【《某智能拐杖系统的硬件和软件设计案例》6600字】

第第页某智能拐杖系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u9422第1章硬件电路设计 1297671.1主控制器STM32F407 1150981.2电源模块 674231.3无线通信模块 696031.4GPS模块 8198261.5GPRS模块 9270421.6显示屏模块 1040391.7摄像头模块 11187251.8温湿度传感器模块 121492第2章系统软件设计 1443212.1智能拐杖系统主程序流程 14312662.2GPS模块程序 15302272.3GPRS模块程序 1657142.4摄像头模块程序 1920032.5温湿度传感器模块程序 21第1章硬件电路设计本设计是对智能拐杖进行一次研究，并且以STM32F407ZGT6作为控制单元，并通过该芯片读取数据显示在TFTLCD屏上，以及控制各个功能模块的实现。设计的拐杖内部含有若干独立模块都由STM32F407ZGT6控制，GPS模块将位置信息传递给STM32F407，通过温湿度传感器可以获取老人的身体情况，再由A/D转换器将得到的数据传给STM32F407进行处理，GPRS模块也可以支持使用者拨打电话，当正常供电时，拐杖中的每个模块如LED、摄像头、显示屏等模块都能正常使用。本系统硬件部分包含无线通信、电源、TFTLCD显示屏、传感器、GPS、传感器和GPRS模块。本设计用STM32F407ZGT6作为核心芯片，对数据进行采集显示出来，并让使用者可以使用许多便利的功能。1.1主控制器STM32F407这一次的控制系统设计所选择的核心芯片是STM32F407ZGT6，该芯片内核是ArmCortex-M4CPU，该CPU功能消耗低且速率快，在其工作时，最高频率可达到168MHz，支持FPU和DSP指令，以168MH高速运行的时候，工作速度可达到210DMIPS的处理能力，1024KFLASH和192KSRAM，同时还有多个接口，可以连接更多的外部模块，并且处理的速度更快。芯片中有144引脚，IO口就有144个,大部分的IO口都可以承受5V电压。芯片支持SWD和JTAG调试两种调试选择，当选择SWD调试时，仅仅只要两根数据线就能完成调试，该芯片中还含有3个12位AD，24个外部测量通道，内部通道可以用于内部温度测量，内置参考电压。芯片内部有2个12位DA，16个DMA通道，带FIFO和突发支持。芯片支持外设：定时器，ADC、DAC、SDIO、2S、SPI、I2和USART，每个定时器的功能不同：其中有四个定时器可以对输入输出进行捕捉比较，还可以用作编码器输入和脉冲计数；两个十六位的定时器用来对PWN进行控制管理。不仅如此，每个通信接口功能也不相同：I2C接口可对接SMBus，USART接口功能是用来对接ISO7816并且对调制解调进行控制，有三个用来对接SPI的接口，两个I2C接口可作为复用接口，一个用来接CAN的引脚，USB全速接口和SDIO接口。图3-1（a）~3-1（f）为STM32F407芯片的硬件原理图：图3-1（a）STM32F407芯片PA端口引脚图在图3-1（a）中，引脚PA0是按键引脚，可以在当MCU低功耗状态或者休眠状态下起唤醒作用，PA1是RMII输入引脚，PA2是可选择的RX脚，该IO通过P9选择连接RS232还是RS485，并同时连接了LAN8720的MDIO脚，这里的RS232RX脚是指SP3232芯片的RX脚，接STM32的TX脚。PA3是TX脚，使用原理和PA2相同，PA4是DAC-OUT输出脚，同时也连接在OLED/CAMERA接口。PA5是ADC输入引脚，同时做TPAD检测脚。PA6是OLED/CAMERA接口的PCLK脚。PA7接接LAN8720的CRS_DV脚。PA8同时连接了XCLK脚HS0038红外头，HS0038红外接收头，有2.7K上拉电阻，且受HS0038控制。PA9是串口TX脚，默认接CH340的RX脚，通过P6来控制选择。PA10是串口RX脚，原理和PA9相同。PA11和PA12为USB引脚，PA13、PA14和PA15是JTAG/SWD仿真接口。图3-1（b）STM32F407芯片PB端口引脚图在图3-1（b）中，引脚PB0和PB2分别接TFTLCD接口触摸屏SCK信号和PEN信号。