第一部分 設計概述

設計目的

為解決傳統相冊及桌面照片擺臺只能展示固定圖片這一問題，本次設計的基于STM32L431RCT6低功耗芯片制作的電子墨水屏相冊，可以顯示電子圖片，省去沖洗照片等步驟，且可以快速隨心更換，只需通過在相應網站進行更改即可。本次設計的電子墨水屏相冊相較于傳統相冊與桌面擺臺新增了一塊OLED副屏，可以顯示電量、溫度、天氣、日歷等實時信息，通過設計人機交互界面提高設備的交互性。另有無極調光，可解決墨水屏在夜晚顯示效果不佳的問題。

應用領域

e-Album電子墨水屏相冊外形美觀、功能強大，應用領域十分廣泛。無論是居家、辦公場景都可以作為一款桌面擺件增添氛圍與樂趣；亦可作為信息展示臺應用于醫院、酒店大堂、餐廳、公司前臺、業務辦理窗口等場景。其自帶的觸摸按鍵調解燈光功能可將e-Album作為小夜燈使用，同時可作天氣、時間查詢工具及鬧鐘，非常適合放置于床頭，為生活增添便利。

主要技術特點

e-Album電子墨水屏相冊的技術特點主要有：

1.可刷新 ：采用墨水屏作為主屏，ESP8266可通過WIFI從PC機或智能手機上獲取圖片信息，并將信息通過電子墨水屏顯示出來，實現圖片刷新。

2.圖像顯示 ：采用“微膠囊電泳顯示”技術進行圖像顯示，其基本原理是懸浮在液體中的帶電納米粒子受到電場作用而產生遷移。電子紙顯示屏靠反射環境光來顯示圖案，不需要背光，在環境光下，電子紙顯示屏清晰可視，可視角度幾乎達到了180°，因此非常適合閱讀。

3.多種顯示方式 ：通過抖動算法使獲得更多的顏色組合，對原始圖片進行更好的陰影渲染。有黑白色階、黑白抖動、多色色階、多色抖動四種顯示方式。

4.控制 ：通過STM32L431RCT6這款功能強大、低功耗、高性能的微控制器作為主控芯片，實現OLED屏中顯示天氣、溫度、時間、鬧鐘、電量等功能，加強人機交互，增強了e-Album的可用性。

5.低功耗 ：通過低功耗微控制器控制軟件以及硬件電路設計來控制功耗。

關鍵性能指標

e-Album功能強大、性能優越。具有低功耗、可刷新、不傷眼等性能特點。墨水屏通過網站處理原始圖像數據耗時約25秒，墨水屏刷新顯示耗時約30秒，刷新一張圖片需要一分鐘左右。

7.3寸7色墨水屏，分辨率為800*480，并通過多色抖動算法，提高圖片還原度。

使用電池供電最高續航時間可達14天。

主要創新點

1.電子墨水屏顯示，可刷新圖像。

電子墨水屏采用“微膠囊電泳顯示”技術進行圖像顯示，環境光下清晰可見。利用ESP8266作為電子墨水屏網絡驅動板，其可通過WIFI從計算機或智能手機上獲取圖片信息，并將信息通過電子墨水屏顯示出來。可以通過在相應網站中上傳圖片，選擇顯示方式使得電子墨水屏任意切換刷新圖片，相較于傳統相冊是一大突破與創新。

2.多種顯示方式

e-Album電子墨水屏相冊主屏可以將圖像顯示為四種模式，分別是黑白色階、黑白抖動、多色色階、多色抖動。通過兩種圖像處理算法——色階法、抖動法實現。其中抖動法對于顏色較為復雜、漸變區域較多的圖像，通過混合顏色的方法來繪畫陰影和過度區域，可以展示出圖像細節。

3.利用毫米波傳感器實現自動休眠

墨水屏相冊配有人體存在感應雷達，可實時檢測感應范圍內是否有人，若未檢測到則進入自動休眠狀態。

4.利用水銀開關感知屏幕旋轉

當電子墨水屏顯示豎向圖像時，使用者會將e-Album豎向放置，其中內置的水銀開關感應動作，水銀位置發生改變，從而控制OLED屏顯示方向。水銀開關檢測e-Album放置方向相較于常用的重力傳感器等感知旋轉運動的器件而言更加簡潔且實用經濟。

第二部分 系統組成及功能說明

整體介紹

▲ 圖 1 整體結構圖

e-Album基于STM32L431RCT6開發設計，由鋰電池或外部type-C供電作為輸入電源。輸入部分包括ESP8266模塊，用來建立網站獲取圖像的原始數據，并對圖像的原始數據做抖動算法處理，傳輸至墨水屏顯示。可以獲取時間，信息，傳輸給DS3231實時時鐘實現精準走時，使系統可實時獲取精準時間信息。可以獲取天氣信息傳輸至OLED屏幕進行顯示。

