基于STM32L431低功耗芯片制作的电子墨水屏相册

第一部分 设计概述

设计目的

为解决传统相册及桌面照片摆台只能展示固定图片这一问题，本次设计的基于STM32L431RCT6低功耗芯片制作的电子墨水屏相册，可以显示电子图片，省去冲洗照片等步骤，且可以快速随心更换，只需通过在相应网站进行更改即可。本次设计的电子墨水屏相册相较于传统相册与桌面摆台新增了一块OLED副屏，可以显示电量、温度、天气、日历等实时信息，通过设计人机交互界面提高设备的交互性。另有无极调光，可解决墨水屏在夜晚显示效果不佳的问题。

应用领域

e-Album电子墨水屏相册外形美观、功能强大，应用领域十分广泛。无论是居家、办公场景都可以作为一款桌面摆件增添氛围与乐趣；亦可作为信息展示台应用于医院、酒店大堂、餐厅、公司前台、业务办理窗口等场景。其自带的触摸按键调解灯光功能可将e-Album作为小夜灯使用，同时可作天气、时间查询工具及闹钟，非常适合放置于床头，为生活增添便利。

主要技术特点

e-Album电子墨水屏相册的技术特点主要有：

1.可刷新 ：采用墨水屏作为主屏，ESP8266可通过WIFI从PC机或智能手机上获取图片信息，并将信息通过电子墨水屏显示出来，实现图片刷新。

2.图像显示 ：采用“微胶囊电泳显示”技术进行图像显示，其基本原理是悬浮在液体中的带电纳米粒子受到电场作用而产生迁移。电子纸显示屏靠反射环境光来显示图案，不需要背光，在环境光下，电子纸显示屏清晰可视，可视角度几乎达到了180°，因此非常适合阅读。

3.多种显示方式 ：通过抖动算法使获得更多的颜色组合，对原始图片进行更好的阴影渲染。有黑白色阶、黑白抖动、多色色阶、多色抖动四种显示方式。

4.控制 ：通过STM32L431RCT6这款功能强大、低功耗、高性能的微控制器作为主控芯片，实现OLED屏中显示天气、温度、时间、闹钟、电量等功能，加强人机交互，增强了e-Album的可用性。

5.低功耗 ：通过低功耗微控制器控制软件以及硬件电路设计来控制功耗。

关键性能指标

e-Album功能强大、性能优越。具有低功耗、可刷新、不伤眼等性能特点。墨水屏通过网站处理原始图像数据耗时约25秒，墨水屏刷新显示耗时约30秒，刷新一张图片需要一分钟左右。

7.3寸7色墨水屏，分辨率为800*480，并通过多色抖动算法，提高图片还原度。

使用电池供电最高续航时间可达14天。

主要创新点

1.电子墨水屏显示，可刷新图像。

电子墨水屏采用“微胶囊电泳显示”技术进行图像显示，环境光下清晰可见。利用ESP8266作为电子墨水屏网络驱动板，其可通过WIFI从计算机或智能手机上获取图片信息，并将信息通过电子墨水屏显示出来。可以通过在相应网站中上传图片，选择显示方式使得电子墨水屏任意切换刷新图片，相较于传统相册是一大突破与创新。

2.多种显示方式

e-Album电子墨水屏相册主屏可以将图像显示为四种模式，分别是黑白色阶、黑白抖动、多色色阶、多色抖动。通过两种图像处理算法——色阶法、抖动法实现。其中抖动法对于颜色较为复杂、渐变区域较多的图像，通过混合颜色的方法来绘画阴影和过度区域，可以展示出图像细节。

3.利用毫米波传感器实现自动休眠

墨水屏相册配有人体存在感应雷达，可实时检测感应范围内是否有人，若未检测到则进入自动休眠状态。

4.利用水银开关感知屏幕旋转

当电子墨水屏显示竖向图像时，使用者会将e-Album竖向放置，其中内置的水银开关感应动作，水银位置发生改变，从而控制OLED屏显示方向。水银开关检测e-Album放置方向相较于常用的重力传感器等感知旋转运动的器件而言更加简洁且实用经济。