PB2在上电时，作BOOT1用(由B1控制上拉/下拉，设置启动模式)，同时作为TFTLCD模块接口的触摸屏MISO信号。PB3是JTAG仿真接口，也做SPI1_SCK信号，PB4是DAC-OUT输出脚，PB5可连NRF24L01芯片的SCK口，PB8可连摄像头OV2640的OV_VSYNC，PB9是串口TX脚，可接GPS的RX脚，PB10是串口RX脚，可接GPS的TX脚，PB11和PA12为USB引脚，PB13、PB14和PB15是JTAG/SWD仿真接口。图3-1（c）STM32F407芯片PC端口引脚图在图3-1（c）中，引脚PC0是ATK-MODULE接口的LED引脚和MPU6050模块的中断脚，PC1接LAN8720的MDC脚，PC2是WM8978的SDOUT信号，PC3是WM8978的SDIN信号，PC4是接LAN8720的RXD0脚，PC5可连接LAN8720的RXD1脚，PC8为SD卡接口的D0或OLED/CAMERA接口的D2脚。PC9为SD卡接口的D1或OLED/CAMERA接口的D3脚。PC11和PC12为USB引脚，PC13TFTLCD接口触摸屏CS信号。PC14、15接32.768K晶振，不可用做IO。图3-1（d）STM32F407芯片PD端口引脚图在图3-1（d）中，PD0-PD1、PD4-PD5、PD8-PD15均为FSMC总线数据线。PD2为SD卡接口的CMD。PD3接LAN8720的复位脚。PD6和PD7分别为OLED/CAMERA接口的SCL脚和OLED/CAMERA接口的SCL脚SDA脚。图3-1（e）STM32F407芯片PE端口引脚图在图3-1（e）中，PE0-PE1、PE7-PE15均为FSMC总线数据线。PE2为接按键KEY2，PE3为按键KEY1，PE4为按键KEY0。PE6和PE7分别为OLED/CAMERA接口的D6脚和OLED/CAMERA接口的SCL脚D7脚。图3-1（f）STM32F407芯片PF端口引脚图在图3-1（f）中，引脚PF0~PF5和P12~PF15均为FSMC总线数据线，引脚PF6接接ATK-MODULE接口的KEY脚，PF7接光敏传感器(LS1)，PF8接蜂鸣器(BEEP)，PF9接DS0LED灯(红色)，PF12可接FSMC总线的片选信号，PF10接接DS1LED灯(绿色)，PF11TFTLCD接口触摸屏MOSI信号。图3-1（g）STM32F407芯片PG端口引脚图在图3-1（g）中，引脚PG1~PG5接外设，引脚PG6接NPF24L01芯片的IRO信号接口，PG7接NPF24L01芯片的CS信号接口，PG8接NPF24L01芯片的CE信号接口，PG11是一个单总线接口数据线，可用来对接HUMITURE的DATA接口，PG12可接FSMC总线的片选信号，PG13可接TFTLCD和OV2640接口的SDA脚，PG14可接TFTLCD和摄像头OV2640接口的RRST脚，PG15可接TFTLCD和摄像头OV2640接口的OE脚。1.2电源模块由于该芯片的电压范围为1.8V-1.6V，与电源适配器不相符，所以不可以直接使用适配器为其供电，芯片内部所需电压大致为1.3V，为此选择AMS1117芯片对电源起到一个转变作用，这样可以对电压进行一个统一，让其兼容的运作。也可以用ASM1117芯片来保护电路，usb接口也可以为电路供电，但可能会导致供电不足，仿真器同样如此，可能会出现模块无法运行的情况，所以设计过程中，要一直使用适配器供电。电源模块原理如下图3-2所示：图3-2电源模块原理图在上述原理图中中，AMS1117芯片起到了一个稳定电压的作用，可以控制电压的范围，那这样一来就可以保障电路的安全。，该芯片有四个引脚，接地引脚为GND和ADJ两个引脚，引脚OUT用来输出电压，引脚IN为输入电压，右边的BUTTON是按钮装置，可以用来对开关进行控制，进来一个电源输入，开关导通后变成5V，通过稳压芯片将其变成1.3V，最后是个电压可以为STM32芯片作用。1.3无线通信模块本系统选用NRF24L01芯片来实现对信号的传输，该类芯片适合使用在单片的收发。该芯片可以实现点对点的无线通信，同时也可以实现1对6的无线通信要求。该芯片拥有126个通信通道和六个数据通道。本次设计就是利用该芯片来配合外部进行对拐杖的控制。同时，NRF24L01芯片有很多优点，它的功能消耗较低，尽管使用高频率进行接收和发射，工作的输出电流却很低，对于电能的节约有一定的帮助，而且该芯片对于信号传输的距离较远，设计时更加方便。