开题报告与文献综述

2014 届本科毕业设计（论文）开题报告

题目基于STM32的手写绘图板的

设设计与实现

学院电气与自动化工程学院

年级2010级专业自动化（测控）

班级102 学号160510212

姓名庞洪霖

校内导师李鑫职称中级

校外导师职称

毕业设计

基于STM32的手写绘图板的设计与实现

(论文)题目

一、课题的目的和意义：

随着社会的飞速发展与科学技术的日新月异，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，为人们的生活提供了极大的方便与实用。

对于更加完善的人机交互系统的追求，催生了输入设备的快速发展，其中手绘输入设备为代表的输入设备是其中具有代表性的产物。

一般来说，绘图板系统包括两个部分：触摸检测装置和绘图板控制器。触摸检测装置安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接收后传送到绘图板控制器；绘图板控制器的主要作用，是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将其转换成触点坐标，再送给CPU，同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。

今天的电气和电子设备采用了以下五种类型的绘图板技术：电阻式、表面电容式、投射电容式、表面声波式和红外线式。采用以上任何一种绘图板技术的系统都由感应装置、与电子控制电路的互连装置和控制电路构成。

常见绘图板硬件上一般采用的是电磁式感应原理，在光标定位及移动过程中，完全是通过电磁感应来完成的。绘图板的板子内，有一块电路板，上面有横竖均衡排列的线条，将绘图板切割成一定数量的正方形，板面上方产生均衡的纵横交错的磁场，笔尖在绘图板上移动的时候，切割磁场，从而产生电信号，通过多点定位，绘图板芯片就可以精确的确定绘图板笔尖的位置。因此绘图板光标移动过程中笔不需要接触绘图板就可以移动，感应高度一般为15毫米。有源无线的绘图板原理和无源无线的有一定区别，有电池的笔本身可以释放出一定的磁场，而无电池的笔则通过将绘图板产生的磁场反射来完成。压感产生于笔中的压力电阻，压感通过磁场信号反馈到绘图板上。

本课题以普通的PCB覆铜板为基础，将覆铜板作为电阻串连在电路中，板上各点对应的电阻值唯一，通过万用表笔对覆铜板上各点的电压的测量，来实现对覆铜板的定位功能，并通过软件算法处理，记录万用表笔划过的位置，并将划过的位置显示在液晶屏上，从而进一步实现系统的绘图板的功能。

随着感知压力技术，悬浮感应技术，双屏技术，多点绘图技术等新技术的发展应用，绘图输入技术和设备必将拥有更加广阔的未来与发展前景。

二、课题研究的主要内容：（论文提纲）

课题主要研究手写绘图板系统的设计与实现，以STM32为手写绘图板系统的核心控制器，实现手写绘图板系统的功能，包括分辨率可以达到一定精度的接触定位以及绘图的功能。

主要研究的内容有:

1.为抑制共模噪声而实现的差分电路的设计；

2.稳压电路模块的设计；

3.算法处理和TFT显示模块的实现；

4.覆铜板信号采集模块的实现；

5.整合各个模块，进行最终调试。

三、文献综述及参考文献目录：（课题研究的基础、现状与趋势；文献综述不少于1000字，参考文献至少15篇以上）

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，为人们的生活提供了极大的方便与实用。

当前绘图板发展的技术基础以及常用的五种类型的绘图板技术：电阻式、表面电容式、投射电容式、表面声波式和红外线式。采用以上任何一种绘图板技术的系统都由感应装置、与电子控制电路的互连装置和控制电路构成。

