基于ESP32单片机的智能屏幕设计.pdf

收稿日期:2023-11-29基金项目:本文系北京印刷学院校级项目(Ea202407)、北京印刷学院博士科研启动基金(27170124003)、北京印刷学院高层次人才科研启动基金(27170024001)研究成果。通信作者:孔佳仪第 32 卷 第 3 期Vol.32 No.3北 京 印 刷 学 院 学 报Journal of Beijing Institute of Graphic Communication2024 年 3 月Mar.2024基于 ESP32 单片机的智能屏幕设计孙 睿,孔佳仪,续明进,柳晓菁(北京印刷学院,北京 102600)摘 要:近年来轻便化的智能设备得到了消费者的广泛青睐。为开发一款功能丰富、易用性强的桌面摆件及智能便携设备,提供了基于 ESP32 单片机的智能屏幕设计方案。所设计的智能屏幕通过触摸方式进行人机交互,具有图形化界面,能够显示当日日期、当前时间、当天天气,具有单词记忆及同步个人网站消息等功能,在智能化办公和个人娱乐领域具有广阔应用前景。关键词:智能屏幕;智能便携设备;ESP32 单片机中图分类号:TP368文献标识码:A文章编号:1004-8626(2024)03-0008-07 随着互联网移动技术的发展,智能电子产品已然成为人们日常生活中不可或缺的一部分。1-2其中,得益于便携性与实用性,智能便携设备广受人们喜爱。3-6智能便携设备主要涉及传感器技术、无线通讯技术及单片机控制技术7-9等领域。其中,传感器技术是智能便携设备的核心,用于检测和记录人体的各种数据,实现心率、体温、睡眠质量等的监测。无线通讯技术用于智能便携设备与不同设备进行连接与互动,实现数据实时传输与处理。10-11单片机控制技术用于智能便携设备控制,实现智能便携设备的高速、稳定与灵活运行。智能便携设备在工业界和学术界一直都备受关注,但由于产品造价成本过高、产品技术复杂和产品材料满足不了需求等原因,许多产品只能停留在概念阶段。12-13此外,目前智能便携设备市场存在着同质化竞争严重、用户黏性低和市场渗透率低等问题。用户对消费电子市场的影响力与日俱增,提升用户满意度是相关企业追求的目标。14为推广智能便携设备的普及使用,本文提供了一种相较于市面产品更易操作、成本更低的智能屏幕设计方案,功能方面创新性地将单词记忆、平台消息、番茄时钟等功能通过物联网技术与智能屏幕相结合,既为大众人群提供日常所需时钟功能,又为特定人群提供小众的便利服务,从而降低产品同质化,突出产品特点。考虑到 ESP32 单片机专为移动设备、电子产品应用而设计,本文基于 ESP32单片机对智能屏幕进行设计。同时,以电子墨水屏搭配电子纸触摸屏 D67 为屏幕模块,以 TP4056 芯片进行电池充电管理以保障续航,使用嘉立创EDA 软件进行电路原理图绘制及 PCB 设计,使用SolidWorks 软件进行桌面屏幕三维建模设计。基于 ESP32 单片机的智能屏幕可广泛应用于办公室、学校、家庭等各种场合,基于 ESP32 单片机的智能屏幕设计方案将有助于推动智能便携设备的发展与普及,提供更好的用户体验,它的完善和推广将为未来的智能设备市场带来更多可能性。1 总体方案设计本文以 ESP32 单片机为控制器,根据智能屏幕所需实现的目标功能,搭建各个外设模块基本电路。如图 1 所示,基于 ESP32 单片机的智能屏幕设计分为功能性设计和非功能性设计两部分,下文将分别论述。1.1 功能性设计(1)时间、天气显示功能:用于显示当前时间和天气,方便用户日程安排。(2)单词记忆功能:用于查看英文单词释义等相关信息。(3)平台消息显示功能:用于显示视频平台用户个人消息。图 1 总体方案设计图(4)番茄时钟功能:用于工作或学习计时。一个番茄时间一般为 25 分钟,计时开始后需要全身心投入工作,25 分钟结束后会进入 5 分钟的休息时间,每过四个番茄时间,会有一次 20 分钟的长休息时间,并在计时过程中进行倒计时显示和提醒。通过工作和休息的交替循环进行,可以使用户更有效、更健康地工作、学习。1.2 非功能性设计(1)触摸交互:具有类似触屏手机的界面和操作体验,通过触屏实现人机交互。(2)蓝牙联网:通过蓝牙连接手机或其他设备以获取时间、天气、单词等数据。(3)充电管理:管理充电状态,支持充电保护和电量显示功能。(4)外壳设计:智能屏幕大小为 1.5 寸左右,以便于携带。2 硬件电路设计图 2 所示为基于 ESP32 单片机的智能屏幕硬件总体结构图,可以看出,智能屏幕由屏幕模块、充电管理模块、电池、稳压模块、复位/下载按键组成。其中,ESP32 单片机作为智能屏幕控制器,用于实现屏幕显示控制、用户输入处理、数据存储与处理、外部设备控制等多种功能;充电管理模块用于实现高效、可靠、安全的充电管理系统以确保设备稳定工作和长时间使用;屏幕模块用于实现良好的触摸屏操作体验。