借助于繪圖板以及各個(gè)專業(yè)制作軟件的幫助,圖形圖像視頻等的處理技術(shù)必將在藝術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用[2].

覆銅板是將補(bǔ)強(qiáng)材料浸以樹脂,一面或兩面覆以銅箔,經(jīng)熱壓而成的一種板狀材料.它經(jīng)照相制版、化學(xué)蝕刻、電鍍等一系列的工序可制成印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)[3].本設(shè)計(jì)利用雕刻后的覆銅板,在表筆觸動(dòng)覆銅板時(shí),液晶屏上可顯示觸點(diǎn)坐標(biāo)及象限、表筆軌跡,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手寫繪圖功能.

本文作者先介紹了系統(tǒng)的組成和各模塊的鏈接與使用方法,接著就軟件的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了說(shuō)明,給出了軟件流程圖,然后對(duì)完成的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,給出了覆銅板電阻-電壓變化關(guān)系數(shù)據(jù)表和覆銅板定位測(cè)試數(shù)據(jù)表.最后,總結(jié)了本設(shè)計(jì)的性能,并對(duì)本設(shè)計(jì)的不足進(jìn)行了說(shuō)明,給出了改進(jìn)的方法.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成如圖1所示,由銅板電阻分壓電路、基于AD7982的AD轉(zhuǎn)換模塊、基于STM32的主控制模塊和基于LCD12864的液晶顯示模塊4部分組成.其中,銅板電阻分壓電路將觸點(diǎn)位置以電壓的形式讀取出來(lái).基于AD7982的AD轉(zhuǎn)換模塊將檢測(cè)到的模擬電壓高精度地轉(zhuǎn)換為數(shù)字字符串送入控制器.基于STM32的主控制模塊通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)識(shí)別觸點(diǎn)位置坐標(biāo),追蹤表筆軌跡功能.基于LCD12864的液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)位置點(diǎn)、坐標(biāo)、軌跡實(shí)時(shí)顯示功能.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 單元電路

1.2.1 繪圖板

用雕刻機(jī)將覆銅板分割成若干4 mm×4 mm的小塊,加大整塊銅板的電阻值,具體分割方法如圖2所示,由于銅絲的長(zhǎng)度不同,每一小塊的電阻值也不同.而當(dāng)表筆觸碰銅板時(shí),由于串聯(lián)電阻分壓,使得不同區(qū)域所得到的電壓值不同.雕刻后的覆銅板作為本研究的繪圖板.

圖2 改變阻值測(cè)壓法覆銅板

1.2.2 電源電路設(shè)計(jì)

由于常用的L7805和LM317芯片功耗大、效率低,而LM2576采用開關(guān)控制方式,符合低功耗的要求,故使用LM2576組成的電源電路模塊.

本模塊的電路連接如圖3所示.LM2576作為穩(wěn)壓芯片,1腳接輸入電壓,2腳輸出電壓,3、5、6腳接地,4腳接反饋電路,通過(guò)LM2576將12 V的電源做DC-DC穩(wěn)壓至5 V輸出,為整個(gè)電路提供可靠的電壓輸入.

圖3 電源電路

LM2576內(nèi)含固定頻率振蕩器(52 kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23 V),并具有完善的保護(hù)電路,包括電流限制及熱關(guān)斷電路等,利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路[4].

1.2.3 AD電路模塊設(shè)計(jì)

本模塊電路連接如圖4所示.由于電阻板的電壓范圍為0～2.5 V,而AD7982轉(zhuǎn)換范圍為±10 V,故電阻板的電壓需要經(jīng)由AD628共模差分放大器放大4倍,放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器OP2177來(lái)提供足夠高的信噪比.AD7982需要十分精確的基準(zhǔn)電壓,所以使用ADR421來(lái)提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓,最后再經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓跟隨器,提供足夠的帶寬,得到ADC數(shù)據(jù),通過(guò)SPI總線,三線制輸出.

圖4 AD模塊電路

AD7982是一款18位、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),采用單電源(VDD)供電.它內(nèi)置一個(gè)低功耗、高速、18位采樣ADC和一個(gè)多功能串行接口端口.其功耗和吞吐量呈線性變化關(guān)系[5].

1.2.4 控制模塊電路設(shè)計(jì)

相較于89C52,STM32存儲(chǔ)空間大,因本設(shè)計(jì)中有大數(shù)據(jù)需要處理,且滿足低功耗的要求,故采用STM32F103作為控制核心來(lái)控制整個(gè)流程,本模塊電路如圖5所示.STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核[6].

圖5 STM32最小系統(tǒng)原理圖

1.2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

TFT顯示屏顯示圖像較為美觀,但功耗較大,不滿足低功耗的要求.LCD1602由于屏幕尺寸無(wú)法滿足要求,LCD12864可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字,也可完成圖形顯示,低電壓低功耗由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶 顯示模塊相比,不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多,且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊.故選擇LCD12864作為此次設(shè)計(jì)的顯示屏.

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示.

圖6 軟件流程圖

2.2 軟件功能介紹

硬件電路初始化程序,實(shí)現(xiàn)了LCD清屏、初始畫面顯示以及STM32初始化功能.讀取AD數(shù)據(jù)程序,并對(duì)AD數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、濾波,最終在顯示屏上顯示出觸點(diǎn)具體坐標(biāo)位置,并可以通過(guò)按鍵清屏.