BMP280檢測溫度氣壓等環境數據傳輸至OLED屏幕進行顯示。毫米波雷達用于檢測人體是否存在實現設備自動休眠進行能耗控制。數碼管有多種顯示模式，可以顯示時間信息通過改變顯示模式進一步的控制功耗。

各模塊介紹

（1）墨水屏幕驅動

▲ 圖 2 7.3寸墨水屏電路

電子墨水屏驅動電路驅動墨水屏顯示圖片，并根據網站信息進行刷新與更換圖片。

（2）OLED屏幕驅動

▲ 圖 3 OLED

OLED屏可通過各輸入模塊實現顯示設備狀態信息以及周圍環境信息。通過人機交互界面實現設備工作模式切換，滿足個性化需求。

（3）ESP8266模塊

通過ESP8266訪問互聯網得到時間，氣溫，天氣等數據，通過與用戶設備連接在同一局域網內，通過網站上位機處理原始圖像數據，將處理后的數據傳輸給墨水屏模塊進行顯示。

（4）時鐘模塊

▲ 圖 4 數碼管

e-Album只需聯網一次，時鐘便可更新為當前時間。在斷電后，電池仍給時鐘模塊供電，因此即使關閉e-Album，時鐘依然在計時，在再次開啟e-Album時，可保證時間與當前時間一致。并通過數碼管或OLED屏幕進行顯示。

（5）ADC采集模塊

▲ 圖 5 ADC設計

將模擬電壓信號轉換為數字信號，用于采集電池電壓信息，便于對系統進行分析與處理。并且在檢測電路種加入了使能控制引腳，ADC采集可以實現固定頻率采集，進一步控制功耗。

（6）無極調光模塊

▲ 圖 6 無極調光

通過人體手指觸摸，感應觸摸時長，通過觸摸時長調節燈絲亮度。還有亮度記憶功能。可以彌補墨水屏無法自發光導致的在夜晚顯示效果不佳的問題。

（7）BMP280

▲圖 7 BMP280設計

作為傳感器測量溫度和氣壓，并顯示于OLED屏。

第三部分 完成情況及性能參數

▲ 圖 8 總體硬件電路

整個系統硬件電路全部自主設計并繪制，各模塊均可正常工作，系統硬件電路設計基本完成。

軟件編寫基本完成，實現了各模塊正常工作，系統運行正常，人機教務界面編寫完整，可以實現對系統各功能切換各項參數調整，滿足用戶的多樣化需求。

▲ 圖 9 OLED界面

性能參數

網站獲取圖像原始數據后，處理時間約25秒，墨水屏刷新顯示時間約為30，綜合墨水屏刷新顯示時間約為一分鐘。墨水屏在不刷新顯示時基本無功耗。

BMP280溫度氣壓傳感器獲取當時環境溫度，壓強數值。反應靈敏，誤差較小。

DS3231高精度I2C實時時鐘，獲取時間數據速度快頻率高，與世界標準時間相差不到一秒。

毫米波雷達，檢測精度高，不受障礙物影響，反應迅速，延時低。在0.75米內識別率穩定可達到百分之95以上。

通過ESP8266訪問互聯網得到時間，氣溫等數據，在網絡信號穩定的情況下，反應迅速，延時低。

時鐘數碼管可以在三種顯示模式之間自由切換，滿足用戶個性化需求。

OLED顯示人機交互界面流暢清晰，屏幕刷新率高。識別按鍵輸入信號靈敏反應迅速，延時低。

第四部分 總結

可擴展之處

在OLED屏顯示圖像處理進度 。當網站進行圖像處理時，如果要將圖像處理進度反饋給主控芯片，還需要進一步降低圖像處理速度。目前為了保證圖像處理進度，便舍棄了主控的這一功能，后續可通過提高主控芯片的頻率來實現高速處理圖片數據的同時獲取圖像處理的進度信息，顯示于OLED屏幕上，便于用戶獲取設備信息。

文件管理系統搭建 。后續可在主控芯片中增加文件管理系統，將圖片信息存儲于外部FLASH中選擇，并通過文件管理系統切換顯示圖片，使得電子墨水屏顯示系統中存儲的圖片。

功耗 。作為桌面擺件，可靠性是非常重要的，因此續航也非常重要。目前的設計的功耗控制并不特別理想，這也是后續改進的一個方向。