郭培扬-毕业设计说明书(可穿戴设备系统)

1、2016 届毕业生毕业设计 说明书题题 目目: : 基于基于 STM32STM32 的可穿戴设备系统的可穿戴设备系统 院系名称：院系名称： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动自动 F1204F1204 学生姓名：学生姓名： 郭培扬郭培扬 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 讲师讲师 2016 年年 05 月月 16 日日I摘要“可穿戴设备”是可穿戴技术在日常穿戴产品的设计中的应用，例如手表、眼镜、服装、鞋和手套。广义的可穿戴设备是指功能全、尺寸大，不依赖于智能手机，实现了智能手机全部或部分功能，如智能手表和智能眼镜等，以及只专注于某一类型的应用功能，需

2、要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。随着技术的进步以及用户需求的变迁，可穿戴式智能设备的形态也在不断的变化。穿戴式技术在国际计算机学术界和工业界一直都备受关注，只不过由于造价成本高和技术复杂，很多相关设备仅仅停留在概念领域。本系统以意法半导体公司的基于 Cortex-M3 32 位高性能单片机 STM32F103ZET6 为核心，由 GSM 模块、GPS 模块、MPU6050 六轴加速度传感器模块、TFT 彩屏、SD 卡等组成了一个可穿戴设备系统。该系统实现了万年历、秒表、计步、闹钟、画板、日历、地图等功能。地图获取的图片存放在 SD 卡中，GUI 图片存

3、放在 8M 的外置 FLASH 当中。系统支持全触摸操作。关键词：关键词：可穿戴设备；STM32 单片机；TFT 彩屏；文件系统；SD 卡；GPS 地图IITitle The Wearable Device System Based on the STM32AbstractThe wearable devices is the application of the Wearable Technology in the Daily wearable Product Design, such as the glasses, gloves, watches, clothes and shoes. G

4、enerally,The wearable smart devices including full-featured, large size, do not rely on smart phones to achieve a complete or partial functions, such as smart watches and smart glasses, etc., and only focus on a certain type of application functions, and other devices such as smart phones with the u

5、se of various types of conduct such as signs monitoring bracelet intelligent, smart jewelry. As technology advances and the change of user needs, application forms of wearable smart devices are constantly changing. Wearable computer technology has attracted wide attention in the international academ

6、ia and industry, but due to the high construction cost and technical complexity, a lot of related equipment only is an idea. This system is based on the STM32F103ZET6 as the core which is produced by the STMicroelectronics Cortex-M3 32-bit high performance microcontroller,This system also use GSM mo

7、dule, GPS module, MPU6050 six-axis acceleration sensor module, TFT color screen, SD card and other components.The system has six functions such as the calendar, stopwatch, pedometer, alarm clock, Sketchpad, Calendar, Maps, and other functions. Map Get pictures stored in the SD card, GUI image stored

8、 in the external 8M FLASH.The system supports full-touch operation.Keywords: Wearable device; STM32 microcontroller;TFT color screen;The file system; SD card; GPS mapsIII目次目次1 1 绪论绪论.- - 1 1 - -1.1 选题背景.- 1 -1.2 国内外研究现状及意义.- 1 -2 2 设计要求设计要求.- - 3 3 - -3 3 方案论证方案论证.- - 4 4 - -3.1 控制器方案.- 4 -3.2 显示模块方

9、案.- 5 -3.3 加速度传感器方案.- 5 -4 4 硬件部分硬件部分.- - 6 6 - -4.1 单片机.- 6 -4.2 TFT 彩屏 .- 9 -4.3 触摸屏控制芯片.- 11 -4.4 MPU6050 模块 .- 12 -4.5 SD 卡 .- 14 -4.6 EEPROM 存储器 24C02 .- 15 -4.7 FLASH 芯片 W25Q64.- 16 -4.8 蜂鸣器电路.- 17 -4.9 GPS 模块 .- 17 -4.10 GSM 模块 .- 19 -5 5 软件部分软件部分.- - 2121 - -5.1 开发工具介绍.- 21 -5.2 程序框图.- 21 -5

10、.3 文件系统的移植.- 22 -5.4 GUI 程序的设计 .- 24 -5.5 主要功能的实现原理.- 25 -6 6 系统功能测试与分析系统功能测试与分析.- - 3838 - -6.1 开机主界面测试.- 38 -6.2 万年历功能测试.- 38 -6.3 秒表功能测试.- 39 -IV6.4 闹钟功能测试.- 40 -6.5 画板功能测试.- 41 -6.6 计步功能测试.- 41 -6.8 测试结果分析.- 42 -结论结论.- - 4545 - -致谢致谢.- - 4646 - -参考参考文文献献.- - 4747 - -附录一：系统电路原理图附录一：系统电路原理图.- - 48

