基于STM32L431低功耗芯片制作的電子墨水屏相冊

第一部分 設(shè)計概述

設(shè)計目的

為解決傳統(tǒng)相冊及桌面照片擺臺只能展示固定圖片這一問題，本次設(shè)計的基于STM32L431RCT6低功耗芯片制作的電子墨水屏相冊，可以顯示電子圖片，省去沖洗照片等步驟，且可以快速隨心更換，只需通過在相應(yīng)網(wǎng)站進行更改即可。本次設(shè)計的電子墨水屏相冊相較于傳統(tǒng)相冊與桌面擺臺新增了一塊OLED副屏，可以顯示電量、溫度、天氣、日歷等實時信息，通過設(shè)計人機交互界面提高設(shè)備的交互性。另有無極調(diào)光，可解決墨水屏在夜晚顯示效果不佳的問題。

應(yīng)用領(lǐng)域

e-Album電子墨水屏相冊外形美觀、功能強大，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。無論是居家、辦公場景都可以作為一款桌面擺件增添氛圍與樂趣；亦可作為信息展示臺應(yīng)用于醫(yī)院、酒店大堂、餐廳、公司前臺、業(yè)務(wù)辦理窗口等場景。其自帶的觸摸按鍵調(diào)解燈光功能可將e-Album作為小夜燈使用，同時可作天氣、時間查詢工具及鬧鐘，非常適合放置于床頭，為生活增添便利。

主要技術(shù)特點

e-Album電子墨水屏相冊的技術(shù)特點主要有：

1.可刷新 ：采用墨水屏作為主屏，ESP8266可通過WIFI從PC機或智能手機上獲取圖片信息，并將信息通過電子墨水屏顯示出來，實現(xiàn)圖片刷新。

2.圖像顯示 ：采用“微膠囊電泳顯示”技術(shù)進行圖像顯示，其基本原理是懸浮在液體中的帶電納米粒子受到電場作用而產(chǎn)生遷移。電子紙顯示屏靠反射環(huán)境光來顯示圖案，不需要背光，在環(huán)境光下，電子紙顯示屏清晰可視，可視角度幾乎達到了180°，因此非常適合閱讀。

3.多種顯示方式 ：通過抖動算法使獲得更多的顏色組合，對原始圖片進行更好的陰影渲染。有黑白色階、黑白抖動、多色色階、多色抖動四種顯示方式。

4.控制 ：通過STM32L431RCT6這款功能強大、低功耗、高性能的微控制器作為主控芯片，實現(xiàn)OLED屏中顯示天氣、溫度、時間、鬧鐘、電量等功能，加強人機交互，增強了e-Album的可用性。

5.低功耗 ：通過低功耗微控制器控制軟件以及硬件電路設(shè)計來控制功耗。

關(guān)鍵性能指標

e-Album功能強大、性能優(yōu)越。具有低功耗、可刷新、不傷眼等性能特點。墨水屏通過網(wǎng)站處理原始圖像數(shù)據(jù)耗時約25秒，墨水屏刷新顯示耗時約30秒，刷新一張圖片需要一分鐘左右。

7.3寸7色墨水屏，分辨率為800*480，并通過多色抖動算法，提高圖片還原度。

使用電池供電最高續(xù)航時間可達14天。

主要創(chuàng)新點

1.電子墨水屏顯示，可刷新圖像。

電子墨水屏采用“微膠囊電泳顯示”技術(shù)進行圖像顯示，環(huán)境光下清晰可見。利用ESP8266作為電子墨水屏網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動板，其可通過WIFI從計算機或智能手機上獲取圖片信息，并將信息通過電子墨水屏顯示出來。可以通過在相應(yīng)網(wǎng)站中上傳圖片，選擇顯示方式使得電子墨水屏任意切換刷新圖片，相較于傳統(tǒng)相冊是一大突破與創(chuàng)新。

2.多種顯示方式

e-Album電子墨水屏相冊主屏可以將圖像顯示為四種模式，分別是黑白色階、黑白抖動、多色色階、多色抖動。通過兩種圖像處理算法——色階法、抖動法實現(xiàn)。其中抖動法對于顏色較為復(fù)雜、漸變區(qū)域較多的圖像，通過混合顏色的方法來繪畫陰影和過度區(qū)域，可以展示出圖像細節(jié)。

3.利用毫米波傳感器實現(xiàn)自動休眠

墨水屏相冊配有人體存在感應(yīng)雷達，可實時檢測感應(yīng)范圍內(nèi)是否有人，若未檢測到則進入自動休眠狀態(tài)。

4.利用水銀開關(guān)感知屏幕旋轉(zhuǎn)

當(dāng)電子墨水屏顯示豎向圖像時，使用者會將e-Album豎向放置，其中內(nèi)置的水銀開關(guān)感應(yīng)動作，水銀位置發(fā)生改變，從而控制OLED屏顯示方向。水銀開關(guān)檢測e-Album放置方向相較于常用的重力傳感器等感知旋轉(zhuǎn)運動的器件而言更加簡潔且實用經(jīng)濟。

第二部分 系統(tǒng)組成及功能說明

整體介紹

▲ 圖 1 整體結(jié)構(gòu)圖

e-Album基于STM32L431RCT6開發(fā)設(shè)計，由鋰電池或外部type-C供電作為輸入電源。輸入部分包括ESP8266模塊，用來建立網(wǎng)站獲取圖像的原始數(shù)據(jù)，并對圖像的原始數(shù)據(jù)做抖動算法處理，傳輸至墨水屏顯示?？梢垣@取時間，信息，傳輸給DS3231實時時鐘實現(xiàn)精準走時，使系統(tǒng)可實時獲取精準時間信息?？梢垣@取天氣信息傳輸至OLED屏幕進行顯示。

