基于STM32的多功能辦公桌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張浩 韓祥森

摘? 要：為解決辦公人員室內(nèi)辦公不方便的問題，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的多功能辦公桌系統(tǒng)，主控采用STM32f103單片機(jī)，配以指紋識(shí)別模塊、飲水機(jī)模塊、儲(chǔ)物空間模塊、藍(lán)牙模塊、穩(wěn)壓電源模塊、無線充電模塊。通過指紋識(shí)別完成解鎖，通過按鍵或藍(lán)牙操作，控制桌面儲(chǔ)物空間和飲水機(jī)模塊的使用以及對(duì)燈光、門的遠(yuǎn)程操控，除此之外，還具有手機(jī)無線充電的功能，該設(shè)計(jì)在擴(kuò)大桌面使用空間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)辦公的方便、舒適，極大地改善了使用者的工作環(huán)境。實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明，文章設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的桌面升降翻轉(zhuǎn)、遠(yuǎn)程控制過程安全可靠，確保使用過程中不會(huì)出現(xiàn)安全事故。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)辦公；指紋識(shí)別；遠(yuǎn)程操控；無線充電

中圖分類號(hào)：TP368? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）15-0073-06

Design of Multifunctional Desk System Based on STM32

ZHANG Hao， HAN Xiangsen

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： In order to solve the problem of inconvenient indoor office for office staff， a multifunctional desk system based on STM32 is designed. The main control adopts STM32f103 Single-Chip Microcomputer， with fingerprint recognition module， water dispenser module， storage space module， Bluetooth module， voltage regulator power module， wireless charging module. It unlocks through fingerprint recognition， controls the use of desktop storage space and water dispenser module and remote control of lighting and door through keys or Bluetooth operation. In addition， it also has the function of mobile phone wireless charging. This design expands the desktop use space while realizing the convenient and comfortable indoor office， and greatly improves the user's working environment. The actual experiment shows that this paper designs and realizes the desktop lifting and flipping， remote control process is safe and reliable to ensure that there will be no safety accidents in the process of use.

Keywords： indoor office; fingerprint recognition; remote control; wireless charging

0? 引? 言

本設(shè)計(jì)主要對(duì)傳統(tǒng)辦公桌進(jìn)行了改造和升級(jí)，解決傳統(tǒng)辦公桌在使用過程中的缺點(diǎn)和不足，采用STM32f103單片機(jī)作為主控芯片，配以指紋識(shí)別模塊、桌面升降旋轉(zhuǎn)模塊、BT05藍(lán)牙模塊、穩(wěn)壓電源模塊、無線充電模塊，用于解決人們室內(nèi)辦公問題。工作者長(zhǎng)時(shí)間工作于辦公桌前，大量的文本資料和電腦占用了桌面的很大面積，導(dǎo)致辦公桌實(shí)際使用面積大大縮小，該系統(tǒng)的顯示屏模塊，可以將顯示屏上翻至桌面進(jìn)行使用，使用完畢可以將模塊下翻至桌面以下，大大節(jié)省了桌面的可用空間。對(duì)于工作者而言，安全性是最重要的，尤其是擔(dān)心資料被人翻看、電腦被人亂玩，指紋解鎖模塊使得別人無法使用你的系統(tǒng)，儲(chǔ)物模塊可以存放重要的資料，大大提高了系統(tǒng)的安全性。辦公口渴一般人只能去飲水機(jī)處接水，該系統(tǒng)采用一個(gè)可升降的飲水機(jī)模塊，不需要離開位置便可以喝到熱水，除此之外，無線充電模塊的加入取代了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)線充電，使得充電過程變得更加快捷安全。當(dāng)需要開門關(guān)門或者開燈關(guān)燈時(shí)只需要按鍵和手機(jī)藍(lán)牙便可以實(shí)現(xiàn)，有效地節(jié)省了使用者的時(shí)間，解決了使用者“懶得不想動(dòng)”的問題。同時(shí)，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)智能化的同時(shí)充分體現(xiàn)了創(chuàng)新精神，實(shí)現(xiàn)了辦公的一體化。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于STM32的多功能辦公桌系統(tǒng)主要是為了解決桌面雜亂難打理、手機(jī)充電不方便、喝水不方便、文件保密性問題以及在辦公時(shí)開門開燈等問題，所以要在硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序控制中增加多種外設(shè)功能，主要有無線充電模塊、指紋識(shí)別模塊、多種驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)采用指紋識(shí)別上電，桌面內(nèi)嵌的無線充電線圈可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)、藍(lán)牙設(shè)備等電子產(chǎn)品的充電，從而擺脫對(duì)各種數(shù)據(jù)線的依賴，實(shí)現(xiàn)桌面的整潔化。桌面還可以通過按鍵控制各種驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)物層、顯示屏、飲水模塊的收放和整理。柜門采用指紋識(shí)別模塊保證了私密文件的安全。除此之外，還通過紅外和藍(lán)牙對(duì)燈光和門進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)一體化辦公。本設(shè)計(jì)主要由STM32f103單片機(jī)、指紋識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊、無線充電模塊和電源組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

