2013年全国大学生电子设计大赛_手写绘图板(G题)设计报告.doc

摘要 本手写绘图板系统由精密恒流源电路、低功耗模拟检测采样电路、高精度 仪用放大器、AD转换器、单片机控制电路（MSP430）、12864液晶显示电路构成。本系统使用普通覆铜板，对其对角交叉通过测试电流，探笔测得覆铜板上采样电压，将采样信号差模输入仪用放大器进行信号高精度放大后送入MSP430芯片，利用单片机内部自带AD转换，编程实现采样信号电压与坐标之间转换（算法采用有限元分析法和曲线拟合分析），主要可以实现以下功能：12864液晶上显示出探笔接触覆铜板上点的坐标值，并且基本实现在覆铜板上画圆，本设计具有低功耗的功能，并达到题目要求的测量精度。 关键词：手写绘图板 覆铜板 MSP430仪用放大器 AD转换 单片机最小系统 目录 一、方案论证与比较 - 5 - 1．检测采样部分 - 5 - 2．主控电路部分 - 5 - 3. 坐标点测量方法 - 5 - 二、系统设计 - 6 - 1. 总体设计 - 6 - 2. 单元电路设计 - 6 - （1）恒流电路 - 6 - （2）覆铜板换流控制 - 7 - （3）探笔信号采集电路 - 8 - （4）主控电路 - 9 - （5）显示部分 - 9 - 3. 程序设计 - 9 - （1）程序完成功能 - 9 - （2）程序流程图 - 9 - 三、系统测试 - 10 - 1. 测试方案 - 10 - （1）硬件调试 - 10 - （2）软件调试 - 11 - （3）软硬联调 - 11 - 四、测试结果及分析 - 12 - 1. 性能测试分析 - 12 - （1）描点模式测试 - 12 - （2）划线模式测试 - 12 - （3）功耗测试 - 12 - 2. 功能测试分析 - 12 - 3. 误差分析 - 12 - （1）系统误差 - 12 - （2） 随机误差 - 13 - 五、参考文献： - 13 - 六、 附录： - 14 - 附1：覆铜板等电势分布图 - 14 - 附2：等电位换流测试数据（500mA为基准） - 14 - 附3：MSP430最小系统电路图 - 15 - 附4：元器件明细表 - 15 - 附5：电路原理图图纸 - 18 - 附6：作品照片 - 18 - 一、方案论证与比较 根据题目要求，我们分以下两个部分进行方案设计与论证： 1．检测采样部分 方案一：根据实际测量计算，覆铜板需要较小的测试电流，探笔测得电压较小，通常为几uV到几个mV之间，为满足要求需将采样电压放大到1~1.5V，采用通用运算放大器对探笔采样信号进行放大，优点是器件便宜易寻。缺点是精确不高，零点漂移大。 方案二：利用单片机PWM对检测电路进行控制，实现对覆铜板的换流功能，其中恒流源由TL431和LM358组成恒流供电。探笔采集的电压信号使用仪用放大器差模输入放大，仪用放大器具有高共模抑制比，能实现高精度放大采集信号。 综合比较，方案二具有电路简单，实现精度高，元器件易寻。 2．主控电路部分 方案一：选用C51单片机，该单片机结构简单，使用普遍，应用成熟，价格便宜但速度慢，容量小，内部资源较少，不具有内部ADC，使得外围电路复杂。 方案二：选用MSP430单片机，MSP430单片机是16位功能强大的单片机，采用精简指令（RISC），丰富的寻址方式和大量的寄存器保证了MSP430单片机可编制出高效率的源程序。3.3V供电超低功耗，运行速度快，片内资源丰富，如自带12位ADC等。省去了复杂的外围电路。 综合考虑，选用方案二。 3. 坐标点测量方法 方案一：在恒电压模式下，测量电流的变化。 方案二：在恒电流模式下，测量电压的变化。用四探针法测量，该设计采用交互式探测法，利用四探针技术来测量覆铜板的薄层电阻，因薄层电阻的计算公式为： 其中I是通过两电流探针的电流强度；V是两电压探针的电势差；K为修正系数，K是一个确定的值，所以我们只要知道两电流探针的电流强度I，主要计算出修正系数就可以计算出二维电场分布情况。 我们可以采用有限元方法解决该静电场的问题，用四探针技术对电场进行有限元分析，把覆铜板分成若干个小方格，对每个小方格测出电压值，再画出等势线。 另附 等电位换流测试数据（500mA为基准）表、覆铜板等电势分布图，见附1、2。 二、系统设计 1. 总体设计 本着题目低功耗要求设计，系统可由四个部分组成：检测采样、探笔信号放大、MUC主控、人机交互（独立按键、采集结果显示）。系统设计框图如图2所示 图1 系统设计框图 MSP430主控芯片产生3路PWM控制信号控制检测采样电路，探笔检测到的电压信号经AD620仪用放大器放大后送入MSP430自带ADC转换后，由MSP430编程实现将转换后的采集结果显示出来。 2. 单元电路设计 （1）恒流电路 由于测试需要尽可能地减小干扰，为保证覆铜板电场分布不受干扰，测试