11、48 - -附录二：部分源程序附录二：部分源程序.- - 5252 - - 1 -1 1 绪论绪论1.11.1 选题选题背景背景随着科技的进步，用单片机开发的智能化产品在各个领域得到广泛地应用，它极大地提高了社会生产力水平。加快了工业的发展。可穿戴设备目前已经成为科技发展的热潮，世界各公司在可穿戴设备系统上的投入越来越高，智能可穿戴设备有着众多的优点，包括体积小，功耗低，携带性高、功能强大等等。因此它深受人们的喜爱。另外，由于触摸屏以及各种传感器的引入，使得可穿戴设备迈向高端消费品的行列。可穿戴设备的轻薄和低功耗使其在生活电子产品中脱颖而出。智能的操作系统的应用，让可穿戴设备实现多功能，操作也

12、更加流畅。在众多电子产品中，可触摸的智能可穿戴设备代替传统按键操作的设备，使其功能丰富强大。现代人们的生活越来越离不开智能手机，智能手机给我们提供了丰富的资讯、应用、以及游戏。它给我们带来方便的同时，也使很大一部分人沉迷于智能手机，成为低头一族。因此，开发出一种具备智能手机的基本功能，又不至于使人们沉迷的电子设备就变得非常有意义。1.21.2 国内外研究现状与意义国内外研究现状与意义从智能手表，到各个厂家的运动手环，再到最近非常流行的 VR 眼镜，可以看到，可穿戴设备已经融入到了人们生活的方方面，它越发深刻地改变着人们的生活方式，提升着人们的生活质量。下面将主要介绍美国、日本、韩国可穿戴设备行

13、业的发展情况。1.2.1 国外可穿戴设备发展概况目前世界范围内可穿戴设备产量迅猛增长，美国是全世界最早提出可穿戴设备的思想和雏形的国家，近年来，Google Glass、Apple Watch 等备受瞩目的可穿戴产品也源自美国的大型知名企业。世界顶级会计师事务所之一的普华永道，近期发布了两份关于可穿戴设备现状及未来发展的报告。报告表明，美国人对可穿戴技术的未来十分乐观，但对现有的技术则缺乏热情。韩国可穿戴行业发展的主要代表为三星公司。三星公司作为全球最大的智能手机厂商，也是目前为止可穿戴市场最大的推动者。2013 年 9 月，三星公司正式发布了其第一款智能手表 Galaxy Gear，随后又对

14、其进行更新，推出了Galaxy Gear 2/Fit/Neo。公司自主研发的可穿戴产品还包括曲面屏智能手表- 2 -Gear S，它是首款不必连接智能手机就具有上网功能的智能手表，它内置了支持蜂窝数据功能的上网模块。在三星公布的 2015 年产业发展规划中，主要集中在可穿戴领域、虚拟现实、智能家居以及在线教育。目前，三星有近万名开发和设计人员都在为即将上市的可穿戴型设备做准备，足以证明三星打算拓宽可穿戴型设备市场的决心。三星公司表明，他们在芯片、存储、屏幕技术等方面的垂直整合能力，将为其带来更多优势。日本的电子技术发展以索尼、东芝、富士通等行业巨头为典型代表， 然而在可穿戴技术发展方面，日本的

15、初创企业比行业巨头表现更为优秀。成立于2013 年的日本 Logbar 公司是可穿戴技术公司的杰出代表之一，该公司因推出一款名为“Ring”的智能戒指而闻名。将 Ring 智能戒指戴在手指上，随意动动手指头便可远程控制智能手机、电视等智能终端设备。同样成立于 2013 年的 Moff 公司推出了一款利用声音将周围物品全部变成互动玩具的智能腕带。儿童将智能腕带戴在手上后，可以通过蓝牙设备将手环连接到 Moff 的 IOS 应用程序，实现与智能设备终端的连接，将周围物品变成互动玩具。1.2.2 国内可穿戴设备发展概况国内的可穿戴设备已经具备监测、医疗、娱乐、办公、学习、定位等多种功能。随着人们对于

16、自身健康问题的重视度不断增加，消费者在健康方面的诉求使得医疗健康、运动健身类产品市场份额较大。目前，可穿戴设备在医疗健康领域取得了快速发展，可穿戴移动医疗设备市场规模正在不断扩大。在众多的移动医疗产品中，最受欢迎的是为医院和患者提供医疗服务和监测的可穿戴健康产品。国内可穿戴设备融资创业公司大多成立在 2013 年， 产品集中在手表、手环，应用领域集中在健康、医疗、运动、跟踪定位等。其中，有近一半的可穿戴设备创业公司把发展方向为健康领域。1.2.3 研究意义目前，智能手机的功能非常强大，各种应用、游戏让用户应接不暇、不舍得放下手中的手机，低头族由此诞生。而穿戴式设备虽然没有手机那样具有各种聊天工

17、具和游戏软件，但其轻薄便携带的优点是手机不可替代的。避免娱乐类的功能加之以时钟、导航等功能，因此它可帮助人们特别是大学生摆脱对手机的过度依赖。穿戴式设备的便携性也使人们在对一些事务的处理简便快捷，包括 GPS 定位、时钟、万年历、画板等。- 3 -2 2 设计要求设计要求利用 STM32 开发板、GSM 模块、MPU6050，设计智能可穿戴设备系统，产品功能如下：(1).万年历(时间可调整)(2).闹钟(时间可设置、具有懒人叫醒功能)(3).计时器(可以进行计时，且可以后台运行)(4).地图(可以进行定位、通过 GSM 模块的 GPRS 功能向腾讯地图服务器请求地图信息，模块接收到数据后，进行