在本設(shè)計(jì)中，STM32f103單片機(jī)作為多功能辦公桌的控制核心，通過指紋識(shí)別模塊來識(shí)別使用者的指紋信息，識(shí)別成果即可完成系統(tǒng)上電，打開柜門；藍(lán)牙模塊用于單片機(jī)與外設(shè)模塊的通信功能，通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光和門的控制；無線充電模塊用于對(duì)手機(jī)和某些藍(lán)牙設(shè)備的充電；驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，完成桌面三模塊的升降與旋轉(zhuǎn)。

2? 理論分析與計(jì)算

2.1? 指紋識(shí)別算法

系統(tǒng)主要采用了光學(xué)指紋識(shí)別傳感器，其主要是利用光的折射和反射原理。光從設(shè)備底部射向三棱鏡，并經(jīng)過棱鏡射出，射出的光線在手指表面凹凸不平的指紋紋路上的折射角度及反射回去的光線明暗就會(huì)不一樣，CMOS或是CCD的光學(xué)器件就會(huì)收集到明暗程度不同的圖片信息，從而完成指紋信息的采集。指紋識(shí)別的算式如（1）～（3）所示：

圖像的平均值和方差：

其中，W、H表示圖像的大小。

歸一化的圖像G：

其中，I （i， j）、G （i， j）分別表示源圖像和規(guī)格化后圖像的第i行和第j列像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值；Var和M對(duì)應(yīng)圖像G的方差和均值，Var0和M0是期望方差和期望均值。

2.2? 指紋識(shí)別模塊AS608

AS608是一個(gè)集成的光學(xué)指紋芯片，內(nèi)部有指紋算法。雖然AS608內(nèi)部的算法我們是看不到的，但是它預(yù)留了一個(gè)串口和相關(guān)的串口指令集，我們可以用這些指令調(diào)用指紋算法，從而實(shí)現(xiàn)需要的功能，其實(shí)該模塊最難處理的部分為指紋識(shí)別算法的計(jì)算，目前所用的算法也是人們不斷開發(fā)匯總完善得到的。

AS608共有8個(gè)引腳，Vi接電源的正極，5 V供電，GND接電源地，Tx、Rx是數(shù)據(jù)傳輸端，負(fù)責(zé)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，Vt是觸摸感應(yīng)部分的供電輸入端，通過3 V電壓供電，WAK是觸摸感應(yīng)信號(hào)的輸入端，接收來自人手指的感應(yīng)信號(hào)，從而傳輸給單片機(jī)處理識(shí)別指紋身份。

2.3? 藍(lán)牙電路設(shè)計(jì)

HC-05藍(lán)牙模塊是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，是專門為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而服務(wù)的。簡(jiǎn)單地說，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)連接成功后，我們可以忽視藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍(lán)牙當(dāng)做串口用。當(dāng)建立連接，兩設(shè)備共同使用一通道也就是同一個(gè)串口，一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個(gè)設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。但藍(lán)牙的信號(hào)受金屬、墻體等障礙物的影響較大，所以在使用中要多加注意。

通過手機(jī)APP給單片機(jī)傳送指令，當(dāng)單片機(jī)接收到來自手機(jī)的信號(hào)時(shí)，便控制燈光和門完成開啟和關(guān)閉的動(dòng)作。

