STM32下學(xué)生課堂手機(jī)管理系統(tǒng)探析

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摘要:目前，學(xué)生擁有手機(jī)比較普遍，給課堂管理帶來(lái)一定的不便。而傳統(tǒng)的手機(jī)袋管理模式存在管理不便、效率低下的問(wèn)題?；凇?a href="http://m.coffee125.com/lunwen/ketangguanlilunwen/174964.html" target="_blank">stm32控制器+上位機(jī)”的手機(jī)管理系統(tǒng)讓學(xué)生通過(guò)自帶的數(shù)據(jù)線將手機(jī)連接到STM32控制器的USB口，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，上位機(jī)軟件直觀顯示學(xué)生手機(jī)上交情況，方便教師管理，提高了課堂手機(jī)管理水平。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有語(yǔ)音提示及一些教學(xué)功能，也能夠滿足課堂教學(xué)的基本需要。

關(guān)鍵詞:STM32;單片機(jī);手機(jī)管理;課堂管理

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生活水平的提高，智能手機(jī)越來(lái)越普及，并越來(lái)越影響和改變著人們的生活方式和習(xí)慣。學(xué)生擁有手機(jī)帶來(lái)便利的同時(shí)，也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響［1］。比如部分學(xué)生自律性較差，上課玩手機(jī)的現(xiàn)象屢禁不絕。目前普遍采用的管理方式是布質(zhì)手機(jī)袋管理。上課前，學(xué)生將手機(jī)存放到手機(jī)袋指定編號(hào)位置，教師逐一查看手機(jī)是否交上來(lái)，時(shí)不時(shí)還要催促學(xué)生，費(fèi)時(shí)費(fèi)勁，效率太低，并且有部分學(xué)生以手機(jī)在充電為由，不予配合。為減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，提高教師課堂手機(jī)管理的效率，設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。

一、整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括控制器和上位機(jī)軟件?？刂破饔?塊STM32主控板和4塊手機(jī)連接板組成，每塊連接板有16個(gè)USB接口?？刂破髟O(shè)計(jì)包括電源供電、液晶顯示、按鍵輸入、語(yǔ)音播報(bào)和時(shí)鐘等模塊?？刂破魇且許TM32單片機(jī)為核心，通過(guò)USB接口電路檢測(cè)學(xué)生手機(jī)上交情況，將數(shù)據(jù)保存起來(lái)，并通過(guò)RS232數(shù)據(jù)線和上位機(jī)(教師機(jī))通訊將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。使用時(shí)，學(xué)生按照學(xué)號(hào)將手機(jī)放在專門設(shè)計(jì)的標(biāo)有學(xué)號(hào)的小方格子架上，用數(shù)據(jù)線插到USB接口。主控板不僅能夠監(jiān)測(cè)手機(jī)上交情況，同時(shí)還可以對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電。上位機(jī)軟件通過(guò)Excel表格讀取班級(jí)名單，并顯示出來(lái)。通過(guò)與主控板通訊，讀取手機(jī)上繳數(shù)據(jù)，用不同顏色標(biāo)示出已交手機(jī)和未交手機(jī)的人員名單，使人一目了然，方便管理。同時(shí)，軟件具有一些教學(xué)常用功能，如語(yǔ)音提示、時(shí)間顯示、考試計(jì)時(shí)及提示，方便教師課堂活動(dòng)應(yīng)用。手機(jī)接入檢測(cè)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。USB2.0設(shè)備的USB接口，其管腳有+V、GND、D+、D－等管腳。其中，+V、GND是設(shè)備供電管腳，D+、D－管腳是數(shù)據(jù)通信線。USB設(shè)備有高(全)速、低速設(shè)備之分，主要是通過(guò)D+、D－管腳的上拉電阻區(qū)分［2］。例如:低速設(shè)備的D－管腳接一個(gè)1.5KΩ的上拉電阻，D+不接;高速設(shè)備則相反。這樣，當(dāng)USB終端設(shè)備插上HOST主機(jī)時(shí)(例如電腦)，如果是高速設(shè)備，則D+被拉高，D－不變;低速設(shè)備則與之相反［3］。插上設(shè)備之后，D+、D－管腳呈現(xiàn)不同的電平信號(hào)，可以通過(guò)此特性，判斷手機(jī)是否接入系統(tǒng)。

二、主要硬件電路設(shè)計(jì)

(一)STM32單片機(jī)

主控板采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心設(shè)計(jì)芯片。STM32是意法半導(dǎo)體公司基于ARM公司32位Cortex－M3框架內(nèi)核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的中等容量MCU，其具有64KB－128KB的Flash存儲(chǔ)器，20KB的SRAM存儲(chǔ)器，多達(dá)80個(gè)IO口，片上外設(shè)資源豐富，如USB、CAN、Timer、I2C、USART等［4］。其運(yùn)行頻率達(dá)到72MHz，運(yùn)行速度快，完全滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)具有Serialwiredebug(SWD)＆JTAGinterfaces仿真接口，方便開(kāi)發(fā)調(diào)試。