18、解析，并将地图显示在 LCD 屏，也可以通过加 减按键进行地图精度的改变)(5).手势控制(根据手势的变化，在屏幕的画板上显示相应的图像，也可以修改画图的颜色)(6).记步(可以后台自动运行，一直记录人体行走的步数)- 4 -3 3 方案论证方案论证根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图，如图 3.1，然后分别讨论了本系统在控制器、显示模块、以及加速度传感器模块的选择方案。STM32开发板GSM模块MPU6050加速度传感器模块GPS模块LCD模块电源电路外围驱动电路图 3.1 系统原理框图3.13.1 控制器控制器方案方案方案一：使用 51 单片机作为主控制器。51 单片机以其低廉的价

19、格，简单的操作，俘获了大量的用户，但是反过来看便宜简单往往意味着功能的低端。在本设计中，51 单片机就显得力不从心了，它的 IO 口数量较少，片上外设资源匮乏，而且处理速度也偏低。方案二：采用 STM32F103ZET6 作为主控制器。STM32F103ZET6 是意法半导体公司推出的一款以 Cortex-M3 为内核的 32 位高性能单片机。拥有多达 112个 IO 口，它以 8 位单片机的价格，满足了用户 32 位单片机的需求。本系统对主控制器的速度有较高要求，速度对本系统的操作流畅度有较大的影响，STM32F103ZET6 最大可以达到 72MHZ，这是 51 单片机远不可及的。此外，由

20、于穿戴式设备系统对体积以及功耗要求比较严格，STM32 在这两方面做的都比较出色而 51 单片机无法满足系统的要求。所以选择方案二，采用STM32F103ZET6 作为系统的主控制器。- 5 -3.23.2 显示模块显示模块方案方案方案一：采用 12864 点阵式液晶。12864 是 128*64 点阵液晶模块的点阵数简称，该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。一页共可以显示 32 个汉字或者 64 个字符。方案二：采用搭配 ILI9341 控制芯片的 240 x320 彩屏。TFT 彩屏在消费电子产品中有着广泛的应用，它支持 26 万色的显示，显示效果十分细腻，此 L

21、CD屏使用 INTEL 的 8080 接口，STM32F103ZET6 带有 FSMC 功能，支持 Intel 8080和 Motorola 6800 的模式，LCD 屏内部的 GRAM 直接由 FSMC 控制，实现快速的刷屏。近些年，随着技术的发展，LCD 彩屏的分辨率越做越高，色彩也越来越丰富，显示效果极为细腻。这些优点是点阵式液晶无法超越的。特别是在图片的显示方面，点阵式液晶与 LCD 彩屏比起来更是相形见绌，无法还原出图片的本来面貌。而且，LCD 彩屏还可以支持触屏，方便系统的控制。由于本设计需要用到触摸屏功能以及良好的显示效果，所以综上所述，系统选择方案二，采用TFT 彩屏作为显示器

22、件。3.33.3 加速度传感器加速度传感器方案方案方案一：使用 MPU6050 加速度传感器模块。MPU6050 是一款整合性 6 轴运动处理组件，它内部带有三轴的加速度传感器、三轴的陀螺仪、并且能通过自身的第二 IIC 接口连接外部的磁力传感器。将这九轴的数据利用 DMP（Digital Motion Processor）进行数据解算，进而就能输出完整的九轴的姿态融合解算数据。利用了 DMP 进行数据解算，就降低了单片机的负荷，同时缩短了开发周期，降低了开发难度。方案二：不使用加速度传感器模块。在实现计步功能时可以利用 GPS 模块记录用户移动距离，根据用户自己设定的步长计算出行走步数。方案

23、一可以精确地检测到用户行走时在三个轴上的加速度变化，配合算法，识别出用户行走的姿态并记录。但是方案二只能粗略地估算步数，并且算出的步数受 GPS 模块的精度影响十分大，当用户在室内时由于 GPS 模块不能很好地接收卫星信号造成无法计步。基于以上考虑，本设计采用方案一。- 6 -4 4 硬件部分硬件部分在本系统的设计中使用了许多外围元器件以及模块电路，主要如下：控制器 STM32F103ZET6 以及最小系统电路、JTAG 接口电路、LCD 触摸屏模块、MPU6050 模块、SD 卡、EEPROM 存储器 24C02、FLASH 存储器 W25Q64、蜂鸣器、GPS 模块、GSM 模块。下面将对

24、这些模块分别介绍。4.14.1 单片机单片机4.1.1 STM32F103ZET6 概述STM32F103ZET6 是 ST 公司推出的一款基于 Cortex-M3 内核的微处理器。STM32 具有 MCU 应用领域的 32 位处理器的性能，STM32 系列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 内核单片机。STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz。主要特性如下：（1）.512K 片内 FLASH（相当于硬盘）,64K 片内 RAM（相当于内存）,片内FLASH 支持在线编程(IAP)。（2）.Cor

