2022年电子方案竞赛一等奖报告手写绘图板罗登覃元元吴旭峰 .pdf
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1、个人资料整理仅限学习使用手写绘图板摘要:设计了一种基于MSP430F149的手写绘图输入设备。系统以MSP430为主控器,以高精度AD 采样电路、精密恒流源电路、微弱电阻测量电路为外围辅助电路,能检测表笔与铜箔的接触,测量触点位置,并实现了手写绘图、显示文字的功能。系统使用普通覆铜板作为绘图板,利用四线法测量微弱电阻来确定坐标,本系统考虑到低功耗要求,整机功耗1.3W,坐标测量分辨率4mm,绝对误差小于 2mm,测量准确、系统稳定,效果比较满意。关键词:手写绘图板; MSP430 F149;精密恒流源;微弱电阻测量;高精度AD 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
2、 - - - - - -第 1 页,共 11 页个人资料整理仅限学习使用一、系统方案1.1 方案比较与选择微小电阻测量实现方案方案一:大脉冲电流测量法。产生脉冲电流源,流过普通覆铜板后,通过测量普通覆铜板上的最大压降,确定坐标位置。方案二:精密直流恒流源测量法。产生精密恒流源,流过普通覆铜板,产生恒定压降,通过测量电压确定坐标位置。方案三:精密交流电流源。产生交流电流输出,流过普通覆铜板后,产生特定频率的正弦电压,通过锁相放大的方法排除噪声的干扰,实现微弱电压信号的提取,进而确定坐标位置。方案二实现起来较为简单,方案一能够减小功耗,但是脉冲电流可能引入较大的噪声,影响测量精度,而且控制相对复杂
3、,方案三实现起来较为复杂。考虑到题目中坐标测量分辨率为6mm时,绝对误差不大于3mm,方案二能够满足要求,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页个人资料整理仅限学习使用1.2 系统结构本系统以 MSP430 为核心处理器,通过对ADC、MOS 开关、 12864LCD 显示屏的控制,检测表笔与铜箔的接触,测量触点位置,实现了手写绘图、显示文字的功能,达到手写绘图板的基本技术要求。如图1 所示,本系统主要由电压信号调理电路、高精度AD 采样电路、精密恒流源电路、MSP430处理模块和12864 LCD 显示屏构成。由精密
4、恒流源输出1A 的恒定电流,通过开关控制电流流入普通覆铜板的方向,将表笔两端的压降通过INA118 仪表放大器将mV 级电压信号放大至V 级,之后经过 ADS8317 采样,经过 MSP430处理,将对应的坐标值以及图形、文字显示在LCD 屏上。二、理论分析与计算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页个人资料整理仅限学习使用2.1 坐标点测量方法测量坐标值,可以等效为测量微弱电阻值,如图2 所示,T 是表笔测试端子, A、B、C、D 是覆铜板的 4 个顶角;当覆铜板上A、C两点之间流过恒定电流时,覆铜板各点之间会产生恒
5、定的压降,其等势线如图2所示。考虑到覆铜板是二维平面,等势线上各点电压相等,所以仅仅测量T 点与覆铜板某个顶角两点之间的压降,无法确定唯一坐标。因此,可以测量T 点和 B 点、T 点和 C 点之间的恒定电压降 U1、U2)。对于每一个坐标值,都有唯一的一组电压降U1、U2)与之对应,即有唯一的一组电阻值 R1、R2)与之对应,这样便可以确定唯一坐标。通常电阻值的测量采用两线法,但由于导线电阻会引入很大误差。故对于微弱电阻的测量采用四线法,可以消除导线电阻的影响。如图3所示 R1R4为 4根测量导线的电阻值,由于流过Rx 的电流是恒定的Is,所以 Rx 两端的电压UX = IS RX为恒定值。这
6、样通过四线制的方法就消除了导线电阻的影响,可以精确测量电阻值,通过一组数据就可以确定唯一坐标。图 2 坐标测量示意图图 3 微弱电阻测量示意图R1R4RxR2R3恒流源I s 测量 电压Um精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页个人资料整理仅限学习使用2.2 误差分析影响精确测量直流电压值的原因主要是各种误差源的影响,这些误差源如图 4 误差源示意图覆铜板本身的变化、热电势等。通常这些误差会严重影响微弱电压信号的放大以及测量,因此必须消除或者减小误差源,测量才有意义。实验证明,在弱电阻测量时误差源基本不随测试电流方向变
7、化,因此通过改变测试电流的方向 2 R 由于要控制电流的流向,所以恒流源的负载包括普通覆铜板和开关,如图4图4所示,主要包括:放大电路的温漂、失调、恒流源的漂移 、工频干扰 、R x热电势U 5运放温漂、失调U1恒流源漂移U250H z工频干扰U3覆铜板自身变化U 4+I s 仪表放大器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页个人资料整理仅限学习使用所示。普通覆铜板的电阻大小约为50m ,因此需要减小开关的电阻。在本设计中,开关采用 IRF3205,其导通电阻仅为8m ,这样恒流源回路电阻为 : 图 5 恒流源负载示意图
8、恒流源回路上的功耗仅为66mW,成功的避免了大电流带来的大功耗。同时控制中心采用低功耗单片机MSP430,显示屏使用 12864,两者静态功耗仅为 0.2W;仪表放大器选用INA118,其静态电流仅 350uA,采用 5V 供电,功耗仅3.5mW;ADC 采用 5V 供电的 ADS8317,采样率为 10kHz时,功耗仅为 0.5mW。综上通过合理的器件选型与电路设计,能够成功地实现低功耗设计。三、电路与程序设计3.1 主要功能电路设计1)恒流源电路设计恒流源电路如图6 所示,由 AD8571、NPN 管和 TPS5430构成一个大反馈。反馈环较大容易产生振荡,但通过合理的调节参数可以使输出稳
9、定。此电路可以在消耗很小的功率条件下输出最大3A 的电流。输出电流受输入电压的控制,其关系为:本系统将输出电流设计为1A,这样输入电压为0.1V。由于运放采用单电压供电,0.1V 的输入电压相对过小,为保证运放正常工作可以设置偏置电压和采用轨至轨输入运放。本设计采用轨至轨输入运放AD8571,AD8571 的输入电压可以低至0V。AD8571 及 NPN 管的供电电压由稳压芯片提供。2)检测电路设计检测电路如图7 所示,使用高精度低功耗仪放INA118 对表笔两端的电压进行放大,放大倍数设定为1000倍。为了避免工频等其他干扰,输入与输出均接有截至频率约30Hz 的一阶 RC 滤波器。输入输出
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