(二)手機(jī)接入檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

手機(jī)接入檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。USB接口是A型接口母座，其D+、D－數(shù)據(jù)線通過(guò)15K的下拉電阻接地。手機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線插入到該接口時(shí)，在D+、D－管腳呈現(xiàn)一個(gè)高低電平信號(hào)，高電平約2.3V，低電平約0.3V。為了電平穩(wěn)定檢測(cè)，提高抗干擾能力，使用電壓比較器設(shè)計(jì)整形電路，使輸出高電平為3.3V，低電平為0V。電壓比較器的輸出接至單片機(jī)的IO口，作為手機(jī)接入的檢測(cè)。

(三)RS232通訊電路設(shè)計(jì)

主控器和上位機(jī)軟件的通訊，主要采用串口協(xié)議，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。主芯片采用美信公司的MAX232ESE，其是RS232協(xié)議通訊芯片，采用雙通道收發(fā)，通訊波特率高達(dá)120kbps，具有外圍電路簡(jiǎn)單、通訊速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)［5］，滿足設(shè)計(jì)要求。

(四)液晶顯示電路設(shè)計(jì)

主控器上的液晶屏能夠顯示手機(jī)上交情況及其他一些信息。使用晶聯(lián)訊電子的JLX19296－770液晶屏作為人機(jī)交互界面，能夠顯示192×96點(diǎn)陣的單色圖片，具有LCD背光、功耗低、指令功能強(qiáng)、接口簡(jiǎn)單、傳輸速率高、可靠性高等特點(diǎn)。配合字庫(kù)芯片，能夠顯示各種字形和圖案［6］。

三、軟件設(shè)計(jì)

(一)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)包括按鍵檢測(cè)模塊、語(yǔ)音模塊、液晶屏顯示控制模塊、時(shí)間模塊、串口通訊模塊。主程序采用輪詢的處理方法，對(duì)手機(jī)接入情況進(jìn)行檢測(cè)，將數(shù)據(jù)保存并顯示在顯示屏;同時(shí)，實(shí)時(shí)讀取時(shí)間芯片，更新液晶顯示。有按鍵按下時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的顯示界面，同時(shí)播報(bào)相應(yīng)的語(yǔ)音提示。單片機(jī)和上位機(jī)通訊，按照自定義格式的協(xié)議通訊。其通訊幀格式如下:STX+Data［0］+Data［1］+…+Data［15］+SumH+SumL。其中，STX是幀開(kāi)頭，固定為0X02;數(shù)據(jù)Data［0］～Data［15］等數(shù)據(jù)為手機(jī)接入檢測(cè)數(shù)據(jù)，將一個(gè)字節(jié)拆分為兩個(gè)字節(jié)后，轉(zhuǎn)為ASCII碼所得;Sum為校驗(yàn)和，是將STX～Data［15］數(shù)據(jù)代數(shù)和累加之后所得數(shù)據(jù)，高低字節(jié)部分拆分為兩個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)ASCII所得。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，采用中斷的方式，即待發(fā)送的字節(jié)寫入發(fā)送緩沖區(qū)之后，發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減一。數(shù)據(jù)發(fā)送完產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，判斷發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否為零，如果不為零，繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，同時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減一［7］。重復(fù)此流程，直至數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為零，如圖4所示。

(二)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用VisualBasic語(yǔ)言編寫，主要模塊有Excel讀寫模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、顯示模塊和通訊模塊。為方便不同的班級(jí)使用，Excel表格存放各班學(xué)生的姓名和學(xué)號(hào)信息。軟件運(yùn)行時(shí)點(diǎn)擊“打開(kāi)班級(jí)”即可選擇班級(jí)的Excel表格，導(dǎo)入學(xué)生信息。語(yǔ)音播報(bào)模塊主要是播報(bào)語(yǔ)音，輸出到多媒體音箱，起到提醒作用，如請(qǐng)交手機(jī)、拿回手機(jī)等。顯示模塊主要是顯示已交手機(jī)和未交手機(jī)的學(xué)生名單。通訊模塊，軟件主要是通過(guò)SerialPort控件［8］，實(shí)現(xiàn)與STM32主控板的通訊。

四、小結(jié)

經(jīng)過(guò)制作與驗(yàn)證，本手機(jī)管理系統(tǒng)能夠兼容檢測(cè)安卓和蘋果手機(jī)。學(xué)生手機(jī)插上數(shù)據(jù)線連接USB口后，都能夠被主控板檢測(cè)出來(lái)，同時(shí)也能夠?qū)κ謾C(jī)進(jìn)行充電。軟件界面友好，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控手機(jī)上交情況，同時(shí)語(yǔ)音提示功能也方便了教學(xué)管理。不足之處是，手機(jī)充電電流偏小，沒(méi)有正確配置D+、D－電壓，導(dǎo)致充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。部分學(xué)生手機(jī)充電線只有VBus和GND兩根線，無(wú)D+、D－數(shù)據(jù)線，只能夠充電，無(wú)法監(jiān)控。整體而言，手機(jī)管理的功能基本上達(dá)到了預(yù)期功能，滿足了課堂教學(xué)管理需要。

作者:郭興龍 單位:廣東省廣州市市政職業(yè)學(xué)校