STM32下學(xué)生課堂手機管理系統(tǒng)探析
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摘要:目前，學(xué)生擁有手機比較普遍，給課堂管理帶來一定的不便。而傳統(tǒng)的手機袋管理模式存在管理不便、效率低下的問題。基于“stm32控制器+上位機”的手機管理系統(tǒng)讓學(xué)生通過自帶的數(shù)據(jù)線將手機連接到STM32控制器的USB口，控制器實時監(jiān)測并將數(shù)據(jù)傳送至上位機，上位機軟件直觀顯示學(xué)生手機上交情況，方便教師管理，提高了課堂手機管理水平。同時，系統(tǒng)設(shè)計有語音提示及一些教學(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;手機管理;課堂管理
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生活水平的提高，智能手機越來越普及，并越來越影響和改變著人們的生活方式和習(xí)慣。學(xué)生擁有手機帶來便利的同時，也產(chǎn)生了一些負面影響［1］。比如部分學(xué)生自律性較差，上課玩手機的現(xiàn)象屢禁不絕。目前普遍采用的管理方式是布質(zhì)手機袋管理。上課前，學(xué)生將手機存放到手機袋指定編號位置，教師逐一查看手機是否交上來，時不時還要催促學(xué)生，費時費勁，效率太低，并且有部分學(xué)生以手機在充電為由，不予配合。為減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，提高教師課堂手機管理的效率，設(shè)計了本系統(tǒng)。
一、整體設(shè)計
如圖1所示，整個系統(tǒng)包括控制器和上位機軟件。控制器由1塊STM32主控板和4塊手機連接板組成，每塊連接板有16個USB接口?？刂破髟O(shè)計包括電源供電、液晶顯示、按鍵輸入、語音播報和時鐘等模塊?？刂破魇且許TM32單片機為核心，通過USB接口電路檢測學(xué)生手機上交情況，將數(shù)據(jù)保存起來，并通過RS232數(shù)據(jù)線和上位機(教師機)通訊將數(shù)據(jù)傳送到上位機。使用時，學(xué)生按照學(xué)號將手機放在專門設(shè)計的標有學(xué)號的小方格子架上，用數(shù)據(jù)線插到USB接口。主控板不僅能夠監(jiān)測手機上交情況，同時還可以對手機進行充電。上位機軟件通過Excel表格讀取班級名單，并顯示出來。通過與主控板通訊，讀取手機上繳數(shù)據(jù)，用不同顏色標示出已交手機和未交手機的人員名單，使人一目了然，方便管理。同時，軟件具有一些教學(xué)常用功能，如語音提示、時間顯示、考試計時及提示，方便教師課堂活動應(yīng)用。手機接入檢測是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點。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1.5KΩ的上拉電阻，D+不接;高速設(shè)備則相反。這樣，當USB終端設(shè)備插上HOST主機時(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，可以通過此特性，判斷手機是否接入系統(tǒng)。
二、主要硬件電路設(shè)計
(一)STM32單片機
主控板采用STM32F103ZET6單片機作為核心設(shè)計芯片。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)計的中等容量MCU，其具有64KB－128KB的Flash存儲器，20KB的SRAM存儲器，多達80個IO口，片上外設(shè)資源豐富，如USB、CAN、Timer、I2C、USART等［4］。其運行頻率達到72MHz，運行速度快，完全滿足該系統(tǒng)設(shè)計要求，同時具有Serialwiredebug(SWD)＆JTAGinterfaces仿真接口，方便開發(fā)調(diào)試。
(二)手機接入檢測電路設(shè)計
手機接入檢測電路設(shè)計如圖2所示。USB接口是A型接口母座，其D+、D－數(shù)據(jù)線通過15K的下拉電阻接地。手機通過USB數(shù)據(jù)線插入到該接口時，在D+、D－管腳呈現(xiàn)一個高低電平信號，高電平約2.3V，低電平約0.3V。為了電平穩(wěn)定檢測，提高抗干擾能力，使用電壓比較器設(shè)計整形電路，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的IO口，作為手機接入的檢測。
(三)RS232通訊電路設(shè)計
主控器和上位機軟件的通訊，主要采用串口協(xié)議，其電路設(shè)計如圖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120kbps，具有外圍電路簡單、通訊速率高、傳輸距離遠、穩(wěn)定可靠的特點［5］，滿足設(shè)計要求。
(四)液晶顯示電路設(shè)計
主控器上的液晶屏能夠顯示手機上交情況及其他一些信息。使用晶聯(lián)訊電子的JLX19296－770液晶屏作為人機交互界面，能夠顯示192×96點陣的單色圖片，具有LCD背光、功耗低、指令功能強、接口簡單、傳輸速率高、可靠性高等特點。配合字庫芯片，能夠顯示各種字形和圖案［6］。
三、軟件設(shè)計
(一)單片機程序設(shè)計
單片機程序設(shè)計包括按鍵檢測模塊、語音模塊、液晶屏顯示控制模塊、時間模塊、串口通訊模塊。主程序采用輪詢的處理方法，對手機接入情況進行檢測，將數(shù)據(jù)保存并顯示在顯示屏;同時，實時讀取時間芯片，更新液晶顯示。有按鍵按下時，進入相應(yīng)的顯示界面，同時播報相應(yīng)的語音提示。單片機和上位機通訊，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是幀開頭，固定為0X02;數(shù)據(jù)Data［0］～Data［15］等數(shù)據(jù)為手機接入檢測數(shù)據(jù)，將一個字節(jié)拆分為兩個字節(jié)后，轉(zhuǎn)為ASCII碼所得;Sum為校驗和，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)部分拆分為兩個字節(jié)轉(zhuǎn)ASCII所得。單片機發(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)長度減一。數(shù)據(jù)發(fā)送完產(chǎn)生中斷請求，單片機進入中斷服務(wù)函數(shù)，判斷發(fā)送數(shù)據(jù)長度是否為零，如果不為零，繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)，同時數(shù)據(jù)長度減一［7］。重復(fù)此流程，直至數(shù)據(jù)長度為零，如圖4所示。
(二)上位機軟件設(shè)計
上位機軟件設(shè)計采用VisualBasic語言編寫，主要模塊有Excel讀寫模塊、語音播報模塊、顯示模塊和通訊模塊。為方便不同的班級使用，Excel表格存放各班學(xué)生的姓名和學(xué)號信息。軟件運行時點擊“打開班級”即可選擇班級的Excel表格，導(dǎo)入學(xué)生信息。語音播報模塊主要是播報語音，輸出到多媒體音箱，起到提醒作用，如請交手機、拿回手機等。顯示模塊主要是顯示已交手機和未交手機的學(xué)生名單。通訊模塊，軟件主要是通過SerialPort控件［8］，實現(xiàn)與STM32主控板的通訊。
四、小結(jié)
經(jīng)過制作與驗證，本手機管理系統(tǒng)能夠兼容檢測安卓和蘋果手機。學(xué)生手機插上數(shù)據(jù)線連接USB口后，都能夠被主控板檢測出來，同時也能夠?qū)κ謾C進行充電。軟件界面友好，能夠?qū)崟r監(jiān)控手機上交情況，同時語音提示功能也方便了教學(xué)管理。不足之處是，手機充電電流偏小，沒有正確配置D+、D－電壓，導(dǎo)致充電時間過長。部分學(xué)生手機充電線只有VBus和GND兩根線，無D+、D－數(shù)據(jù)線，只能夠充電，無法監(jiān)控。整體而言，手機管理的功能基本上達到了預(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