藍(lán)牙電路如圖2中藍(lán)牙電路部分所示。

2.4? 隱藏式桌面模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)和顯示屏模塊用光軸進(jìn)行連接，通過按鍵向單片機(jī)發(fā)送指令，然后單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)顯示屏模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將顯示屏模塊從桌面底部旋轉(zhuǎn)至桌面進(jìn)行使用。當(dāng)不想使用顯示屏?xí)r，按下按鍵，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)將顯示屏旋轉(zhuǎn)回與桌面平齊狀態(tài)，本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置電路如圖2中電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分所示。

2.5? 無線充電模塊

無線充電線圈充電原理：往初級(jí)線圈中通入交流電，當(dāng)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈位置疊加時(shí)，在次級(jí)線圈中會(huì)產(chǎn)生一定的電流，再對(duì)次級(jí)線圈中的電流進(jìn)行穩(wěn)壓即可得到我們所需要的電流，這種原理與電力系統(tǒng)中的變壓器相似，在原邊輸入交流電，在副邊會(huì)由于電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)電能由初級(jí)線圈到次級(jí)線圈的無線傳輸。

本設(shè)計(jì)采用的是5 V/1 A的無線充電模塊，充電效率高達(dá)75%，功率為30 W，完全符合手機(jī)和常用設(shè)備的充電功率，該部分為按鍵控制的獨(dú)立模塊，通過按鍵控制該模塊的開啟和關(guān)閉。無線充電模塊實(shí)物圖如圖3所示。

3? 硬件電路與軟件設(shè)計(jì)

3.1? 硬件電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，STM32主要負(fù)責(zé)指紋識(shí)別的處理，即指紋識(shí)別通過、指紋識(shí)別不通過。STM32在接收到按鍵按下的指示，控制步進(jìn)電機(jī)、推桿電機(jī)等的開啟和關(guān)閉以及藍(lán)牙信號(hào)的處理功能。系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

3.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用Keil5軟件進(jìn)行程序的編寫，使用的語言為C語言，Keil軟件生成目標(biāo)代碼的效率高，并且所生成的語言簡(jiǎn)單易懂。并且Keil還提供了C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案。因此，Keil軟件非常適合此設(shè)計(jì)的編程，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

程序的模塊化設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：指紋識(shí)別程序、置物空間啟動(dòng)程序、飲水機(jī)模塊啟動(dòng)程序、顯示屏翻轉(zhuǎn)啟動(dòng)程序、燈光控制程序、門控制程序。

首先，使用者必須先進(jìn)行指紋識(shí)別，當(dāng)指紋識(shí)別完成后即可使整個(gè)系統(tǒng)完成上電，進(jìn)而可以使用系統(tǒng)的各部分功能。按下按鍵1，啟動(dòng)隱藏式置物空間底部的推桿電機(jī)，將該模塊推至桌面，再次按下按鍵控制推桿電機(jī)將模塊拉至原狀態(tài)。按下按鍵2，啟動(dòng)飲水機(jī)模塊底部的推桿電機(jī)，將該模塊推至桌面，再次按下按鍵2控制推桿電機(jī)將模塊拉至原狀態(tài)。按下按鍵3控制與顯示屏相連的步進(jìn)電機(jī)，將顯示屏向上翻轉(zhuǎn)90°，再次按下按鍵3控制步進(jìn)電機(jī)向下翻轉(zhuǎn)90°回到初始位置。按下按鍵4，點(diǎn)亮燈光，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的遠(yuǎn)程控制。按下按鍵5，打開/關(guān)閉門，實(shí)現(xiàn)對(duì)門的遠(yuǎn)程控制。以下為部分程序的關(guān)鍵代碼：

指紋搜索程序：

u8 PS_Search（u8 BufferID， u16 StartPage， u16 PageNum， SearchResult *p）

{

SendHead（）;

SendAddr（）;

SendFlag（0x01）;//命令包標(biāo)識(shí)

SendLength（0x08）;

Sendcmd（0x04）;

MYUSART_SendData（BufferID）;

MYUSART_SendData（StartPage>> 8）;

MYUSART_SendData（StartPage）;

MYUSART_SendData（PageNum>> 8）;

MYUSART_SendData（PageNum）;

temp = 0x01 + 0x08 + 0x04 + BufferID

+ （StartPage>> 8） + （u8）StartPage

+ （PageNum>> 8） + （u8）PageNum;

