一种适用于初中地理智慧课堂的电子相册研制

曾碧五 黄湘超 李杨

（百亩中学，湖南 娄底 417000）

1 引言

在当今数字化与智能化应用的时代，科技渗透于人们生活的每一个角落，针对农村初中生缺乏基础学习设备，没有足够的硬件条件学习地理地图等问题，本文设计一种把数字信号处理信号和触摸屏显示等技术结合的智能学习相册。它是一种基于STM32列单片机STM32F103C8T6的智能学习相册，具有低成本、低功耗、外设丰富、实用性强等特点，改变了传统纸质图片的单一呈现方式，也实现了多种图片的呈现以及动态图的展示，大大丰富了图片的内容，为农村初中生学习地理提供了有力的学习设备，帮助学生理解地理学科概念以及规律；老师也可以用它进行图文教学，通过引导学生读图、识图、辨图，直观形象地启发学生思考，“润物细无声”地发现文字所无法阐述的信息，从地图中探究新知、获取信息等。因此，基于STM32的智能学习相册的设计具有重要的实际应用价值。

2 智能学习相册的功能设计

智能学习相册为农村初中地理提供了更方便的学习途径，老师可以通过屏幕上的SD接口下载资料数据后，带领学生通过地图走进现实生活，并且引导学生在生活环境中发现地理问题，让学生善于应用自己所学到的地理知识去寻找生活中所遇困难的解决方案。学生学习地理可以通过智能学习机随时翻看世界地图、中国主要地形图、中国主要气候类型图、中国温度带以及中国行政区划图等去分析现实生活情况，运用知识解析现象，结合自己的分析以及观察潜移默化地联系地理知识与现实生活，去探索世界。

3 硬件设计

3.1 系统结构

整个系统以MCU为核心，配套设备包括电源设备、触摸屏设备、存储器、外部时钟等部分。如图1所示。

图1 设计方案图

采用Altium Designer15软件绘制硬件电路图。整体电路图如图2所示。

图2 整体电路图

3.2 主控模块MCU

本装置中MCU使用STM32F103C8T6芯片，该系统由STM32芯片、晶振电路、复位电路、系统模式启动电路、程序下载接口电路以及指示灯电路组成（图3）。芯片共有48个引脚，启用4组电源引脚（2.0～3.6V）供电，时钟内含4～16MHZ的晶振器，拥有高达20K字节的SRAM和上电/断电复位，包括2个12位的ADC转换器、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含通信接口：2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口。

图3 单片机最小系统

其中，时钟电路由1个8MH晶振和2个22pF的瓷片电容组成，通过产生一个时钟信号，保证单片机同步工作方式的实现。装置上电后，起振产生脉冲波形，2个滤波电容滤掉谐波。晶振电路用于提高单片机的工作频率；复位电路是当单片机中的程序出现混乱出错时强制重新启动；程序下载接口用于给单片机烧录程序调试；单片机的电源接口旁边的电容是平波用的，使得单片机的工作电压更稳定；系统模式启动电路是选择程序存放在特定区域的。

复位电路产生的条件是：当系统掉电/上电，以及系统从待机模式返回时，发生电源复位。采用的复位方式是NRST引脚的低电平复位和上电复位。低电平复位时将电容并联一个按键，通过按键给该引脚一个低电平，让系统完成复位；上电复位则是将电容下端接低电平并联一个按键，电阻上端接高电平，中间接NRST引脚，使得通电时电容两端相当短路，本来接在电阻下端的NRST引脚为高电平，由于电容短路，导致NRST引脚接地变为低电平，将系统复位。

3.3 电源电路

系统采用大容量锂电池输出DC12V电压，经LM2576转换成5V再经ASM1117转换为3.3V，给单片机最小系统供电。LM2576是一种输出电压为5V的稳压器，输入电压范围为5～40V；AMS1117-3.3则是输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，输入电压范围为4.75～15V（图4）。