图 2 硬件总体结构图2.1 主控模块智能屏幕设计主控模块采用 ESP32-S 模组,其内部集成了 WiFi 及低功耗蓝牙功能。该模组适用于低性能传感器网络和对性能要求更高的任务,可满足智能屏幕不同应用场景的需求。而且,此模组还具有动态电压调整和省电模式等特性,与充电管理电路结合可降低智能屏幕的功耗。15此外,ESP32-S 模块提供了 39 个接口,便于连接智能屏幕或集成其他外部设备和传感器。图 3 所示为主控 ESP32-S 模块原理图。图 3 主控原理图9第 3 期孙 睿,孔佳仪,续明进,等:基于 ESP32 单片机的智能屏幕设计2.2 充电管理模块智能屏幕设计采用低成本、高效率、小尺寸的充电管理芯片 TP4056 来监控电池状态并控制充电过程。TP4056 支持微 USB 接口充电,适用于便携式设备。而且,TP4056 内部采用了防倒充电路以确保电池安全,当输入电压移除后,TP4056 会自动进入超低功耗待机状态。16图 4 所示为 TP4056 芯片典型应用电路图。TP4056 芯片具有两个漏极开路状态指示输出端,分别为 CHRG 和 STDBY。图 4 TP4056 典型应用电路CHRG 和 STDBY 的电平状态决定了智能屏幕不同的充电状态:(1)充电进行状态。当充电进行时,CHRG 为低电平,表示正在进行充电。(2)充电完成状态。当充电结束后,CHRG 为高阻态,而STDBY 为低电平,用于指示充电过程已经完成。通过这两个状态指示器,用户可以查看智能屏幕当前充电状态,方便监控和判断充电是否正常。(3)充电终止状态。TP4056 使用内部滤波比较器来监控 PROG 引脚。这个机制用于判断充电过程是否完成或是否出现异常情况,以保护电池免受过充电风险。当 PROG 引脚电压降至 100mV 以下,并且持续时间超过 2ms 时,充电将被终止。此时,TP4056 进 入 待 机 模 式,输 入 电 源 电 流 降 至50A。17表 1 所示为不同情况下充电指示灯状态。表 1 充电指示灯状态充电状态红灯(CHRG)绿灯(STDBY)正在充电亮灭充电完成灭亮欠压、温度过高或过低灭灭BAT 接 10mF 电容闪烁亮2.3 屏幕模块考虑到墨水屏具有阅读体验良好、续航时间长、护眼功能强的优点,同时电子纸触摸屏 D67 能够与 ESP32 单片机控制模块相容,方便进行数据传输和控制,智能屏幕设计使用墨水屏搭配 1.54寸电子纸触摸屏 D67,以实现显示与触屏功能。墨水屏是一种通过控制微胶囊内颗粒的移动来显示图像和文字的电子纸技术产品,具有低功耗、高对比度和护眼等优点。如图 5 所示,墨水屏的集成电路内部包含了多种元器件,这些元器件协同工作实现了智能屏幕的显示。图 5 墨水屏电路原理图01北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年 电子纸触摸屏 D67 主要由两层透明导电膜构成。当触摸屏被按下时,由于人体或其他物体的压力,两层导电膜发生接触,形成一个电路,电流经过触摸点,被传递到控制电路中,控制电路接收到触摸信号后,通过计算和分析,得出触摸点的坐标位置,然后再将其转化为系统可识别的数据,最终实现对系统的控制。D67 触摸屏电路原理图如图 6所示,SCL 引脚为时钟线,SDA 引脚为双向数据线,作为接受主机命令的从机,按照总线上的 SCL 信号发出或接收 SDA 上的信号,也可以向 SCL 线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。T_INT与 T_RST 为中断与复位引脚,用以控制屏幕开关。图 6 D67 电路原理图图 7 PCB 二维布局图(单位:mm)2.4 PCB 及三维外壳设计为智能屏幕设计合理的布局布线,使元器件在长 33.4mm、宽 37.1mm 的电路板上紧密排布,如图7 所示。为了达到便携的目的,总体外壳结构长约38.5mm、宽约 31.5mm、高约 50mm。考虑到安全实用性,本文对智能屏幕外壳四角进行了圆角设计,模型组成从前到后依次为前壳、屏幕、隔板、电路板、电池以及后壳,四颗螺钉将前后壳紧紧连在一起,完成产品的拼接。通过三维建模软件 Solid-Works 创建产品的外观形状,将产品的功能和美观性相结合,并考虑到结构尺寸等因素,最终实现产品的外观设计,外壳 3D 模型图和外壳内部模型图分别如图 8、图 9 所示。图 8 外壳 3D 模型图图 9 外壳内部模型图3 系统方案设计3.1 总体设计ESP32 单片机可以运行多个任务,因此采用FreeRTOS 操作系统,不同任务并发运行,同时各自独立执行,提高了系统的效率和稳定性。同时,可以根据任务的优先级、时间片等参数进行调度和管理,确保系统的正常运行和响应性能。还需要支持硬件的各项驱动,如:屏幕驱动,实现智能屏幕显示和触摸功能。