SendCheck（temp）;

data = JudgeStr（2000）;

else

ensure = 0xff;

return ensure;

}

步進(jìn)電機(jī)控制程序：

void Motorcw_zheng（void）

{

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_13）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_0）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_2）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_3）;

delay_ms（10）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_13）;

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_0）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_2）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_3）;

delay_ms（10）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_13）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_0）;

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_2）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_3）;

delay_ms（10）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_13）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_0）;

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_2）;

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_3）;

delay_ms（10）;

}

藍(lán)牙燈光控制程序：

void Bluetooth（）

{

int i;

char a[]="abcdefg";

delay_init（）;

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）;

uart_init（115200）;

LED_Init（）;

Bluetooth_Init（）;

while（1）

{

if（res=='0'）? ? ? //手機(jī)發(fā)送0

{

LED0=0;? ? ? ? ? ?//燈光關(guān)閉

delay_ms（500）;

for（i=0;i<7;i++）

{

USART_SendData（USART2， a[i]）;

while（USART_GetFlagStatus（USART2，USART_FLAG_TC）！=SET）;

}

res=0;

}

if（res=='1'）? ? ? ?//手機(jī)發(fā)送1

{

LED0=1;? ? ? ? ? //燈光開啟

delay_ms（50）;

res=0;

}

}

4? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

本設(shè)計(jì)采用STM32f103作為控制核心，主要由指紋識(shí)別模塊、桌面升降旋轉(zhuǎn)模塊、藍(lán)牙模塊、穩(wěn)壓電源模塊、無線充電模塊等組成。整個(gè)系統(tǒng)都是由獨(dú)立模塊構(gòu)成，即每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，各個(gè)模塊構(gòu)成整個(gè)辦公桌系統(tǒng)，實(shí)物如圖5所示。因此，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試可以劃分為對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試。

4.1? 推桿電機(jī)位置測(cè)試

在使用飲水機(jī)模塊以及隱藏式儲(chǔ)物空間時(shí)，需要依靠推桿電機(jī)將模塊推至桌面，在模塊上升的過程中，模塊與桌面切口之間是否吻合影響整個(gè)作品的安全性，所以在測(cè)試時(shí)，針對(duì)模塊與桌面切口是否吻合做了3組測(cè)試，用刻度尺對(duì)偏離距離進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)在±0.5 cm范圍內(nèi)是否吻合，誤差為多少，如表1所示。

位置誤差分析：實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中出現(xiàn)了大約0.2 cm的誤差值，源于推桿電機(jī)在上升的過程中，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)顛簸的情況，最終在將模塊抬升至桌面時(shí)出現(xiàn)位置偏差的情況，但由于產(chǎn)生的誤差不會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)誤差（±0.5 cm），所以不會(huì)對(duì)作品產(chǎn)生影響，如表2所示。

4.2? 指紋識(shí)別測(cè)試

指紋識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在指紋識(shí)別的實(shí)際測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)處于干燥環(huán)境下，指紋識(shí)別的準(zhǔn)確度較高，一般不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，但當(dāng)手指處于潮濕情況下，指紋識(shí)別的準(zhǔn)確度大大降低，因此，在進(jìn)行指紋的識(shí)別過程中，盡量保證手指處于干燥的狀態(tài)。

除此之外，對(duì)于其他模塊的性能也進(jìn)行過多次測(cè)試，在隱藏置物空間、飲水機(jī)啟動(dòng)與關(guān)閉、屏幕顯示功能、燈光系統(tǒng)及開關(guān)門系統(tǒng)設(shè)功能方面，準(zhǔn)確度較高，靈敏性較強(qiáng)，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

5? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)以“基于STM32的多功能辦公桌系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為主要研究?jī)?nèi)容，通過搭建辦公桌新結(jié)構(gòu)，以及運(yùn)用單片機(jī)芯片，指紋模塊等硬件，有效解決人們?cè)谑覂?nèi)辦公過程中的實(shí)際問題，例如，桌面可用空間嚴(yán)重不足、電腦所占桌面空間過大、室內(nèi)飲水問題、無線充電、開關(guān)門和燈等問題，可以提高人們?cè)谵k公時(shí)的積極性和快捷性。

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