25、tex-M3 处理器内核，最高时钟频率可达 72MHZ。（3）.12 通道直接内存访问控制器（DMA）。（4）.8 个定时器、2 个看门狗定时器和 RTC 实时时钟。（5）.42 个 16 位的后备寄存器(可以理解为电池保存的 RAM),利用外置的纽扣电池,和实现掉电数据保存功能。（6）.2 个 CAN 总线模块、5 个 UART 通用串行模块、3 路 SPI 接。（7）.2 个 I2C 总线模块、2 个 IIS 总线模块，12 位、16 通道 AD 转换模块。（8）.支持 JTAG,SWD 调试。配合廉价的 J-LINK,实现高速低成本的开发调试方案。（9）.多达 112 个 IO(大部分兼

26、容 5V 逻辑)，144Pin LQFP 封装，引脚图如图 4.1 所示。- 7 -PE2/TRACECK/FSM C_A231PE3/TRACED0/FSM C_A192PE4/TRACED1/FSM C_A203PE5/TRACED2/FSM C_A214PE6/TRACED3/FSM C_A225VBAT6PC13-TAM PER-RTC7PC14-OSC32_IN8PC15-OSC32_OUT9PF0/FSM C_A010PF1/FSM C_A111PF2/FSM C_A212PF3/FSM C_A313PF4/FSM C_A414PF5/FSM C_A515VSS16VDD17PF6

27、/ADC3_IN4/FSM C_NIORD18PF7/ADC3_IN5/FSM C_NREG19PF8/ADC3_IN6/FSM C_NIOWR20PF9/ADC3_IN7/FSM C_CD21PF10/ADC3_IN8/FSM C_INTR22OSC_IN23OSC_OUT24NRST25PC0/ADC123_IN1026PC1/ADC123_IN1127PC2/ADC123_IN1228PC3/ADC123_IN1329VSSA30Vref-31Vref+32VDDA33PA0-WKUP/USART2_CTS/ADC123_IN0/TIM 5_CH1/TIM 2_CH1_ETR/TIM 8

28、_ETR34PA1/USART2_RTS/ADC123_IN1/TIM 5_CH2/TIM 2_CH235PA2/USART2_TX/ADC123_IN2/TIM 5_CH3/TIM 2_CH336PA3/USART2_RX/ADC123_IN3/TIM 5_CH4/TIM 2_CH437VSS38VDD39PA4/SPI1_NSS/DAC_OUT1/USART2_CK/ADC12_IN440PA5/SPI1_SCK/DAC_OUT2/ADC12_IN541PA6/SPI1_M ISO/TIM 8_BKIN/ADC12_IN6/TIM 3_CH142PA7/SPI1_M OSI/TIM 8_C

29、H1N/ADC12_IN7/TIM 3_CH243PC4/ADC12_IN1444PC5/ADC12_IN1545PB0/ADC12_IN8/TIM 3_CH3/TIM 8_CH2N46PB1/ADC12_IN9/TIM 3_CH4/TIM 8_CH3N47PB2/BOOT148PF11/FSM C_NIOS1649PF12/FSM C_A650VSS51VDD52PF13/FSM C_A753PF14/FSM C_A854PF15/FSM C_A955PG0/FSM C_A1056PG1/FSM C_A1157PE7/FSM C_D458PE8/FSM C_D559PE9/FSM C_D66

30、0VSS61VDD62PE10/FSM C_D763PE11/FSM C_D864PE12/FSM C_D965PE13/FSM C_D1066PE14/FSM C_D1167PE15/FSM C_D1268PB10/I2C2_SCL/USART3_TX69PB11/I2C2_SDA/USART3_RX70VSS71VDD72PB12/SPI2_NSS/I2S2_WS/I2C2_SM BAI/USART3_CK/TIM 1BKIN73PB13/SPI2_SCK/I2S2_CK/USART3_CTS/TIM 1_CH1N74PB14/SPI2_M ISO/USART3_RTS/TIM 1_CH2

31、N75PB15/SPI2_M OSI/I2S2_SD/TIM 1_CH3N76PD8/FSM C_D1377PD9/FSM C_D1478PD10/FSM C_D1579PD11/FSM C_A1680PD12/FSM C_A1781PD13/FSM C_A1882VSS83VDD84PD14/FSM C_D085PD15/FSM C_D186PG2/FSM C_A1287PG3/FSM C_A1388PG4/FSM C_A1489PG5/FSM C_A1590PG6/FSM C_INT291PG7/FSM C_INT392PG893VSS94VDD95PC6/I2S2_M CK/TIM 8_