该芯片工作时有四种工作模式：发射、接收、空闲和掉电，当要收集数据时，需要先变成发射状态，然后将接收端的目的地址和数据通过SPI接口按照一定的顺序传输到芯片中。收发模式又有：EnhancedShockBurstTM收发模式和ShockBurstTM收发模式，只有EnhancedShockBurstTM收发模式支持自动ACK和自动重发。在发送数据的时候，会自动加上字头和CRC校验码。数据发出后，如果设置了自动回应，则会发生一种情况，那就是自动回应地址与接收地址相一致。在这种情况下，如果收到回应的信号时，就代表数据发射成功，当数据发射成功时NRF24L01芯片就会发生模式调整，当CE变为低电平时。该模块就会转为空闲模式1，当CE变为高电平并且未清除数据时，该模块便会进行下一次发射，当CE变为高电平并且没有数据信息保留时，该模块就会变成空闲模式2，最后接收到数据时，先要将该芯片设置成接收模式，等待延迟过后，当检测到有效地址时，便开始对传输的数据进行接收，最后将接受的数据保存在存储器中，等待主控制芯片进行读取。在这一系列的步骤完成之后，就可以实现对数据的传输。NRF24L01芯片引脚图如下图3-3所示：图3-3NRF24L01芯片引脚图在NRF24L01芯片中，引脚CE是片选信号，可对RX和TX进行格式选择，引脚CSN和引脚SCK分别为SPI的片选信号和时钟端口，引脚MOSI和引脚MISO可用作对数据进行输入输出，引脚ANT1和ANT2可用来进行天线连接，引脚VSS和VDD都为电源接口。引脚IREF可以用来参考电流，是模拟输入。引脚DVDD是内部数字电压输出，用以解耦。该芯片可与STM32进行相连，在图3-3中，引脚1和引脚2是电源接口，对电压进行输入和对地线的连接，引脚4可用来接STM32芯片的PG7口，引脚5可用来接STM32芯片的PD13口.引脚6可用来接STM32芯片的PD15，引脚7可用来按STM32心片的PD14口，引脚8可用来接STM32芯片的PG6口1.4GPS模块本部分的GPS模块采用ATK-NEO-6M模组，体积小巧，性能优异。模块自带陶瓷天线及MAXIM公司20.5dB高增益LNA芯片，搜索卫星能力强。该模块可以通过连接串口选择各种参数设置，并且可以将数据保存在EEPROM中。因为模块自带IPX接口，可以连接各种有源天线，操作很方便。模块兼容1.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统。自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。该种类型的GPS模块工作时可通过观察PPS指示灯的变化来判断。模块自带状态指示灯：PPS，该引脚连接在模组的TIMEPULSE端口，该端口的输出性质可以用程序来设置。PPS指示灯（即PPS引脚），在默认状态没有任何参数设置的时候，一般会有2个工作状态：（1）常亮，表示模块已开始工作，但还未实现定位。（2）闪烁（灭的时间为100ms，亮的时间为900ms），这种现象就表示模块成功实现定位功能了。可以通过观察PPS指示灯的亮或灭，就很容易地判断模块当前的状态。另外，芯片左上角有特殊接口，可以用来连接外部有源天线，从而进一步提高该模块的接收能力，通过连接上外部天线，可以在测试的时候将模块摆在室内空旷处，天线放长，可以实现室内定位。GPS的原理图如下图3-4所示：图3-4GPS原理图在图3-4中，对时钟脉冲进行输出的是引脚3，RXD和TXD是模块中的两个串口接收脚，引脚5和6是USB接口，引脚7是接电源，引脚11是无线电射频接口，引脚RXD和TXD分别可接STM32芯片引脚的的TXD和RXD，引脚SCL和SDA分别是控制线和数据线，可接STM32芯片的IO口，引脚SCK可作为同步时钟的接口。1.5GPRS模块为了实现语音通话的功能，本次设计的控制系统所选的的外部模块得有GPRS模块，我选用的是ATK-SIM900A模块，该模块载有GSM和GPRS模块，工作范围为5V~24V，工作时可以分为两种片段：900Mhz和1800Mhz，可以实现语音和短信数据的传输，并且可以实现低功耗。ATK-SIM900A模块支持两种串口，所以该模块可以很方便的与产品进行连接，从而达到语音主被叫、发送接收短信等功能。