图4 电源电路原理图

大容量锂电池的12V电压通过DC接插件，当按键按下时流过LM2576转换成5V电压经过电容滤波再转给ASM1117转为3.3V，经电容滤波给单片机供电。12转5V电路中电感与续流二极管的作用是当有输出电压时，二极管因单向导电性截止不起作用，电感开始储存能量，当不输出电压时，电感开始释放能量，故电流回路通过续流二极管对地释放。

3.4 存储器电路

存储器电路采用24LC512芯片，可通过特定电信号对特定区域数据进行擦除，所擦除区域又可以重新编写内容的存储器，并且支持双向两线总线和数据传输协议，分为发送器与接收器。电路中7脚（WP）的作用是写保护，接在GND上则可以启用写操作，5引脚（SDA）用来传输地址和数据的设备，接一个上拉电阻为了防止电路电压受干扰，稳定信号输入，电阻的典型值为（10k、2k），6引脚（SCL）用于与MCU两者之间的数据传输。

3.5 外部时钟电路

外部时钟电路采用RX8025T芯片，芯片拥有I2C接口和温度补偿功能的新型时钟芯片，内部集成32.768KHz温度补偿晶体，可用于多种需要高精度时钟的场合。工作电压为2.2～5.5V，工作温度为-45℃～85℃。芯片采用3.3V供电，将RX8025芯片的2脚和13脚分别作为串行输入端和数据传输端，由于开漏输出原因所以必须要通过10K的上拉电阻接到电源电压，芯片可以时钟功能。

3.6 触摸屏硬件电路

该硬件电路主要由STM32F103C8T6单片机控制模块、电源模块、传感器模块构成。电路所使用的通信接口为USART，其功能是用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过RS-232串行口送到CPU，从而确定输入的信息。如图5所示。

图5 触摸屏接口电路

4 软件程序设计

4.1 主程序流程图

程序由Main函数开始执行，首先将所有硬件的端口初始化以及完成定时器、看门狗和串口配置；初始化完成后对SMT32的内部FLASH上锁，防止程序被读取；接着主循环执行判断50毫秒时间是否到达，如果到了刷新一次触摸屏的数据，否则判断100毫秒时间是否到达，如果到了，读取时间函数并保存数据；之后程序正常执行就会给看门狗定时器重置一次值500毫秒（俗称喂狗），这是一种防止程序跑飞的强制复位功能。如图6所示。

图6 总程序流程图

4.2 I2C通讯子程序

RX-8025T数据读取函数：先定义一个unsigned char型变量i，用于循环读取数据，当启动信号发出时，数据传输就以一个字节为单位进行，单片机发送8025T的地址，在地址上加“0”设定写模式，检测从8025T发出的ACK信号。单片机传输读寄存器的地址到8025T，检测从8025T发出的ACK信号，单片机发送连续启动信号，单片机传输8025T的地址，在地址上加“1”设定读模式，检测从8025T发出的ACK信号，单片机从8025T读取前面传输寄存器地址中的内容，单片机发送ACK信号给8025T，然后依次循环7次，这7次读取的内容分别为秒、分、时、星期、日、月、年数据。然后发送一个“1”作为ACK信号，最后发送停止信号。至此一次数据读取完成。程序及程序框图如图7所示。

图7 8025T读取程序流程图

5 整体调试

将程序下载至MCU当中，并用排线将DGUS屏连接到硬件电路，接通电源按下开关，DGUS屏进行SD卡数据下载，下载完成后DGUS屏开机画面显示起始页图片，如图8所示。

图8 智能学习相册起始页

图9 相册中的例图

6 结语

本文设计了以MUC为核心基于迪文DGUS屏的电子相册，为提高显示刷新速度采用了STM32单片机和较高频率的外部晶振，并使用硬件SPI接口实现与SD卡数据的快速传输，可以完成图片的浏览、电子书阅读等功能。经过软硬件调试，系统运行正常。