触摸屏技术方便了人们对计算机的操作使用，是一种极有发展前途的交互式输入技术，因而受到各国的普遍重视，并投入大量的人力、物力对其进行研发，新型触摸屏不断涌现。

（1）触摸笔：利用触摸笔进行操作的触摸屏类似白板，除显示界面、窗口、图标外，触摸笔还具有签名、标记的功能。这种触摸笔比早期只提供选择菜单用的光笔功能大大增强。

（2）触摸板：触摸板采用了压感电容式触摸技术，屏幕面积最大。它由三部分组成：

最底层是中心传感器，用于监视触摸板是否被触摸，然后对信息进行处理；中间层提供了交互用的图形、文字等；最外层是触摸表层，由强度很高的塑料材料构成。当手指点触外层表面时，在1 / 1000s内就可以将此信息送到传感器，并进行登录处理。除与PC 兼容外，还具有亮度高、图像清晰、易于交互等特点，因而被应用于指点式信息查询系统（如电子公告板），收到了非常好的效果。

（3）触摸屏：可用于在演播室使用触摸屏点评系统，简单讲就是输入和输出合二为一，不再需要机械的按键或滑条，显示屏就是人机接口。整个触摸屏系统由LCD、触摸屏、触摸屏控制器、主CPU、LCD控制器构成。多点触摸屏控制器是触摸屏模组的核心，触摸屏控制器是采用PSoC（可编程系统芯片）技术，PSoC 是集成了可编程模拟和数字外围以及MCU 核的混合信号阵列，所以PSoC 的灵活性、可编程性、高集成度等特性被广泛应用于触摸屏控制器。

触摸屏技术的发展趋势，具有专业化、多媒体化、立体化和大屏幕化等特点。随着信息社会的发展，人们需要获得各种各样公共信息，以触摸屏技术为交互窗口的公共信息传输系统，通过采用先进的计算机技术，运用文字、图像、音乐、解说、动画、录像等多种形式，直观、形象地把各种信息介绍给人们，给人们带来极大的方便。

随着感知压力技术，悬浮感应技术，双屏技术，多点绘图技术等新技术的发展应用，以及更为人性化的触觉反馈技术，体感技术的进一步应用，绘图输入技术和设备必将拥有更加广阔的未来与发展前景。

本设计主要分为硬件设计和软件设计两部分，具体的实现方法如下：

一、硬件设计

本课题研究基于STM32控制器设计一个手写绘图输入设备，由信号输入、差分电路、信号采样、稳压模块、算法处理和TFT显示等部分组成。直接使用万用表笔作为信号的采集端，采用经典的差分放大作为信号的放大模块，差分放大具有高共模抑制比，有效抑制并采用外接滑阻调节放大增益的设计，方便于后面的软件设计，并且在输入信号模块的设计上，还要综合考虑运放的温漂，零漂，以及如何降低运放的失调电压，因为处理的信号为直流信号，故不需要考虑其频率特性，整个系统的工作重点在于提高精度。信号调节与MCU的12位内置A/D配合，保证了测量精度。

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。覆铜板设

计内阻为约0.3欧姆，差分放大之前的电压差约为0.1mV，放大后的压差约为1.8V，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。

二、软件设计

采用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。软件设计总体上是先记录手写板的不同位置的对应电压，电压的计算采用建立一个数据表，然后通过查表法来实现定位的功能。然后对表笔划过的位置进行记录，并显示在TFT上。

由于电源随机性，上电时的输出电压不那么稳，导致每次测量时同一点的电位有差别，虽然只是几个毫伏，但经过运放的处理，误差非常明显，但是任意两点间的差值比较稳定。针对环境温度对覆铜板电阻的影响较大，在软件上采取了矫正设计，具体是先测量一组数据存入单片机，当上电时检测指定点的电压,在与单片机内存储的数据进行比对，从而确定差值，再在以后每一个数据上加上或者减去这一差值既可得到较为准确的数据。

三、总结

本系统通过测量覆铜板上的阻值变化来定位触笔坐标。而阻值的测量则是通过向覆铜板中通入恒定电流，测量点与点间的电压来实现的。系统运用电桥实现阻值测量,然后进行差分放大。通过AD转换模块，将数字信号输入STM32进行处理，在通过LCD进行显示。将手写板以5mm为单位，对手写板点进行定位，建立一个数据表，测试时测出触点处的数据，通过使用最小二乘法计算得到，查表得到最近的点的坐标值，进行显示。所以，本系统的数据测量的准确性以及密度决定了系统的准确性以及分辨率。

