第一部分 設(shè)計(jì)概述
設(shè)計(jì)目的
為解決傳統(tǒng)相冊(cè)及桌面照片擺臺(tái)只能展示固定圖片這一問題,本次設(shè)計(jì)的基于STM32L431RCT6低功耗芯片制作的電子墨水屏相冊(cè),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(jìn)行更改即可。本次設(shè)計(jì)的電子墨水屏相冊(cè)相較于傳統(tǒng)相冊(cè)與桌面擺臺(tái)新增了一塊OLED副屏,可以顯示電量、溫度、天氣、日歷等實(shí)時(shí)信息,通過設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面提高設(shè)備的交互性。另有無(wú)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(cè)外形美觀、功能強(qiáng)大,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。無(wú)論是居家、辦公場(chǎng)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(tái)應(yīng)用于醫(yī)院、酒店大堂、餐廳、公司前臺(tái)、業(yè)務(wù)辦理窗口等場(chǎng)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(shí)可作天氣、時(shí)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(diǎn)
e-Album電子墨水屏相冊(cè)的技術(shù)特點(diǎn)主要有:
1.可刷新 :采用墨水屏作為主屏,ESP8266可通過WIFI從PC機(jī)或智能手機(jī)上獲取圖片信息,并將信息通過電子墨水屏顯示出來(lái),實(shí)現(xiàn)圖片刷新。
2.圖像顯示 :采用“微膠囊電泳顯示”技術(shù)進(jìn)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(chǎng)作用而產(chǎn)生遷移。電子紙顯示屏靠反射環(huán)境光來(lái)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(dá)到了180°,因此非常適合閱讀。
3.多種顯示方式 :通過抖動(dòng)算法使獲得更多的顏色組合,對(duì)原始圖片進(jìn)行更好的陰影渲染。有黑白色階、黑白抖動(dòng)、多色色階、多色抖動(dòng)四種顯示方式。
4.控制 :通過STM32L431RCT6這款功能強(qiáng)大、低功耗、高性能的微控制器作為主控芯片,實(shí)現(xiàn)OLED屏中顯示天氣、溫度、時(shí)間、鬧鐘、電量等功能,加強(qiáng)人機(jī)交互,增強(qiáng)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(jì)來(lái)控制功耗。
關(guān)鍵性能指標(biāo)
e-Album功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越。具有低功耗、可刷新、不傷眼等性能特點(diǎn)。墨水屏通過網(wǎng)站處理原始圖像數(shù)據(jù)耗時(shí)約25秒,墨水屏刷新顯示耗時(shí)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(dòng)算法,提高圖片還原度。
使用電池供電最高續(xù)航時(shí)間可達(dá)14天。
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
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(jìn)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(dòng)板,其可通過WIFI從計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)上獲取圖片信息,并將信息通過電子墨水屏顯示出來(lái)。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(cè)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(cè)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(dòng)、多色色階、多色抖動(dòng)。通過兩種圖像處理算法——色階法、抖動(dòng)法實(shí)現(xiàn)。其中抖動(dòng)法對(duì)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(lái)繪畫陰影和過度區(qū)域,可以展示出圖像細(xì)節(jié)。
3.利用毫米波傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)休眠
墨水屏相冊(cè)配有人體存在感應(yīng)雷達(dá),可實(shí)時(shí)檢測(cè)感應(yīng)范圍內(nèi)是否有人,若未檢測(cè)到則進(jìn)入自動(dòng)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(shí),使用者會(huì)將e-Album豎向放置,其中內(nèi)置的水銀開關(guān)感應(yīng)動(dòng)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(cè)e-Album放置方向相較于常用的重力傳感器等感知旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的器件而言更加簡(jiǎn)潔且實(shí)用經(jīng)濟(jì)。
第二部分 系統(tǒng)組成及功能說(shuō)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(jì),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(lái)建立網(wǎng)站獲取圖像的原始數(shù)據(jù),并對(duì)圖像的原始數(shù)據(jù)做抖動(dòng)算法處理,傳輸至墨水屏顯示。可以獲取時(shí)間,信息,傳輸給DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)走時(shí),使系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取精準(zhǔn)時(shí)間信息。可以獲取天氣信息傳輸至OLED屏幕進(jìn)行顯示。