该模块工作时需要5V供电，使用电脑USB连接时供电只可以满足少数要求，但当模块连接很多时，估计会供电不足。当需要很长时间传输数据时，建议使用1A以上的直流电。模块待机的时候用电量大约在80MA左右，休眠状态可以设置在10MA左右功耗降低用电。该模块还将复位排针引出，所以可以实现在远程也能进行复位控制，还可以远程遥控该模块。ATK-SIM900A模块引脚图以及STM32F407ZGT6PC端口引脚图如3-5（a）~（b）所示：图3-5（a）STM32F407芯片PC端口引脚图图3-5（b）ATK-SIM900A工作原理图ATK-SIM900A芯片中VBAT、VRTC/VDD为供电引脚，GND接地。PWRKEY引脚控制开关，MIC、SPK、LINEIN为音频接口，其中MIC和SPK为音频输入正端和负端，LINEIN为线性输入，其余为常用GPIO口。调试接口为DBG_TDX和DBG_RXD，这两个接口用于软件的升级和调试。在此模块中，较为特殊的是SIM卡接口，SIM_VDD为SIM卡电源，SIM_DATA为数据信号，SIM_CLK和SIM_RST分别为SIM卡时钟信号和复位信号。PWM1和PWM2控制PWM输出。1.6显示屏模块本系统采用的显示模块为ATKTFTLCD电容触摸屏模块，操作起来十分方便灵敏。同时，模块还提供了许多实用功能，可以满足用户不同设计要求。目前在手机上TFT使用最为广泛，中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分65536色及26万色，1600万色三种，其显示效果非常出色。随着技术的进步，TFT不仅应用在手机上，许多智能操作界面都选择了该屏幕，而不是以前的黑白屏。设计中选择的是1.5寸的TFT触摸屏，类型为电阻触摸屏，该模块是16位并口驱动。显示屏模块原理图如图3-6所示：图3-6TFTLCD工作原理图模块通过34个引脚同外部连接，引脚1为LCD控制器片选信号（低电平有效），引脚2为命令/数据控制信号，引脚3为写使能信号，引脚4读使能信号，引脚5是复位信号，引脚6~21为双向数据总线，引脚22、26和27为地线，引脚28为5V电源输入引脚。1.7摄像头模块本部分采用的摄像头型号是OV2640,它是由OV公司生产的比较新型的摄像头传感器，该类型的摄像头模块具有很多优点：它的体积小、工作电压低、清晰度高。OV2640是由SCCB总线进行控制，我们可以对SCCB接口进行编程，从而对图像的平衡度、色彩进行调整、除此之外，OV2640还可以改善图像缺陷，使图像变得更加清晰。摄像头模块原理如图3-7所示：图3-7OV2640工作原理图低电平时，RESETB引脚用来将整个传感器芯片复位，控制芯片依靠PWDN引脚进入低功耗模式。XVCLK引脚和PCLK引脚是完全不同的，XVCLK是时钟信号，用于驱动整个传感器芯片，是外部输入到OV2640的信号；而PCLK是同步信号，是OV2640输出数据输出的，它是由OV2640输出的信号。XCLK可以由外部控制器提供或者也可以外接晶振。可以通过SIO_C和SIO_D两个引脚将参数写入控制器，SIO_C与SIO_D使用的通讯协议跟I2C十分类似，在STM32中我们完全可以直接用I2C硬件外设来控制。其中PCLK是像素同步时钟，HREF是行同步信号，VSYNC是帧同步信号，这与液晶屏控制中的信号是很相似的。1.8温湿度传感器模块该控制系统选择的是DHT11是一款温度湿度\t"/item/DHT11/_blank"并用传感器，其内有已校准数字信号输出。它应用了专门数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证产品具有极高的准确性和长期稳定性。传感器内包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，而且连接一个高性能8位控制系统。因此该芯片品质卓越、反应快、对外界影响有抗性等优点。每个该类型传感器的校准过程都是在非常精准的湿度校验室中进行的。都会以程序的形式将校准系数存在内存中，当传感器内部检测信号的整个过程中会用到这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。温湿度传感器模块工作原理和STM42F407ZGT6PG引脚图如图3-8（a）~（b）所示：图3-8（a）DHT11工作原理图DHT11是一个四针脚模块，包含VCC、DATA、NC、GND四个引脚，实际使用中只会用到VCC、GND、DATA，NC引脚为空脚。图3-8（b）STM42F407ZGT6PG引脚图DHT11数字湿温度传感器连接很简单。第一引脚连接电源的正端，第四引脚连接电源地端。数据端为第二引脚。可直接接系统的I/O口。在数据端和电源正之间加上一只电阻为2.7K的电阻，可以提高系统稳定性。第三引脚是没有作用，这个引脚不去使用。

