一種適用于初中地理智慧課堂的電子相冊研制

曾碧五 黃湘超 李楊

（百畝中學，湖南 婁底 417000）

1 引言

在當今數字化與智能化應用的時代，科技滲透于人們生活的每一個角落，針對農村初中生缺乏基礎學習設備，沒有足夠的硬件條件學習地理地圖等問題，本文設計一種把數字信號處理信號和觸摸屏顯示等技術結合的智能學習相冊。它是一種基于STM32列單片機STM32F103C8T6的智能學習相冊，具有低成本、低功耗、外設豐富、實用性強等特點，改變了傳統紙質圖片的單一呈現方式，也實現了多種圖片的呈現以及動態圖的展示，大大豐富了圖片的內容，為農村初中生學習地理提供了有力的學習設備，幫助學生理解地理學科概念以及規律；老師也可以用它進行圖文教學，通過引導學生讀圖、識圖、辨圖，直觀形象地啟發學生思考，“潤物細無聲”地發現文字所無法闡述的信息，從地圖中探究新知、獲取信息等。因此，基于STM32的智能學習相冊的設計具有重要的實際應用價值。

2 智能學習相冊的功能設計

智能學習相冊為農村初中地理提供了更方便的學習途徑，老師可以通過屏幕上的SD接口下載資料數據后，帶領學生通過地圖走進現實生活，并且引導學生在生活環境中發現地理問題，讓學生善于應用自己所學到的地理知識去尋找生活中所遇困難的解決方案。學生學習地理可以通過智能學習機隨時翻看世界地圖、中國主要地形圖、中國主要氣候類型圖、中國溫度帶以及中國行政區劃圖等去分析現實生活情況，運用知識解析現象，結合自己的分析以及觀察潛移默化地聯系地理知識與現實生活，去探索世界。

3 硬件設計

3.1 系統結構

整個系統以MCU為核心，配套設備包括電源設備、觸摸屏設備、存儲器、外部時鐘等部分。如圖1所示。

圖1 設計方案圖

采用Altium Designer15軟件繪制硬件電路圖。整體電路圖如圖2所示。

圖2 整體電路圖

3.2 主控模塊MCU

本裝置中MCU使用STM32F103C8T6芯片，該系統由STM32芯片、晶振電路、復位電路、系統模式啟動電路、程序下載接口電路以及指示燈電路組成（圖3）。芯片共有48個引腳，啟用4組電源引腳（2.0～3.6V）供電，時鐘內含4～16MHZ的晶振器，擁有高達20K字節的SRAM和上電/斷電復位，包括2個12位的ADC轉換器、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含通信接口：2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口、1個USB接口和1個CAN接口。

圖3 單片機最小系統

其中，時鐘電路由1個8MH晶振和2個22pF的瓷片電容組成，通過產生一個時鐘信號，保證單片機同步工作方式的實現。裝置上電后，起振產生脈沖波形，2個濾波電容濾掉諧波。晶振電路用于提高單片機的工作頻率；復位電路是當單片機中的程序出現混亂出錯時強制重新啟動；程序下載接口用于給單片機燒錄程序調試；單片機的電源接口旁邊的電容是平波用的，使得單片機的工作電壓更穩定；系統模式啟動電路是選擇程序存放在特定區域的。

復位電路產生的條件是：當系統掉電/上電，以及系統從待機模式返回時，發生電源復位。采用的復位方式是NRST引腳的低電平復位和上電復位。低電平復位時將電容并聯一個按鍵，通過按鍵給該引腳一個低電平，讓系統完成復位；上電復位則是將電容下端接低電平并聯一個按鍵，電阻上端接高電平，中間接NRST引腳，使得通電時電容兩端相當短路，本來接在電阻下端的NRST引腳為高電平，由于電容短路，導致NRST引腳接地變為低電平，將系統復位。

3.3 電源電路

系統采用大容量鋰電池輸出DC12V電壓，經LM2576轉換成5V再經ASM1117轉換為3.3V，給單片機最小系統供電。LM2576是一種輸出電壓為5V的穩壓器，輸入電壓范圍為5～40V；AMS1117-3.3則是輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩壓器，輸入電壓范圍為4.75～15V（圖4）。