第二部分 系统组成及功能说明

整体介绍

▲ 图 1 整体结构图

e-Album基于STM32L431RCT6开发设计，由锂电池或外部type-C供电作为输入电源。输入部分包括ESP8266模块，用来建立网站获取图像的原始数据，并对图像的原始数据做抖动算法处理，传输至墨水屏显示。可以获取时间，信息，传输给DS3231实时时钟实现精准走时，使系统可实时获取精准时间信息。可以获取天气信息传输至OLED屏幕进行显示。

BMP280检测温度气压等环境数据传输至OLED屏幕进行显示。毫米波雷达用于检测人体是否存在实现设备自动休眠进行能耗控制。数码管有多种显示模式，可以显示时间信息通过改变显示模式进一步的控制功耗。

各模块介绍

（1）墨水屏幕驱动

▲ 图 2 7.3寸墨水屏电路

电子墨水屏驱动电路驱动墨水屏显示图片，并根据网站信息进行刷新与更换图片。

（2）OLED屏幕驱动

▲ 图 3 OLED

OLED屏可通过各输入模块实现显示设备状态信息以及周围环境信息。通过人机交互界面实现设备工作模式切换，满足个性化需求。

（3）ESP8266模块

通过ESP8266访问互联网得到时间，气温，天气等数据，通过与用户设备连接在同一局域网内，通过网站上位机处理原始图像数据，将处理后的数据传输给墨水屏模块进行显示。

（4）时钟模块

▲ 图 4 数码管

e-Album只需联网一次，时钟便可更新为当前时间。在断电后，电池仍给时钟模块供电，因此即使关闭e-Album，时钟依然在计时，在再次开启e-Album时，可保证时间与当前时间一致。并通过数码管或OLED屏幕进行显示。

（5）ADC采集模块

▲ 图 5 ADC设计

将模拟电压信号转换为数字信号，用于采集电池电压信息，便于对系统进行分析与处理。并且在检测电路种加入了使能控制引脚，ADC采集可以实现固定频率采集，进一步控制功耗。

（6）无极调光模块

▲ 图 6 无极调光

通过人体手指触摸，感应触摸时长，通过触摸时长调节灯丝亮度。还有亮度记忆功能。可以弥补墨水屏无法自发光导致的在夜晚显示效果不佳的问题。

（7）BMP280

▲图 7 BMP280设计

作为传感器测量温度和气压，并显示于OLED屏。

第三部分 完成情况及性能参数

▲ 图 8 总体硬件电路

整个系统硬件电路全部自主设计并绘制，各模块均可正常工作，系统硬件电路设计基本完成。

软件编写基本完成，实现了各模块正常工作，系统运行正常，人机教务界面编写完整，可以实现对系统各功能切换各项参数调整，满足用户的多样化需求。

▲ 图 9 OLED界面

性能参数

网站获取图像原始数据后，处理时间约25秒，墨水屏刷新显示时间约为30，综合墨水屏刷新显示时间约为一分钟。墨水屏在不刷新显示时基本无功耗。

BMP280温度气压传感器获取当时环境温度，压强数值。反应灵敏，误差较小。

DS3231高精度I2C实时时钟，获取时间数据速度快频率高，与世界标准时间相差不到一秒。

毫米波雷达，检测精度高，不受障碍物影响，反应迅速，延时低。在0.75米内识别率稳定可达到百分之95以上。

通过ESP8266访问互联网得到时间，气温等数据，在网络信号稳定的情况下，反应迅速，延时低。

时钟数码管可以在三种显示模式之间自由切换，满足用户个性化需求。

OLED显示人机交互界面流畅清晰，屏幕刷新率高。识别按键输入信号灵敏反应迅速，延时低。

第四部分 总结

可扩展之处

在OLED屏显示图像处理进度 。当网站进行图像处理时，如果要将图像处理进度反馈给主控芯片，还需要进一步降低图像处理速度。目前为了保证图像处理进度，便舍弃了主控的这一功能，后续可通过提高主控芯片的频率来实现高速处理图片数据的同时获取图像处理的进度信息，显示于OLED屏幕上，便于用户获取设备信息。

文件管理系统搭建 。后续可在主控芯片中增加文件管理系统，将图片信息存储于外部FLASH中选择，并通过文件管理系统切换显示图片，使得电子墨水屏显示系统中存储的图片。

功耗 。作为桌面摆件，可靠性是非常重要的，因此续航也非常重要。目前的设计的功耗控制并不特别理想，这也是后续改进的一个方向。