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(xiě)繪圖板的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽高職組J題，要求利用普通PCB覆銅板設(shè)計(jì)和制作手寫(xiě)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(duì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的基本功能要求。

手寫(xiě)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(jì)和制作手寫(xiě)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(shí)，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(cè)表筆與銅箔的接觸，并測(cè)量觸點(diǎn)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)繪圖功能。

1.基本要求：

（1）指示功能：表筆接觸銅箔表面時(shí)，能給出明確顯示。

（2）能正確顯示觸點(diǎn)位于縱坐標(biāo)左右位置。

（3）能正確顯示觸點(diǎn)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(duì)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(shí)，絕對(duì)誤差不大于4m m；分辨率為6m m時(shí)，絕對(duì)誤差不大于3m m。

（2）繪圖功能。能跟蹤表筆動(dòng)作，并顯示繪圖軌跡。在A區(qū)內(nèi)畫(huà)三個(gè)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(shí)間。

（3）低功耗設(shè)計(jì)。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(jì)

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

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

采用恒流源進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，一級(jí)使用電橋進(jìn)行差分放大，將差值放大后輸入第二級(jí)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(kāi)關(guān)模塊，讓單片機(jī)通過(guò)此開(kāi)關(guān)控制模塊對(duì)測(cè)量線路的開(kāi)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(cè)量電壓信號(hào)。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(shí)，加進(jìn)了為單片機(jī)提供5v電壓的電源部分。

考慮到對(duì)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(diǎn)在小信號(hào)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(gè)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(gè)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(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)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(jì)算

1.左右方向及象限位置的確定。使用單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)四角測(cè)量的通斷，通過(guò)用第一角電壓減去第二角電壓是否大于0來(lái)確定上下方向，通過(guò)第二角和第三角的壓差是否大于0來(lái)確定左右方向，然后實(shí)現(xiàn)象限位置的確定。

2.坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量的方法。在測(cè)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(diǎn)到四角的電阻是不均勻的，沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)根據(jù)各點(diǎn)電壓計(jì)算距離，于是我們采用事先采集各點(diǎn)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(jiǎn)單可行，精確度高，我們采用此方法。

3.各點(diǎn)坐標(biāo)采集的方法。在板子上畫(huà)好坐標(biāo)之后我們根據(jù)多次測(cè)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(diǎn)的電壓值表，電壓值表見(jiàn)表一。把這些數(shù)據(jù)寫(xiě)入單片機(jī)，當(dāng)在表筆接觸銅板時(shí)，根據(jù)輸入的電壓值查表找到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)然后送LCD顯示。

四、程序的設(shè)計(jì)

預(yù)先計(jì)算出覆銅板上單位距離與電壓值的比值，記為k。然后測(cè)量覆銅板上四個(gè)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的控制和寫(xiě)數(shù)據(jù)。電壓值處理部分事先將測(cè)得的數(shù)據(jù)寫(xiě)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(jì)算處理后用LCD輸出觸點(diǎn)的左右側(cè)，象限位置和坐標(biāo)的信息。開(kāi)關(guān)部分將4個(gè)引腳置1，實(shí)現(xiàn)M OS管的通斷。按鍵部分使用中斷，實(shí)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(guò)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(cè)觸點(diǎn)電壓值，信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器，二級(jí)放大一百倍，信號(hào)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(hào)輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理在LCD液晶屏上顯示，通過(guò)按鍵控制工作模式。

[1]張有志.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)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(jì)競(jìng)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(yǔ)言教程.電子工業(yè)出版社，2009.