可以采用 SPI 或 I2C 接口连接屏幕和 ESP32 单片机,通过驱动程序控制屏幕的显示和触摸信号的采集,使用 LVGL 等 UI 界面库,实现图形化界面的设计和显示;蓝牙驱动,完成智能屏幕与其他设备的蓝牙通信。使用低功耗蓝牙协议,通过驱动程序实现蓝牙模块的初始化、扫描、连接、数据传输等功能;传感器驱动,用于实现 ESP32 单片机对各种传感器数据的采集与处理。由 I2C 或SPI 接口连接传感器和 ESP32,通过驱动程序实现传感器的初始化、数据读取、滤波、校准等功能。3.2 应用流程与界面设计图 10 为智能屏幕初始化流程图,智能屏幕上电启动后首先会进行外设数据初始化,如 I2C 接11第 3 期孙 睿,孔佳仪,续明进,等:基于 ESP32 单片机的智能屏幕设计口、SPI 接口、定时器及界面信息等数据的初始化,然后进入图 11 中的设置页面进行热点的配置,设置完成后会判断目前设备中是否存在 WiFi 账号和密码,若存在则直接连接默认路由器进入主页,若不存在则开启热点配置网络模式后进入主页。图 10 初始化流程图为向用户提供熟悉的操作环境,智能屏幕设计还需考虑人机交互。图 11 为智能屏幕界面设计效果交互图,在经过上电启动与初始设置进入主页后,系统开始检测用户的触屏输入以判断显示何种功能页面。如图 12 所示,用户可根据需要选择对应的功能,通过点击或滑动的方式触发功能选择。触发动作的判断如图 13 所示,检测到屏幕输入则产生中断,通过用户触碰位置获取输入坐标以判断用户选择了哪种功能,通过定时器完成输入指令的判断来区分用户的不同触发方式,如点击、长按、滑动。图 11 智能屏幕界面设计效果交互图图 12 功能界面流程图3.3 蓝牙通信和数据处理为了实现系统与其他设备以低功耗和较高的安全性进行通信,智能屏幕设计采用低功耗蓝牙协议。低功耗蓝牙协议是一种低成本、短距离的鲁棒性无线技术。相较于经典蓝牙,低功耗蓝牙旨在保持同等通信范围的同时显著降低功耗和成本,使在功耗方面有较高要求的智能便携设备能够长时间保持在电状态。数据处理程序需要处理蓝牙接收到的数据,并更新界面上的数据显示,如可以采用JSON 格式传输数据,使用 ESP32 自带的 JSON 库进行数据的解析和处理。3.4 充电管理为便于智能屏幕持续使用以及尽可能地延长使用寿命,需对为屏幕供电的电池进行充电控21北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年图 13 触屏动作流程图制和电量检测。充电管理电路就是一种控制和监测充电过程的电路,能够确保电池在充电时得到正确的电流和电压,防止充电过程中发生过热、过充和过放等危险情况。本文智能屏幕设计采用 ESP32 深度睡眠模式以实现系统低功耗运行。深度睡眠模式下,CPU 及大部分外设掉电。而在系统运行时需要在程序中判断系统是否处于低功耗模式,并在系统唤醒时进行相应的处理,例如初始化硬件等。3.5 WiFi AP 模式与 STA 模式为实现智能屏幕在热点模式和主机模式间的切换以进行联网操作,使用 AP(Access Point)模式作为配网模式。在 AP 模式下,ESP32 单片机能够通过创建一个无线网络热点来充当访问点,即可以作为一个无线路由器,其他设备可以连接到该热点,并通过该热点访问互联网或与ESP32 单片机进行通信,将智能屏幕变成热点,待手机或电脑连接到此模块的热点时,便可以访问模块内置的 html 页面,通过此页面将手机的WiFi 账号、密码等数据信息发送给模块,模块存储之后就可以进行一些联网的操作,再切换到STA(Station)模式。STA 模式是指 ESP32 单片机能够通过连接到一个已存在的无线网络来充当站点。在 STA 模式下,ESP32 单片机可以连接到一个无线路由器或者其他的接入点,获取网络的访问权限,并通过该网络与其他设备进行通信,使智能屏幕能够连接外部的热点或路由,进而访问网站接口获得所需要的数据信息。4 结论本文提供了一种基于 ESP32 单片机的智能屏幕设计思路,所设计的智能屏幕兼具时间及天气显示、单词记忆、视频平台消息显示以及番茄时钟等功能。本文通过软、硬件结合实现了低成本、低功耗智能屏幕的设计,可以满足不同用户的需求,有较高的实用价值。参考文献:1 刘超.单片机技术在电子产品设计中的应用J.电子技术,2022(9):222-223.2 陆欣,张玉勇.基于数字孪生的电子产品虚拟试产方法研究J.智能制造,2023(4):90-96.3 年双渡.可穿戴设备将成智能终端市场下一引爆点J.中国商界,2022(6):116-119.4 孙卫萍.单片机技术在智能电子产品中的应用J.电子测试,2021(18):101-102.5 林丽.单片机技术在智能电子产品中的应用J.电子技术,2021(2):36-37.6 韩娜,王博文.基于移动设备的智能手表设计与实现J.电脑开发与应用,2015(1):14-16.7 谢百煌,李旭辉.基于物联网和传感器技术的电网二次设备信息智能移动系统J.