圖4 電源電路原理圖

大容量鋰電池的12V電壓通過DC接插件，當按鍵按下時流過LM2576轉換成5V電壓經過電容濾波再轉給ASM1117轉為3.3V，經電容濾波給單片機供電。12轉5V電路中電感與續流二極管的作用是當有輸出電壓時，二極管因單向導電性截止不起作用，電感開始儲存能量，當不輸出電壓時，電感開始釋放能量，故電流回路通過續流二極管對地釋放。

3.4 存儲器電路

存儲器電路采用24LC512芯片，可通過特定電信號對特定區域數據進行擦除，所擦除區域又可以重新編寫內容的存儲器，并且支持雙向兩線總線和數據傳輸協議，分為發送器與接收器。電路中7腳（WP）的作用是寫保護，接在GND上則可以啟用寫操作，5引腳（SDA）用來傳輸地址和數據的設備，接一個上拉電阻為了防止電路電壓受干擾，穩定信號輸入，電阻的典型值為（10k、2k），6引腳（SCL）用于與MCU兩者之間的數據傳輸。

3.5 外部時鐘電路

外部時鐘電路采用RX8025T芯片，芯片擁有I2C接口和溫度補償功能的新型時鐘芯片，內部集成32.768KHz溫度補償晶體，可用于多種需要高精度時鐘的場合。工作電壓為2.2～5.5V，工作溫度為-45℃～85℃。芯片采用3.3V供電，將RX8025芯片的2腳和13腳分別作為串行輸入端和數據傳輸端，由于開漏輸出原因所以必須要通過10K的上拉電阻接到電源電壓，芯片可以時鐘功能。

3.6 觸摸屏硬件電路

該硬件電路主要由STM32F103C8T6單片機控制模塊、電源模塊、傳感器模塊構成。電路所使用的通信接口為USART，其功能是用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏時，所觸摸的位置由觸摸屏控制器檢測，并通過RS-232串行口送到CPU，從而確定輸入的信息。如圖5所示。

圖5 觸摸屏接口電路

4 軟件程序設計

4.1 主程序流程圖

程序由Main函數開始執行，首先將所有硬件的端口初始化以及完成定時器、看門狗和串口配置；初始化完成后對SMT32的內部FLASH上鎖，防止程序被讀取；接著主循環執行判斷50毫秒時間是否到達，如果到了刷新一次觸摸屏的數據，否則判斷100毫秒時間是否到達，如果到了，讀取時間函數并保存數據；之后程序正常執行就會給看門狗定時器重置一次值500毫秒（俗稱喂狗），這是一種防止程序跑飛的強制復位功能。如圖6所示。

圖6 總程序流程圖

4.2 I2C通訊子程序

RX-8025T數據讀取函數：先定義一個unsigned char型變量i，用于循環讀取數據，當啟動信號發出時，數據傳輸就以一個字節為單位進行，單片機發送8025T的地址，在地址上加“0”設定寫模式，檢測從8025T發出的ACK信號。單片機傳輸讀寄存器的地址到8025T，檢測從8025T發出的ACK信號，單片機發送連續啟動信號，單片機傳輸8025T的地址，在地址上加“1”設定讀模式，檢測從8025T發出的ACK信號，單片機從8025T讀取前面傳輸寄存器地址中的內容，單片機發送ACK信號給8025T，然后依次循環7次，這7次讀取的內容分別為秒、分、時、星期、日、月、年數據。然后發送一個“1”作為ACK信號，最后發送停止信號。至此一次數據讀取完成。程序及程序框圖如圖7所示。

圖7 8025T讀取程序流程圖

5 整體調試

將程序下載至MCU當中，并用排線將DGUS屏連接到硬件電路，接通電源按下開關，DGUS屏進行SD卡數據下載，下載完成后DGUS屏開機畫面顯示起始頁圖片，如圖8所示。

圖8 智能學習相冊起始頁

圖9 相冊中的例圖

6 結語

本文設計了以MUC為核心基于迪文DGUS屏的電子相冊，為提高顯示刷新速度采用了STM32單片機和較高頻率的外部晶振，并使用硬件SPI接口實現與SD卡數據的快速傳輸，可以完成圖片的瀏覽、電子書閱讀等功能。經過軟硬件調試，系統運行正常。