BMP280檢測溫度氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至OLED屏幕進行顯示。毫米波雷達用于檢測人體是否存在實現(xiàn)設(shè)備自動休眠進行能耗控制。數(shù)碼管有多種顯示模式，可以顯示時間信息通過改變顯示模式進一步的控制功耗。

各模塊介紹

（1）墨水屏幕驅(qū)動

▲ 圖 2 7.3寸墨水屏電路

電子墨水屏驅(qū)動電路驅(qū)動墨水屏顯示圖片，并根據(jù)網(wǎng)站信息進行刷新與更換圖片。

（2）OLED屏幕驅(qū)動

▲ 圖 3 OLED

OLED屏可通過各輸入模塊實現(xiàn)顯示設(shè)備狀態(tài)信息以及周圍環(huán)境信息。通過人機交互界面實現(xiàn)設(shè)備工作模式切換，滿足個性化需求。

（3）ESP8266模塊

通過ESP8266訪問互聯(lián)網(wǎng)得到時間，氣溫，天氣等數(shù)據(jù)，通過與用戶設(shè)備連接在同一局域網(wǎng)內(nèi)，通過網(wǎng)站上位機處理原始圖像數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給墨水屏模塊進行顯示。

（4）時鐘模塊

▲ 圖 4 數(shù)碼管

e-Album只需聯(lián)網(wǎng)一次，時鐘便可更新為當(dāng)前時間。在斷電后，電池仍給時鐘模塊供電，因此即使關(guān)閉e-Album，時鐘依然在計時，在再次開啟e-Album時，可保證時間與當(dāng)前時間一致。并通過數(shù)碼管或OLED屏幕進行顯示。

（5）ADC采集模塊

▲ 圖 5 ADC設(shè)計

將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于采集電池電壓信息，便于對系統(tǒng)進行分析與處理。并且在檢測電路種加入了使能控制引腳，ADC采集可以實現(xiàn)固定頻率采集，進一步控制功耗。

（6）無極調(diào)光模塊

▲ 圖 6 無極調(diào)光

通過人體手指觸摸，感應(yīng)觸摸時長，通過觸摸時長調(diào)節(jié)燈絲亮度。還有亮度記憶功能?？梢詮浹a墨水屏無法自發(fā)光導(dǎo)致的在夜晚顯示效果不佳的問題。

（7）BMP280

▲圖 7 BMP280設(shè)計

作為傳感器測量溫度和氣壓，并顯示于OLED屏。

第三部分 完成情況及性能參數(shù)

▲ 圖 8 總體硬件電路

整個系統(tǒng)硬件電路全部自主設(shè)計并繪制，各模塊均可正常工作，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計基本完成。

軟件編寫基本完成，實現(xiàn)了各模塊正常工作，系統(tǒng)運行正常，人機教務(wù)界面編寫完整，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)各功能切換各項參數(shù)調(diào)整，滿足用戶的多樣化需求。

▲ 圖 9 OLED界面

性能參數(shù)

網(wǎng)站獲取圖像原始數(shù)據(jù)后，處理時間約25秒，墨水屏刷新顯示時間約為30，綜合墨水屏刷新顯示時間約為一分鐘。墨水屏在不刷新顯示時基本無功耗。

BMP280溫度氣壓傳感器獲取當(dāng)時環(huán)境溫度，壓強數(shù)值。反應(yīng)靈敏，誤差較小。

DS3231高精度I2C實時時鐘，獲取時間數(shù)據(jù)速度快頻率高，與世界標準時間相差不到一秒。

毫米波雷達，檢測精度高，不受障礙物影響，反應(yīng)迅速，延時低。在0.75米內(nèi)識別率穩(wěn)定可達到百分之95以上。

通過ESP8266訪問互聯(lián)網(wǎng)得到時間，氣溫等數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定的情況下，反應(yīng)迅速，延時低。

時鐘數(shù)碼管可以在三種顯示模式之間自由切換，滿足用戶個性化需求。

OLED顯示人機交互界面流暢清晰，屏幕刷新率高。識別按鍵輸入信號靈敏反應(yīng)迅速，延時低。

第四部分 總結(jié)

可擴展之處

在OLED屏顯示圖像處理進度 。當(dāng)網(wǎng)站進行圖像處理時，如果要將圖像處理進度反饋給主控芯片，還需要進一步降低圖像處理速度。目前為了保證圖像處理進度，便舍棄了主控的這一功能，后續(xù)可通過提高主控芯片的頻率來實現(xiàn)高速處理圖片數(shù)據(jù)的同時獲取圖像處理的進度信息，顯示于OLED屏幕上，便于用戶獲取設(shè)備信息。

文件管理系統(tǒng)搭建 。后續(xù)可在主控芯片中增加文件管理系統(tǒng)，將圖片信息存儲于外部FLASH中選擇，并通過文件管理系統(tǒng)切換顯示圖片，使得電子墨水屏顯示系統(tǒng)中存儲的圖片。

功耗 。作為桌面擺件，可靠性是非常重要的，因此續(xù)航也非常重要。目前的設(shè)計的功耗控制并不特別理想，這也是后續(xù)改進的一個方向。