手写绘图板的设计与实现

戴青云/石家庄职业技术学院电气与电子工程系

手写绘图板的设计与实现

戴青云/石家庄职业技术学院电气与电子工程系

2013年全国大学生电子设计竞赛高职组J题，要求利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。讨论了不同方案的，最终以单片机为控制核心，用恒流源给覆铜板加稳恒电流，利用电桥和OP07对产生的电压信号进行采集和放大辅以步放大电路、液晶屏显示电路、按键控制电路等模块实现了系统的基本功能要求。

手写绘图板；覆铜板；单片机

一、控制要求

利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。普通覆铜板尺寸为15cm×10cm，其四角用导线连接到电路，同时，一根带导线的普通表笔连接到电路。表笔可与覆铜板表面任意位置接触，电路应能检测表笔与铜箔的接触，并测量触点位置，进而实现手写绘图功能。

1.基本要求：

（1）指示功能：表笔接触铜箔表面时，能给出明确显示。

（2）能正确显示触点位于纵坐标左右位置。

（3）能正确显示触点四象限位置。

（4）能正确显示坐标值。

（5）显示坐标值的分辨率为10m m，绝对误差不大于5m m。

2.发挥部分：

（1）进一步提高坐标分辨率至8m m和6m m；要求分辨率为8m m时，绝对误差不大于4m m；分辨率为6m m时，绝对误差不大于3m m。

（2）绘图功能。能跟踪表笔动作，并显示绘图轨迹。在A区内画三个直径分别为20m m，12m m和8m m不同直径的圆，并显示该圆；20m m的圆要求能在10s内完成，其它圆不要求完成时间。

（3）低功耗设计。功耗为总电流乘12V；功耗越低得分越高。要求功耗等于或小于1.5W。

（4）其他。如显示文字，提高坐标分辨率等。

二、总体设计

本系统主要由铜板模块、信号采集和放大模块、开关控制模块、电源模块，控制模块组成。

采用测量覆铜板电阻大小的原理，表笔接负极。在覆铜板四个角上各接一个电阻接电源，当表笔接触到覆铜板上，测量表笔到四个角的电压，根据电压信号可以计算表笔的坐标。由于测得的铜板电阻太小，直接使用铜板使用恒流源和电桥法测量小电阻，对测量电压多级放大输出，实现电压测量。

采用恒流源进行采集数据，一级使用电桥进行差分放大，将差值放大后输入第二级放大，这种方法既便于采集放大，也能提高精度。利用以I RF540n为核心的M OS开关模块，让单片机通过此开关控制模块对测量线路的开闭进行控制。

电源模块组要由恒流源，单电源变双电源电路组成。恒流源是为铜板提供稳恒电流的，以测量电压信号。单变双电源以TDA 2030为核心12v单电源变为±6v的双电源。同时，加进了为单片机提供5v电压的电源部分。

考虑到对转换速度的要求不是很高，不需要运算速度太快的芯片，而重点在小信号的处理上，选择了STC89C52单片机。显示模块选择LCD12864液晶显示屏，它能够满足显示坐标、文字，显示表笔的轨迹，包括显示一个圆的轨迹，它的屏幕尺寸较大，分辨率较高。为了能够满足低功耗高精度的要求，覆铜板与一个0.5欧的水泥电阻串联，既保证了精度，也适当降低了功耗。信号处理模块采用低失调电压的运放芯片OP07、高精度的A DC芯片TLC2543和稳定的电压源模块，这样可以确保微弱的信号经过放大和模数转换后能被单片机处理并显示。

三、系统理论分析与计算

1.左右方向及象限位置的确定。使用单片机控制开关实现对四角测量的通断，通过用第一角电压减去第二角电压是否大于0来确定上下方向，通过第二角和第三角的压差是否大于0来确定左右方向，然后实现象限位置的确定。

2.坐标点测量的方法。在测试前将铜板用水将铜板上的氧化膜清除掉，但是由于铜板本身的各种原因，铜板上一点到四角的电阻是不均匀的，没办法实现根据各点电压计算距离，于是我们采用事先采集各点电压，在程序中使用查表的方法进行转换坐标，这样做尽管需要耗费单片机的内存，但是这种方法简单可行，精确度高，我们采用此方法。

3.各点坐标采集的方法。在板子上画好坐标之后我们根据多次测试的结果以每0.5m m为单位进行多次采样并取平均值，然后建立各点的电压值表，电压值表见表一。把这些数据写入单片机，当在表笔接触铜板时，根据输入的电压值查表找到对应的坐标然后送LCD显示。

四、程序的设计

预先计算出覆铜板上单位距离与电压值的比值，记为k。然后测量覆铜板上四个角的电压值，乘以预先算得的比例系数k，便得到了四个角与表笔的距离。再根据余弦定理求出，表笔与两角的直线和两角的夹边构成的三角形的面积。覆铜板的边长已知，根据三角形面积、底边和高的与的关系，便求出表笔到覆铜板边长的距离，同理可以求出表笔到其它三边的距离，也就是求出了表笔的坐标。

图1 主程序流程图

LCD部分用P2口和P0的部分口实现对LCD的控制和写数据。电压值处理部分事先将测得的数据写入程序，使用P1.0读取电压值在单片机内进行查表，计算处理后用LCD输出触点的左右侧，象限位置和坐标的信息。开关部分将4个引脚置1，实现M OS管的通断。按键部分使用中断，实现按键特定功能。主程序流程图如图1所示。

五、结论

通过稳压电源给普通覆铜板供电，通电后，当表笔触到铜板，检测触点电压值，信号经过两个运算放大器，二级放大一百倍，信号放大后输入到A DC模数转换芯片，最后，A DC芯片输出的数字信号输入到单片机中，经过单片机的处理在LCD液晶屏上显示，通过按键控制工作模式。

[1]张有志.全国大学生电子设计竞赛培训教程.清华大学出版社，2013.

[2]宁武等.新版大学生电子设计竞赛基本技能指导.电子工业出版社，2013.

[3]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社，2009.