32、CH1/SDIO_D696PC7/I2S3_M CK/TIM 8_CH2/SDIO_D797PC8/TIM 8_CH3/SDIO_D098PC9/TIM 8_CH4/SDIO_D199PA8/USART1_CK/TIM 1_CH1/M CO100PA9/USART1_TX/TIM 1_CH2101PA10/USART1_RX/TIM 1_CH3102PA11/USART1_CTS/CAN_RX/TIM 1_CH4/USBDM103PA12/USART1_RTS/CAN_TX/TIM 1_ETR/USBDP104PA13/JTM S_SWDIO105NC106VSS107VDD108PA14/J

33、TCK_SWCLK109PA15/JTDI/SPI3_NSS/I2S3_WS110PC10/UART4_TX/SDIO_D2111PC11/UART4_RX/SDIO_D3112PC12/UART5_TX/SDIO_CK113PD0/FSM C_D2114PD1/FSM C_D3115PD2/TIM 3_ETR/UART5_RX/SDIO_CM D116PD3/FSM C_CLK117PD4/FSM C_NOE118PD5/FSM C_NWE119VSS120VDD121PD6/FSM C_NWAIT122PD7/FSM C_NE1/FSM C_NCE2123PG9/FSM C_NE2/FSM

34、 C_NCE3124PG10/FSM C_NCE4_1/FSM C_NE3125PG11/FSM C_NCE4_2126PG12/FSM C_NE4127PG13/FSM C_A24128PG14/FSM C_A25129VSS130VDD131PG15132PB3/JTDO/TRACESWO/SPI3_SCK/I2S3_CK133PB4/JNTRST/SPI3_M ISO134PB5/I2C1_SM BAI/SPI3_M OSI/I2S3_SD135PB6/I2C1_SCL/TIM 4_CH1136PB7/I2C1_SDA/FSM C_NADV/TIM 4_CH2137BOOT0138PB8

35、/TIM 4_CH3/SDIO_D4139PB9/TIM 4_CH4/SDIO_D5140PE0/TIM 4_ETR/FSM C_NBL0141PE1/FSM C_NBL1142VSS143VDD144U?STM 32F103ZET6图 4.1 STM32F103ZET6 引脚图由以上数据可以看出，本系统所选 MCU 性能十分卓越。无论是传统 51 单片机或增强型 51 单片机还是 RISC 的 8 位 AVR 单片机还是 16 位的 MSP430 单片机，本处理器在 Flash、RAM、工作频率以及外设上具有绝对的优势，性价比较高。4.1.2 STM32F103ZET6 外围电路介绍(1)

36、供电系统电源是电子设备中必不可少的一部分，它为设备提供了能量。STM32F103ZET6 电源电压为 3.3v，电源芯片采用艾迈斯公司的 AMS1117-3.3。AMS1117-3.3 是艾迈斯公司推出的具有单输出 LDO、固定电源（3.3v）、内部电流限制、过流保护特性的线性稳压器。USB 或 5V 锂电池经过 AMS1117-3.3 产生 3.3V 的直流电源供系统使用。C8 可以防止电感效应而产生的自激，C12 用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。如图 4.2 为供电系统- 8 -电路图。 5V关3.3V关关关关GND1OUT2IN3U9AMS1117-3.3C12104C77

37、104C8104C7610FC13220uFR5910R+5VS6关关关关关关GNDF1500mAVUSB5V+3.3VVDDAVCC 3.3V+5V图 4.2 供电系统电路图(2) 晶振振荡电路STM32F103ZET6 有 4 个时钟源可供使用。分别是内部高速时钟（HSI），内部低速时钟（LSI）、外部高速时钟（HSE），外部低速时钟（LSE）。选择外部高速时钟作为片内时钟来源，主振荡器由 OSC0 输入管脚输入一个外部单端时钟信号或在 OSC0 输入管脚和 OSC1 输出管脚之间连接一个外部晶体。如果主振荡器作为 PLL 的时钟参考源，那么支持的晶体的频率范围为 3.579545MHz-

38、8.192MHz。系统采用 8MHz 晶振，如图 4.3 所示：Y28M1MR222pFC2922pFC28GNDOSC_INOSC_OUT图 4.3 STM32F103ZET6 外部晶振振荡电路图(3) 复位电路STM32F103ZET6 外部复位输入管脚（RST）为低电平有效。按下按键 S2 能对系统复位。复位电路如图 4.4 所示：- 9 -1KR4Res2VCCS1SW-PB100pFC9CapGNDRESET图 4.4 STM32F103ZET6 复位电路图(4) JTAG 接口本系统使用的 JTAG 接口由 5 个管脚组成。数据由 TDI 引脚串行发至控制器，然后通过 TDO 引脚

39、从控制器串行输出。程序的调试、下载都通过 JTAG 接口来完成。电路图如图 4.5 所示：VDD1VDD2TRST3GND4TDI5GND6TMS/SWDIO7GND8TCK/SWCLK9GND10NC11GND12TDO/SWO13GND14RESET#15GND16NC17GND18NC19GND20JTAGGNDVCC 3.3VR810KR710KR910KR610KR510KGND图 4.5 STM32F103ZET6JTAG 接口电路4.24.2 TFTTFT 彩屏彩屏系统采用的彩屏分辨率为 240*320，2.寸。支持 262K/65K 色，数据位为8/16 位可选，控制器为 IL