制造业自动化,2023(8):12-16,27.8 郝喆,王运,王珂.基于无线通讯的多智能机器人协作运行系统研究J.信息技术与信息化,2023(5):192-194,198.9 徐一鹤.智能化电子产品中单片机技术的运用J.电子测试,2021(8):122-123.10 毛磊,李争祥,陈立钊.现代无线通讯技术发展现状和趋势J.电子技术与软件工程,2021(10):23-24.11 高明,刘晓吉.无线通讯技术在进口垃圾吊行车上的应用研究J.工程机械,2023(8):115-121.12 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date,the time and the weather.Besides,it can provide other functions like word memory and personal website message.The intelligent screen has broad prospects in the fields of intelligent office and personal entertainment.Key words:intelligent screen;intelligent portable device;ESP32 microcontroller(责任编辑:周宇)(上接第 7 页)Improved Design of Hydrogel 3D Printing Test-bed Based on TRIZ TheoryCHENG Guangkai,LI Yan,REN Zheng,CHA Yunzhuo,SUN Haowei(1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China;2.Beijing Key Laboratory of Digital Printing Equipment,Beijing 102600,China;3.Engineering Research Center of Printing Equipment of Beijing Universities,Beijing 102600,China)Abstract:In order to improve the extrusion module of the bio-printer can not achieve accurate temperature control,and the cantilever structure of the deposition platform is low precision.Based on TRIZ theory,function analysis and causal chain analysis of existing bio-printers are carried out to analyze the internal reasons of the problems.It is solved by 40 invention principles,contradiction matrix,clipping model,STC operator and smart man method.Four innovative solutions are proposed in this paper:the pipe contact surface is designed as water-cooled plate structure;The driving device of the nozzle is changed to 42 step motor and the driving mechanism is changed to ball screw;Using 19906 semiconductor refrigeration sheet instead of compressor,continuous refrigeration;The tower heat dissipation is used to heat the hot end of the cooling plate,which improves the cooling efficiency.After the four schemes are combined,the line width of the printed line is more stable.Key words:bio-printer;TRIZ theory;temperature control;heat dissipation;precision(责任编辑:周宇)41北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年