BMP280檢測(cè)溫度氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至OLED屏幕進(jìn)行顯示。毫米波雷達(dá)用于檢測(cè)人體是否存在實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)休眠進(jìn)行能耗控制。數(shù)碼管有多種顯示模式,可以顯示時(shí)間信息通過改變顯示模式進(jìn)一步的控制功耗。
各模塊介紹
(1)墨水屏幕驅(qū)動(dòng)
▲ 圖 2 7.3寸墨水屏電路
電子墨水屏驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)墨水屏顯示圖片,并根據(jù)網(wǎng)站信息進(jìn)行刷新與更換圖片。
(2)OLED屏幕驅(qū)動(dòng)
▲ 圖 3 OLED
OLED屏可通過各輸入模塊實(shí)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(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作模式切換,滿足個(gè)性化需求。
(3)ESP8266模塊
通過ESP8266訪問互聯(lián)網(wǎng)得到時(shí)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(jī)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(jìn)行顯示。
(4)時(shí)鐘模塊
▲ 圖 4 數(shù)碼管
e-Album只需聯(lián)網(wǎng)一次,時(shí)鐘便可更新為當(dāng)前時(shí)間。在斷電后,電池仍給時(shí)鐘模塊供電,因此即使關(guān)閉e-Album,時(shí)鐘依然在計(jì)時(shí),在再次開啟e-Album時(shí),可保證時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間一致。并通過數(shù)碼管或OLED屏幕進(jìn)行顯示。
(5)ADC采集模塊
▲ 圖 5 ADC設(shè)計(jì)
將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),用于采集電池電壓信息,便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與處理。并且在檢測(cè)電路種加入了使能控制引腳,ADC采集可以實(shí)現(xiàn)固定頻率采集,進(jìn)一步控制功耗。
(6)無(wú)極調(diào)光模塊
▲ 圖 6 無(wú)極調(diào)光
通過人體手指觸摸,感應(yīng)觸摸時(shí)長(zhǎng),通過觸摸時(shí)長(zhǎng)調(diào)節(jié)燈絲亮度。還有亮度記憶功能。可以彌補(bǔ)墨水屏無(wú)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(jì)
作為傳感器測(cè)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(gè)系統(tǒng)硬件電路全部自主設(shè)計(jì)并繪制,各模塊均可正常工作,系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)基本完成。
軟件編寫基本完成,實(shí)現(xiàn)了各模塊正常工作,系統(tǒng)運(yùn)行正常,人機(jī)教務(wù)界面編寫完整,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各功能切換各項(xiàng)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(shí)間約25秒,墨水屏刷新顯示時(shí)間約為30,綜合墨水屏刷新顯示時(shí)間約為一分鐘。墨水屏在不刷新顯示時(shí)基本無(wú)功耗。
BMP280溫度氣壓傳感器獲取當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度,壓強(qiáng)數(shù)值。反應(yīng)靈敏,誤差較小。
DS3231高精度I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘,獲取時(shí)間數(shù)據(jù)速度快頻率高,與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相差不到一秒。
毫米波雷達(dá),檢測(cè)精度高,不受障礙物影響,反應(yīng)迅速,延時(shí)低。在0.75米內(nèi)識(shí)別率穩(wěn)定可達(dá)到百分之95以上。
通過ESP8266訪問互聯(lián)網(wǎng)得到時(shí)間,氣溫等數(shù)據(jù),在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定的情況下,反應(yīng)迅速,延時(shí)低。
時(shí)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(gè)性化需求。
OLED顯示人機(jī)交互界面流暢清晰,屏幕刷新率高。識(shí)別按鍵輸入信號(hào)靈敏反應(yīng)迅速,延時(shí)低。
第四部分 總結(jié)
可擴(kuò)展之處
在OLED屏顯示圖像處理進(jìn)度 。當(dāng)網(wǎng)站進(jìn)行圖像處理時(shí),如果要將圖像處理進(jìn)度反饋給主控芯片,還需要進(jìn)一步降低圖像處理速度。目前為了保證圖像處理進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)高速處理圖片數(shù)據(jù)的同時(shí)獲取圖像處理的進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)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(jì)的功耗控制并不特別理想,這也是后續(xù)改進(jìn)的一個(gè)方向。
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電子墨水屏標(biāo)簽:低功耗處理器技術(shù)

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