40、I9341。电路连接图如图 4.6 所示：- 10 -VCC3.3LCD_CSWR/CLKRSTDB2DB4DB6DB8DB11DB13DB15DB17BLVDD3.3GNDMISOT_PENT_CSCLKMOMOSIBL_VDDGNDVDD3.3GNDDB16DB14DB12DB10DB7DB5DB3DB1RDRSGNDJ4TFT_LCD104C10Cap104C6Cap104C11CapGNDGNDGNDVCC 3.3VPG12PD5RESETPD15PD1PE8PE10PE12PE14PD8PD10PB0VCC 3.3VGNDPF8PF10PB2PB1PF9VCC 3.3VPD9PE15

41、PE13PE11PE9PE7PD0PD14PD4PG0GND+5VLCD关关GNDGND图 4.6 TFT 彩屏电路连接图TFT 彩屏引脚功能如表 4.1 所示：表 4.1 TFT 彩屏引脚功能表DB0-DB1516 位数据线CS片选信号输入RS指令数据选择信号WR写信号开关RD读信号开关RESET复位T_CS触摸屏片选端T_PEN触摸屏笔中断BL液晶背光选择端MISO串行数据输出端MOSI串行数据输入端GND地本 LCD 模块的 LCD 屏内部集成使用 8080 接口的 ILI9341 驱动芯片，对 LCD屏的控制其实是通过控制 ILI9341 芯片实现的，ILI9341 内部的 GRAM

42、的每个存- 11 -储单元都对应着 LCD 屏的一个像素点，通过往 GRAM 中写数据达到对液晶屏的控制。STM32F103ZET6 有 FSMC 功能，它支持 8080 通讯接口，直接由 FSMC 控制GRAM，实现 LCD 屏快速地刷屏。如图 4.7 为 FSMC 写 NOR 的时序图。图 4.7 FSMC 写 NOR 的时序图4.34.3 触摸屏控制芯片触摸屏控制芯片4.3.1 XPT2046 简介XPT2046 是一种典型的逐次逼近型模数转换器（SAR ADC），包含了采样/保持、模数转换、串口数据输出等功能。供电电压范围为 2.7V5.5V。参考电压值直接决定 ADC 的输入范围，参

43、考电压可以使用内部参考电压，也可以从外部直接输入 1VVCC 范围内的参考电压（要求外部参考电压源输出阻抗低）。X、Y、Z、VBAT、Temp 和 AUX 模拟信号经过片内的控制寄存器选择后进入ADC，ADC 可以配置为单端或差分模式。选择 VBAT、Temp 和 AUX 时可以配置为单端模式；作为触摸屏应用时，可以配置为差分模式，这可有效消除由于驱动开关的寄生电阻及外部的干扰带来的测量误差，提高转换准确度。 引脚图如图 4.8 所示：- 12 -图 4.8 XPT2046 管脚图4.3.2 XPT2046 引脚功能XPT2046 有 16 个引脚，引脚功能介绍如表 4.2 所示：表 4.2

44、XPT2046 引脚功能表1BUSY 忙时信号线2DIN串行数据输入端3/CS片选信号输入4DCLK外部时钟输入端口5+VCC电源引脚6XPXP 位置输入端7YPYP 位置输入端8XNXN 位置输入端9YNYN 位置输入端10GND地引脚11VBAT电池监视输入端12AUXADC 辅助输入通道13VREF参考电压输入/输出14IOVDD数字电源输入端15/PENIRQ笔接触中断引脚16DOUT串行数据输出端4.44.4 MPU6050MPU6050 模块模块4.4.1 MPU6050 简介MPU6050 是一款整合性 6 轴运动处理组件，它内部带有三轴的加速度传感器、三轴的陀螺仪、并且能通过自

45、身的第二 IIC 接口连接外部的磁力传感器。将这九轴的数据利用 DMP（Digital Motion Processor）进行数据解算，进而就能输出完整的姿态融合解算数据。利用了 DMP 进行数据解算，就降低了单片- 13 -机的负荷，同时缩短了开发周期，降低了开发难度。MPU6050 的陀螺仪和加速度仪分别有 3 个 16 位 AD 转换器将采集的数据数字化输出。该模块体积小，适用于穿戴式设备，与 STM32 进行 I2C 通信。模块实物图片与接口原理图如图 4.9 所示。STM32 内部有两路 IIC 供用户选择，但是硬件 IIC 做的并不稳定，程序容易死在 IIC 通信上。因此本系统采用

46、 IO 口模拟 IIC 的方式进行数据通信。MPU6050 在初始时对其寄存器进行配置，包括陀螺仪采样率、自检及测量范围等参数。图 4.9 MPU-6050 实物与引脚图电路连接图如图 4.10 所示：CLKIN1NC2NC3NC4NC5AUX_DA6AUX_CL7VLOGIC8AD09REGOUT10FSYNC11INT12VDD13NC14NC15NC16NC17GND18RESV19CPOUT20RESV21RESV22SCL23SDA24U2MPU6050VIN1GND2EN3BP4VOUT5U1RT9193-33C31uFC110uFC4223C2104C5104C610uFC710