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 線性銅板電阻-電壓變化關(guān)系的數(shù)據(jù)表

由于本設(shè)計(jì)根據(jù)表筆觸點(diǎn)的位置不同,得到不同的電壓,再采用線性查表法查詢覆銅板電阻-電壓變化關(guān)系數(shù)據(jù)表,以此確定表筆觸點(diǎn)的位置坐標(biāo).因此需要事先測(cè)得覆銅板電阻-電壓變化關(guān)系數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的軟件部分寫入STM32F103中.

表1 覆銅板電阻-電壓變化關(guān)系數(shù)據(jù)表

表1列明了每行電壓與轉(zhuǎn)換值的關(guān)系,例如第一行最右邊電壓為4.001 V,第一行最左邊電壓為3.9713 V,分別將轉(zhuǎn)換值記為152638150和151505095,并將第一行中間位置的電壓Vi近似為線性關(guān)系,從而通過(guò)公式Vi×38.15×106計(jì)算出轉(zhuǎn)換值,從而確定位置坐標(biāo).根據(jù)表1可以通過(guò)點(diǎn)擊手寫繪圖板上任意點(diǎn)得到表筆此點(diǎn)的電壓,進(jìn)而通過(guò)查詢覆銅板電阻-電壓變化關(guān)系數(shù)據(jù)表得到此點(diǎn)的近似位置坐標(biāo).

3.2 定位測(cè)試數(shù)據(jù)表

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,分別測(cè)試了不同位置點(diǎn)的定位精度,并給出了這些位置坐標(biāo)的理論值與實(shí)測(cè)值.

表2 覆銅板定位測(cè)試數(shù)據(jù)表

表2是系統(tǒng)完成后,對(duì)手寫繪圖板位置坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果.由表2可見,在(64,24)、(63,-24)、(-63,24)、(-63,-24)等繪圖板的4個(gè)角定位非常準(zhǔn)確,在(32,0)、(-32,0)、(0,32)、(0,-32)等繪圖板4個(gè)邊的中間位置定位基本準(zhǔn)確,在(0,0)、(8,0)等內(nèi)部位置定位稍有偏差.由此可見,定位精度已經(jīng)達(dá)到所需要求.

4 結(jié) 論

本論文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103的手寫繪圖板,設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于前期 AD信號(hào)的采集部分,由于覆銅板電阻率較低,要求的精度卻較高,所以對(duì)微弱信號(hào)的采集就相當(dāng)關(guān)鍵.本論文采用18位AD、STM32開發(fā)板、開關(guān)電源、從而使得坐標(biāo)定位精度高、功耗低、系統(tǒng)性能優(yōu)良而且穩(wěn)定.

本論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參加2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽,獲得了上海賽區(qū)一等獎(jiǎng).本設(shè)計(jì)采用刻板機(jī)對(duì)覆銅板進(jìn)行了雕刻,與其他常見方法有顯著區(qū)別,在定位精度、功耗等要求上均滿足了賽題要求.由于系統(tǒng)采用了雕刻覆銅板的方法,也出現(xiàn)了如下幾個(gè)問(wèn)題:(1)覆銅板的電阻受到溫度的影響較為嚴(yán)重,隨著系統(tǒng)通電時(shí)間的延長(zhǎng),覆銅板測(cè)量電壓變化較大,系統(tǒng)的定位精度會(huì)迅速下降;(2)系統(tǒng)定位的精度處處相等,沒(méi)有在中心處表現(xiàn)出突出的優(yōu)越性.在軟件定位算法改進(jìn)、加入溫度傳感器、降低覆銅板對(duì)溫度的敏感度等方面還有改進(jìn)的空間.

[1] Tan Y J,Huang H,Yu Y X,et al.Design of drawing board based on stm32 [J].Practical Electronics,2014(5):79.

[2] Yue L Q,He S X,Du D Z.Design of handwritten drawing board based on STC89C52 microprocessor [J].Electronic Test,2014(7):54-55.

[3] Xu P,Hui Z L,Cheng L M,et al.Design of positioning system of copper clad plate based on high-frequency skin effect [J].Electronics World,2014(17):188-189.

[4] Texas Instruments Incorporated.LM2576 User′s manual [R].Dallas,Texas:Texas Instruments Incorporated,2013.

[5] Analog Devices.ANALOG DEVCIES AD7982 User′s manual [R].Norwood,MA:Analog Devices,2011.

[6] ST Microelectronics.STM32F103 User′s manual [R].HUNTSVILLE,AL:ST Microelectronics,2011.

(責(zé)任編輯：包震宇)

Design of handwritten drawing board based on the STM32F103

WEI Haoran, NI Jifeng, LONG Yanhua

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

A bleeder circuit of copper plate resistance is used to design a drawing board,in which the AD conversion module is based on AD7982,the master control module is based on the STM32F103,and the liquid crystal display module is based on LCD12864.By searching the linear data sheet which records the change of copper plate resistance-voltage,the drawing board can display the coordinates and quadrant of the contact,the text and the track of the pen on the LCD screen when the pen touches on the 15 cm×10 cm copper plate.This design is an ideal solution because of its high precision and low power consumption.

STM32; AD7982; LCD12806; coordinate positioning; path tracking

2015-04-27

上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃(ZZshsf14026)

倪繼鋒,中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,郵編:200234;E-mail:nijifeng@shnu.edu.cn

TP 368

A

1000-5137(2016)05-0543-05

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.05.005