第2章系统软件设计本章详细介绍了各个模块的软件设计流程以及部分源代码，包括温湿度传感器模块、GPS模块、摄像头模块与STM32芯片之间的软件程序，显示屏模块的程序，最终得以在显示屏上显示出温湿度，图像，定位信息以及我的班级，姓名和课题。2.1智能拐杖系统主程序流程图4-1主程序流程图在该系统中，首先对变量进行定义，其次利用调用函数对液晶、摄像头、GPS模块初始化，接下来对这些模块的参数进行设置，利用While语句进行循环，将读取的温湿度，GPS数值以及我个人的信息在液晶屏上显示出来。主程序流程图如上图4-1。2.2GPS模块程序GPS模块是利用对经纬度的判断从而得知本系统中拐杖的位置。该部分程序如L2.1所示。L2.1程序清单：voidgps_Information_Reflect(void){ floatj; Pixel_countenance=black; j=gpsa.lng; scanf((char*)buffer,"Lng:%.5f%1c",j/=100000,gpsa.east&west);（1） TFT_Reflectstr(35,635,220,16a,16a,buffer); j=gpsa.lat; scanf((char*)buffer,"Lat:%.5f%1c",j/=100000,gpsa.north&south); （2） TFT_Reflectstr(35,655,220,16a,16a,buffer); j=gpsa.height; scanf((char*)buffer,"Height:%.1fm",j/=10); （3） TFT_Reflectstr(35,675,220,16a,16a,buffer); j=gpsa.PCce; scanf((char*)buffer,"PCce:%.3fkm/h",j/=1000); （4）TFT_Reflectstr(35,695,220,16a,16a,buffer); if(gpsa.fm<=3) （5）{scanf((char*)buffer,"FixMode:%s",tbl[gpsa.fm]); TFT_Reflectstr(35,715,220,16a,16a,buffer); } scanf((char*)buffer,"effectivesatellite:%02d",gpsa.position);（6）TFT_Reflectstr(35,735,220,16a,16a,buffer); scanf((char*)buffer,"visiblesatellite:%02d",gpsa.number);（7）TFT_Reflectstr(35,755,220,16a,16a,buffer); scanf((char*)buffer,"UTCday:%04d/%02d/%02d",gpsa.utc.year,gpsa.utc.month,gpsa.utc.day);（8）TFT_Reflectstr(35,775,220,16a,16a,buffer); scanf((char*)buffer,"UTCclock:%02d:%02d:%02d",gpsa.utc.hour,gpsa.utc.min,gpsa.utc.sec); （9）TFT_Reflectstr(35,795,220,16a,16a,buffer); }程序L2.1说明：L2.1（1）：得到经度字符串L2.1（2）：得到纬度字符串L2.1（3）：得到高度字符串L2.1（4）：得到速度字符串L2.1（5）：定位状态L2.1（6）：对卫星定位L2.1（7）：可看到的卫星数量L2.1（8）：将日期展现出来L2.1（9）：将时间展现出来2.3GPRS模块程序GPRS模块可以实现通话功能，包含拨打电话和挂电话两部分。该部分程序如L2.2所示。