47、4R5120R3120R1510R24.7KR44.7KR6120R710KR8120VCCGNDGNDGNDPWRLEDGNDGNDVCC 3.3VVCC 3.3VIIC SCLIIC SDAGNDVCC 3.3VGNDGND图 4.10 MPU6050 电路连接图- 14 -4.54.5 SDSD 卡卡SD 卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于 FLASH 的新型存储设备，它具有传输速度快、体积小、容量大、移动灵活、安全性能好等特点。SD 卡有SD 和 SPI 两种工作模式，其中 SPI 模式接口比较简单，有利于降低成本，而且能很好的胜任一般的应用场景。但是

48、 SD 模式相对就比较复杂。因此本系统使用SPI 模式。SD 卡管脚定义如表 4.3：表 4.3 SD 管脚定义PinSD 4-bit modeSPI mode1CD/DAT3Data line 3CSCard Select2CMDCommand lineDIData input3VSS1GroundVSS1Ground4VDDSupply voltageVDDSupply voltage5CLKClockSCLKClock6VSS2GroundVSS2Ground7DAT0Data line 0DOData output8DAT1Data line 1 orInterrupt(optiona

49、l)IRQInterrupt9DAT2Data line 2 orRead Wait(optional)NCNot Used在 SPI 模式下，1 脚 8 脚保留（未使用）、2 脚片选端、3 脚数据输入端、4 脚 6 脚电源与地端、5 脚时钟信号端、7 脚数据输出端。SD 卡的工作电压为2.73.6V。电路图如图 4.11 所示：- 15 -CD/DATA31CMD2VSS3VDD4CLK5VSS6DATA07DATA18DATA29CD10GND11WP12sd cardSDIO D2SDIO D3SDIO CMDSDIO SCKSDIO D0SDIO D1R1847KR2347KR2947

50、KR2847KR2147KVCC 3.3VC36104GNDSD CARD图 4.11 SD 卡电路图系统中 SD 卡的主要作用是存储接收到的地图图片。SD 卡采用 SPI 总线模式。STM32F103ZET6 集成了 3 个 SPI 接口，方便系统的控制。4.64.6 EEPROMEEPROM 存储器存储器 24C0224C02系统掉电时需要保存一些系统配置信息，用于恢复关机前的状态。STM32F103ZET6 提供了数据备份寄存器，但是只能保存 42 个 16 位数据，这对于本设计而言不能满足需求。系统中需要保存的数据量不是很大，采用 24C02即可满足要求。24C02 串行 E2PROM

51、 是基于 I2C 总线的存储器件，遵循二线制协议，它具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点。其引脚图如图 4.12 所示，各引脚的功能如表 4.4 所列。图 4.12 24C02 引脚图表 4.4 24C02 引脚功能说明管脚名称功能A0A1A2器件地址选择SDA串行数据/地址SCL串行时钟WP写保护- 16 -VCC电源VSS地24C02 接口电路设计如图 4.13 所示。由于只用一个 AT24C02，因而 A0、A1和 A2 可直接接地。WP 接地，关闭写保护功能。VCC18WP7SCL6SDA5GND4A23A12A01U6AT24C02GNDVCC 3.3VGNDC17104R19

52、4.7KR204.7KPB10PB11PB10PB11图 4.13 24C02 电路设计4.74.7 FLASHFLASH 芯片芯片 W25Q64W25Q64FLASH 芯片型号我们选择了 W25Q64，其容量为 64Mb，也就是 8M 字节，与上述 AT24C02 一样都是串行传输，占用较少的 IO 口。该芯片与单片机之间的通信方式为 SPI 总线，如图 4.14 所示我们并没有用软件模拟 SPI 总线时序，而是采用了 STM32 自带的硬件 SPI 接口 SPI2，这样传输速度会更快。SPI 总线一般有四根信号控制线：片选线 CS，两根数据线分别为主入从出 MISO 和主出从入MOSI，还

53、有一根时钟线 SCLK。图 4.14 W25Q64 电路图扩展 Flash 为了是存储汉字字库以及图片，因为 STM32F103ZET6 本身只具CS1SO2WP#3GND4SI5CLK6HOLD7VCC8U7W25Q64VCC 3.3VVCCGNDGNDC37104PB12PB14PB13PB15- 17 -有 512K Flash，如果用来存放字库，肯定不够，外扩的 Flash 可以存放 32*32字体 GBK 码字库，16*16 字体 GBK 码等字库，而且还存放了系统的桌面图片、背景图片。这样我们就可以在 TFT LCD 上显示 16*16 字体等字体的汉字和字符以及图片了。同时我们也