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四、本课题解决思路或实验方法

本课题研究基于STM32控制器, STM32基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。以普通的PCB覆铜板设计制作的一款简易的手写绘图板，能实现接触定位以及绘图功能，分辨率可以达到一定精度。显示模块采用TFT 液晶显示，可设计出更具个性的交互界面。

设计思路:本设计硬件信号采集模块主要基于电桥电路的设计架构，实现覆铜板的定点测量，数据处理时利用了曲线拟合来提高系统的定位精度，定位的思路是通过定点测量各个标记点的电压值并将个电压值记录在定值数组中，通过分析定值数组值来判断具体的接触点，从而实现定位的功能。

手写绘图板系统具体由信号输入、信号采样、稳压模块、差分电路、算法处理和TFT 显示等部分组成，覆铜板设计内阻为0.3欧姆，差分放大之前的电压差为0.1mV，放大后的压差为1.8V，

实验中的误差主要包括：放大电路的温漂、失调、恒流源的漂移、工频干扰、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。

针对的解决思路如下：

1.解决运放失调电压对系统的影响；

方法：<1>、采用斩波运放电路解决失调电压问题；

<2>、选用可外部调零的运放，搭建外部电路实现外部调零。

2.通过外围电路设计降低温漂，零漂对测量的影响；

方法：注重电路对称性，对于控制偏移电压或偏移电流等的影响可以选斩波稳零型的运放，这类运放的漂移很小。

3.如何降低温度变化对覆铜板取点精度的影响；

方法：对于温度对电阻值的影响，从而影响到反馈系数，那就要在器件和电路结构上注意温度的一致性，注意电路布局。

（覆铜板的两点问题）

4.由于覆铜板两端点的导线长度不可能完全相等，而且还要加入继电器转换电路，致使覆铜板两端的电位存在误差。

解决办法是在电位较低的一段前加入电阻补偿，使其产生压降，这样既可调节使两端点位相同。本系统采用加入康铜丝的方法。

5.由于铜板内部的铜分布不均，导致内部等势面变形，在铜板的边缘部分这种变形尤为明显，在靠近中心的部分，这种现象不显著。因此需要实际的测量一些数据，当检测边缘地带时进行软件的补偿。

6.AD采样消除工频干扰的实现

由于输出的直流电平中含有很小的50Hz工频干扰信号，因而单次AD采样得到的值不是一个定值，此时就需要一定的算法来消除此干扰信号。工频干扰信号是一种正弦信号，所以取工频信号的一个周期，并在周期内连续多次采样，求出的平均值就是直流输出电平的值。为了实现此算法，我们先用示波器测得AD采样一次数据花的时间约为60.6 us，因此需要连续采样330次，才能取得一个完整周期20ms内的所有值。这样处理之后发现AD采样的值能够很稳定，误差约为1‰，精度完全满足要求。

7.系统校零的实现

由于系统的工作电压的微小变化都会引起AD采样数据的变化，从而会使得到的坐标值有微小的漂移，此时就需要进行系统校零来消除此误差。当按键二按下时，将会触发IO口中断，在中断中进行AD采样，此时将触笔接到坐标中的原点，记录此时的AD采样数值，那么以后的AD采样数值都是在此基础上进行一定的增量、减量计算，再经过上面的坐标值确定算法，就可以比较准确的得到和系统工作电压相关性很小的坐标值。

五、工作计划或时间安排

起止日期毕业设计(论文)工作进度（主要内容、完成要求）

2014-02-03~2014-02-25完成开题报告、文献综述、外文翻译

2014-02-26~2014-03-10收集资料进行方案比较

2014-03-11~2014-03-20硬件电路制作和实验

2014-03-21~2014-05-05软件编程和调试

2014-05-06~2014-05-26撰写和修改毕业论文

指

导

教

师

意

见

指导教师（签字）：

年月日

系

意

见

系主任（签字）：

年月日学

院

意

教学院长（签字、公章）：

见

年月日

注：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，经指导教师签署意见及所在学院审核后生效。