L2.2程序清单：intmain(void){u8key,fontok=0;Stm32_Clock_Init(9);delay_init(72);uart_init(72,115200);LCD_Init();（1）LED_Init();（2）KEY_Init();（3）usmart_dev.init(72);USART2_Init(36,115200);TP_Init();mem_init(SRAMIN);exfuns_init();f_mount(0,fs[0]);（4）key=KEY_Scan(0);if(key==KEY_RIGHT)（5）{LCD_Clear(WHITE);TP_Adjust();TP_Save_Adjdata();LCD_Clear(WHITE);}fontok=font_init();（6）if(fontok||key==KEY_DOWN){LCD_Clear(WHITE);POINT_COLOR=RED;LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"ALIENTEKSTM32");while(SD_Initialize())（7）{LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"SDCardFailed!");delay_ms(200);LCD_Fill(60,70,200+60,70+16,WHITE);delay_ms(200);}LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"SDCardOK");LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"FontUpdating...");key=update_font(20,110,16,0);（8）while(key)（9）{LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"FontUpdateFailed!");delay_ms(200);LCD_Fill(20,110,200+20,110+16,WHITE);delay_ms(200);}LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"FontUpdateSuccess!");delay_ms(1500);LCD_Clear(WHITE);（10）}sim900a_test();}程序L2.2说明：L2.2（1）：初始化LCDL2.2（2）：初始化LEDL2.2（3）：挂载SD卡L2.2（4）：检测SD卡L2.2（5）：强制校准L2.2（6）：检查字库是否OKL2.2（7）：检测SD卡L2.2（8）：从SD卡更新L2.2（9）：更新失败L2.2（10）：清屏2.4摄像头模块程序该部分的程序是通过调用函数对分辨率，亮度，尺寸，颜色的编写从而可以采集到图像信息，最后在屏幕上显示出来，程序该部分程序L2.3如下。L2.3程序清单：u8OV7670_Init(void){u8temp;u16i=0;（1）RCC->APB2ENR|=1<<2;（2）RCC->APB2ENR|=1<<3;（3）GPIOA->CRL&=0XFFF0FF00;GPIOA->CRL|=0X00030033;（4）GPIOA->ODR|=1<<4;GPIOA->ODR|=3<<0;GPIOA->CRH&=0X00F00FFF;GPIOA->CRH|=0X83033000;（5）GPIOA->ODR|=3<<14;GPIOA->ODR|=3<<11;JTAG_Set(SWD_ENABLE);SCCB_Init();（6）if(SCCB_WR_Reg(0x12,0x80))return1;（7）delay_ms(50);（8）temp=SCCB_RD_Reg(0x0b);if(temp!=0x73)return2;temp=SCCB_RD_Reg(0x0a);if(temp!=0x76)return2;（9）for(i=0;i<sizeof(ov7670_init_reg_tbl)/sizeof(ov7670_init_reg_tbl[0]);i++){SCCB_WR_Reg(ov7670_init_reg_tbl[i][0],ov7670_init_reg_tbl[i][1]);