54、可以存储我们喜欢的字体，如华文行楷等。4.84.8 蜂鸣器电路蜂鸣器电路蜂鸣器按有无震荡源可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源蜂鸣器内部自带振荡电路，加适当的直流电源就可以发声，频率通常固定，易于操作；而无源蜂鸣器一般需要通过外部的方波信号驱动，频率可以改变，一般为 1 到 4KHz最佳,所以可以演奏出优美的音乐如生日快乐歌等。312Q1S805012J19BEEPVCC 3.3VGND1KR2610KR27PB8图 4.15 蜂鸣器电路在本系统中，蜂鸣器用作闹铃。此处，为了程序控制简单，我们选择了3.3V 的有源蜂鸣器。如图 4.15 所示，由于单片机 IO 口输出电流有限，所以我们的蜂鸣器驱

55、动电路通过 NPN 三极管 S8050 放大电流，从而驱动蜂鸣器发声，同时在三极管的基极要加限流电阻。当 PB8 由程序配置输出高电平时，则基极与发射极有了大约 3V 的压降，三极管 Q1 导通，三极管 Q1 集电极被发射极拉低，此时蜂鸣器两端等于接了 3.3V 电压，所以发声。当 PB8 配置为低电平时，三极管 Q1 基极与发射极没有 0.7V 的导通压降，Q1 此时为截止状态，此时集电极不能被发射极拉低，从而蜂鸣器两端没有施加电压，则不会发声。4.94.9 GPSGPS 模块模块GPS 是由美国国防部研制部署和控制的军民两用导航定位卫星系统。现在运行的“GPS”系统是由 24 颗工作卫星和

56、 4 颗备用卫星组成，它们分布在 6 个等间距的轨道平面上，每个轨道面上有 4 颗工作卫星，卫星轨道接近圆形，- 18 -用户在任何时间都至少能看到 46 颗卫星，定位一次仅需几秒钟，可实现全球范围连续的、近实时的定位、测速与授时。本次设计使用型号为 ATK-NEO-6M的 GPS 模块。模块实物图如图 4.16 所示，GPS 芯片引脚图如图 4.17 所示，详细电路连接图参见附录一。 4.16 GPS 模块实物图 4.17 GPS 芯片引脚图 GPS 模块的引脚定义如表 4.5 所示：表 4.5 GPS 模块引脚定义表序号名称说明1PPS时钟脉冲输出脚2RXD模块串口接收脚3TXD模块串口发

57、送脚4GND地5VCC电源（3.3V5.0V）NC1SS_N/NC2TIMEPULSE3EXTINT04USB_DM5GND12RXD121RF_IN11USB_DP6VDDUSB7NC8VCC_RF9GND10TXD120SCL219SDA218NC17CFG_GPS0/SCK16V_BCKP22MISO/CFG_COM115MOSI/CFG_COM014GND13VCC23GND24U?GPS_NEO-6- 19 -4.104.10 GSMGSM 模块模块4.10.1 SIM900A 模块的对外接口电路SIM900A电源STM32F103ZET6串口天线语音接口防静电SIM卡图 4.18

58、SIM900A 对外接口框图SIM900A 对外接口框图如图 4.18 所示，对外接口包括：RS232 接口，语音接口，控制线接口、SIM 卡接口等。4.10.2 SIM900A 模块初始化本系统使用的 SIM900A 模块是由 12V 1A 电源供电的，在 SIM900A 初始化时，先给 SIM900A 模块上电，然后长按开机按钮，此时开机指示灯会变亮，当开机指示灯快闪时松开开机按钮，此时 SIM900A 模块正在初始化并且注册网络。当模块上的指示灯由快闪变为慢闪时说明模块网络注册成功，模块可以正常使用。如果长时间快闪没有变成慢，应长按启动键会关机模块，检查天线， SIM 卡片的固定情况，还

59、有检查 SIM 卡片是否能正常使用。SIM900A 实物如图 4.19，在与单片机通信之前，我们可以通过电脑串口与 SIM900A 模块通信调试，来检测模块是否能正常工作。在本系统中，我们使用单片机的串口 2 与 GSM 模块的TTL 接口相连。GSM 模块详细电路图参见附录一。4.10.3 AT 指令集AT 指令集是一个指令的集合，它包含了所有的对 GSM 模块操作的指令，包括接打电话、收发短信、连接 GPRS 等等。我们操作 GSM 模块实际上就是通过- 20 -AT 指令集来操作的。AT 指令集必须以 AT 开头，以空格键结束，通常模块的响应会紧随 AT 指令之后。在本系统中主要使用了与

60、 GPRS 功能相关的指令，AT+CGMM 命令用来查询模块型号。AT+CIPMUX=0 表示表示将模块设置为单链接方式。AT+CIPRXGET=0 命令用来设置获取数据的方式，0 表示模块自动获取数据。AT+CIPQRCLOSE=1 命令用来设置加速远程断开连接。AT+CIPMODE=0 命令表明设置 TCP 应用模式为非透明。AT+CIPSTART=TCP,111.161.48.224,80 命令表明建立 TCP 链接，连接到 IP 地址 111.161.48.224。AT+CIPCLOSE=1 命令用来断开 TCP 链接。AT+CIPSHUT 命令用来关闭移动场景。图 4.19 SIM9