2013年全国大学生电子设计大赛设计报告
摘 要
在当今的现代化社会，科技发展迅速。尤其是单片机技术的开发应用发展，基于单片机技术而研发的产品，为我们的生活提供了极大的方便与实用。
本作品基32位ARM控制器LM3S3748设计一个手写绘图输入设备，设计选用Luminary微处理器LM3S3748为主控芯片，由信号输入、信号采样、算法处理和LCD显示等部分组成，以完成手写绘图的功能，设计的重点在于提高精度以及低功耗。信号调节与24位A/D配合，保证了测量精度。合理的设计，保证了低功耗。
C语言进行软件设计，增加了程序的可读性，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。
关键词：手写绘图； LM3S3748； 精度； 低功耗
Abstract
In today's modern society, science and technology is developing rapidly. Especially the development of the single chip microcomputer application development ,based on single chip microcomputer technology research and development of products ,now which have provided great convenience and practical for our life.
This system based on the LM3S3748 which is design a handwritten drawing input devices,it contains a signal modulator , a high-speed A/D converter used sampling signal , a arithmetic module and the LED demonstration to achieve the function of handwritten drawing, the emphasis of it is improving the sensitivity and Low power consumption .The signal modulator ensures the sampling requirements and measurement accuracy with the help of 24 bits A/D converter. The reasonable design ensures low power consumption.
This system in C language software design,increases the readability of the program the software design using modular structure, make the program design logical relationship more concise and clear.
Keywords: handwritten drawing； LM3S3748；accuracy；low power consumption
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2013年全国大学生电子设计大赛设计报告
目 录
摘 要 ................................................................................................................................................ I Abstract ............................................................................................................................................. I 1系统设计任务 ................................................................................................................................ 2
1.1 设计任务 ............................................................................................................................ 2 1.2 设计要求 ............................................................................................................................ 2
1.2.1基本要求 .................................................................................................................. 2 1.2.2发挥部分 .................................................................................................................. 2
2方案设计与论证 ............................................................................................................................ 3
2.1系统方案论证 ..................................................................................................................... 3 2.2 电源模块 ............................................................................................................................ 4 2.3主控系统 ............................................................................................................................. 5 3理论分析与计算 ............................................................................................................................ 6
3.1 电桥测量法测电阻 ............................................................................................................ 6 3.2 威尔逊电流源 .................................................................................................................... 7 3.3 坐标点的测量方案 ............................................................................................................ 7 4 电路设计 ....................................................................................................................................... 8
4.1 Luminary Micro LM3S3748单片机 .................................................................................. 8 4.2 高性能AD转换 ................................................................................................................ 8 4.3 手写板设计 ........................................................................................................................ 9 4.4信息显示模块 ..................................................................................................................... 9 5 软件设计 ..................................................................................................................................... 10 6测试结果与误差分析 .................................................................................................................. 11
6.1测试仪器 ........................................................................................................................... 11 6.2测试及性能分析 ............................................................................................................... 11 6.3 结果与误差分析 ......................................................................................................... 12 6.3.1 系统测试结果 ............................................................................................................... 12 6.3.2 低功耗设计 ................................................................................................................... 12 6.3.3 系统误差分析 ............................................................................................................... 13 7 讨论与总结 ................................................................................................................................. 13 参考文献 ......................................................................................................................................... 13 附录 ................................................................................................................................................. 14
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1系统设计任务
1.1 设计任务
利用普通PCB覆铜板设计和制作手写绘图输入设备。系统构成框图如图1所示。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。覆铜板表面由参赛者自行绘制纵横坐标以及6cm x4cm（高精度区A）和12cm x8cm（一般精度区B）如图中两个虚线框所示。
图1.1
1.2 设计要求
1.2.1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10mm，绝对误差不大于5mm。
1.2.2发挥部分
（1）进一步提高坐标分辨率至8mm和6mm；要求分辨率为8mm时，绝对误差不大于4mm；分辨率为6mm时，绝对误差不大于3mm。
（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20mm，12mm和8mm不同直径的圆，并显示该圆；20mm的圆要求能在10s内完成，其它圆不要求完成
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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。
2方案设计与论证
根据设计的要求，设计任务主要完成表笔触点的精确显示以及手写绘图的功能，并能达到低功耗的要求，同时进行显示。为完成相应功能，系统可以划分为以下几个基本模块：电源模块、主控系统、手写模块、信号采集、以及信息显示模块。由此可得，本系统的系统总体框图如下所示。
电源电流表AD信号转换采集手写输入信号放大LM3S3748LCD液晶显示 图2 系统总体框图
2.1系统方案论证
根据的要求，设计的覆铜板如下，设计了为了精确定位表笔触点，可以采取的方案如下：
图2.1 手写板
方案一: 测量覆铜板四角到表笔间电容充放电时间。如图所示，开关置1期间为ton，置2期间为toff，周期为T=ton+toff。在ton期间E经R向C充电至U1，（如果ton足够长，也可以充电至E）。在toff期间电容C中的电荷Q以电流Io对地放电，电容上的电压uc从U1下降到Ur所释放的电荷：
delta_Q=C（U1-Ur）=Io*toff （1） 所以 C?Iotoff （2）
U1?Ur当U1、Ur、Io已知时测量toff就可以得到电容值C。而toff可以通过比较器IC1测uo的低电平的时间来得到。
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R12sEucCIoUrIC1uo
图2.1.1 电容充放电原理
方案二：采用测覆铜板四角到表笔间的电阻构成电桥，并如下图所示将被测电桥桥臂电阻R，放入恒流源电路中，并用AD测出Rx 两端的电压U。 则:
U=I*R
图2.1.2 电桥
方案三：测量覆铜板四角到表笔间的电感；采用开关电路，恒流源向被测电感充电,经过一个二极管放电，用ARM单片机定时测量稳定放电时间tD来测量电感值的原理由式（1）给出：
Lx?UDPtDI1?I2
(1)
其中tD是二极管稳定正向导通的时间段，UDP是二极管的正向导通电压，I1与恒流源Is有关，I2近似为零，并且稳定放电电流是线性下降的，Lx为所求电感。
综上所述，电桥法测电阻具有测量电路简单、快速、准确等特点，通过恒流源测电压信号采集较为简单。而且经过多次试验发现待测覆铜板四角到表笔间电容，电感测量较为复杂可能导致电笔定位不精确，故选择方案二。
2.2 电源模块
方案一：采用稳压芯片LM7805稳压电路，将输入的12V降压并稳定在5V，较为稳定。缺点是线性稳压电路,所有有其特有的内部功率损耗大,全部压降均转换为热量损失了,效率低。
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2013年全国电子设计大赛G题优秀论文
