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 .docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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、柔弱电阻测量电路为外围帮助电路,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;系统使用一般覆铜板作为绘图板,利用四线法测量柔弱电阻来确定坐标,本系统考虑到低功耗要求,整机功耗1.3W,坐标测量辨论率4mm,肯定误差小于 2mm,测量精确、系统稳固,成效比较中意;关键词:手写绘图板; MSP430 F149;精密恒流源;柔弱电阻测量;高精度 AD 名师归纳总
2、结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用一、系统方案1.1 方案比较与挑选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,流过一般覆铜板后,通过测量一般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,流过一般覆铜板,产生恒定压降,通过测量电压确定坐标位置;方案三:精密沟通电流源;产生沟通电流输出,流过一般覆铜板后,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,实现柔弱电压信号的提取,进而确定坐标位置;方案二实现起来较为简洁,方案一能够减小功耗
3、,但是脉冲电流可能引入较大 的噪声,影响测量精度,而且掌握相对复杂,方案三实现起来较为复杂;考虑到题名师归纳总结 目中坐标测量辨论率为6mm 时,肯定误差不大于3mm,方案二能够满意要求,第 2 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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 显示屏的掌握,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
4、流源电路、MSP430处理模块和12864 LCD 显示屏构成;由精密恒流源输出1A 的恒定电流,通过开关掌握电流流入一般覆铜板的方向,将表笔两端的压降通过 INA118 外表放大器将 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、理论分析与运算名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,可以等效为测量柔弱电阻值,如图2 所示, T 是表笔测试端子, A、B、C、D 是覆
5、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,无法确定唯独坐标;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,都有唯独的一组电压降 U1、U2)与之对应,即有唯独的一组电阻值 R1、R2)与之对应,这样便可以确定唯独坐标;通常电阻值的测量采纳两线法,但由于导线电阻会引入很大误差;故对于柔弱电阻的测量采纳四线法,可以排除导线电阻的影响;如图3 所示 R1R4为 4 根测量导线
6、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 = I S R为恒定值;这样通过四线制的方法就排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独坐标;图 2 坐标测量示意图R1R2Rx恒流源I s 测量 电压UmR3R4图 3 柔弱电阻测量示意图名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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缘由主要是各种误差源的影响,这些误差源如图4所示,主要包括:放大电路的温漂、失调I s 、恒流源的漂移 、工频干扰 、Rx运放温
7、漂、失调恒流 源漂移50Hz工频干扰覆 铜板自身变化热电势+外表放大器 U1 U2 U3 U4 U5图 4 误差源示意图覆铜板本身的变化、热电势等;通常这些误差会严峻影响柔弱电压信号的放大以及测量,因此必需排除或者减小误差源,测量才有意义;试验证明,在弱电阻测量时误差源基本不随测试电流方向变化,因此通过转变测试电流的方向 2 R由于要掌握电流的流向,所以恒名师归纳总结 流源的负载包括一般覆铜板和开关,如图4第 5 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用所示;一般覆铜板的电阻大小约为 开关采纳 IRF3205,其导通
8、电阻仅为50m ,因此需要减小开关的电阻;在本设计中,8m ,这样恒流源回路电阻为 : R = 50m + 8m + 8m = 66m普I s开关通开关覆铜板图 5 恒流源负载示意图恒流源回路上的功耗仅为66mW,胜利的防止了大电流带来的大功耗;同时掌握中心采纳低功耗单片机 MSP430,显示屏使用 12864,两者静态功耗仅为 0.2W;外表放大器选用INA118 ,其静态电流仅 350uA,采纳 5V 供电,功耗仅3.5mW;ADC 采纳 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,能够胜利地实现低功耗设计;三、电路与 程
9、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;反馈环较大简洁产生振荡,但通过合理的调剂参数可以使输出稳定;此电路可以在消耗很小的功率条件下输出最大 压的掌握,其关系为:3A 的电流;输出电流受输入电本系统将输出电流设计为1A,这样输入电压为0.1V;由于运放采纳单电压供电, 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纳轨至轨输入运放;本设计采纳轨至轨输入运放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供应;2)检测电路设计检测
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