STM32下学生课堂手机管理系统探析

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摘要:目前，学生拥有手机比较普遍，给课堂管理带来一定的不便。而传统的手机袋管理模式存在管理不便、效率低下的问题。基于“stm32控制器+上位机”的手机管理系统让学生通过自带的数据线将手机连接到STM32控制器的USB口，控制器实时监测并将数据传送至上位机，上位机软件直观显示学生手机上交情况，方便教师管理，提高了课堂手机管理水平。同时，系统设计有语音提示及一些教学功能，也能够满足课堂教学的基本需要。

关键词:STM32;单片机;手机管理;课堂管理

随着科学技术的发展、生活水平的提高，智能手机越来越普及，并越来越影响和改变着人们的生活方式和习惯。学生拥有手机带来便利的同时，也产生了一些负面影响［1］。比如部分学生自律性较差，上课玩手机的现象屡禁不绝。目前普遍采用的管理方式是布质手机袋管理。上课前，学生将手机存放到手机袋指定编号位置，教师逐一查看手机是否交上来，时不时还要催促学生，费时费劲，效率太低，并且有部分学生以手机在充电为由，不予配合。为减少此类现象的发生，提高教师课堂手机管理的效率，设计了本系统。

一、整体设计

如图1所示，整个系统包括控制器和上位机软件。控制器由1块STM32主控板和4块手机连接板组成，每块连接板有16个USB接口。控制器设计包括电源供电、液晶显示、按键输入、语音播报和时钟等模块。控制器是以STM32单片机为核心，通过USB接口电路检测学生手机上交情况，将数据保存起来，并通过RS232数据线和上位机(教师机)通讯将数据传送到上位机。使用时，学生按照学号将手机放在专门设计的标有学号的小方格子架上，用数据线插到USB接口。主控板不仅能够监测手机上交情况，同时还可以对手机进行充电。上位机软件通过Excel表格读取班级名单，并显示出来。通过与主控板通讯，读取手机上缴数据，用不同颜色标示出已交手机和未交手机的人员名单，使人一目了然，方便管理。同时，软件具有一些教学常用功能，如语音提示、时间显示、考试计时及提示，方便教师课堂活动应用。手机接入检测是系统设计的关键点。USB2.0设备的USB接口，其管脚有+V、GND、D+、D－等管脚。其中，+V、GND是设备供电管脚，D+、D－管脚是数据通信线。USB设备有高(全)速、低速设备之分，主要是通过D+、D－管脚的上拉电阻区分［2］。例如:低速设备的D－管脚接一个1.5KΩ的上拉电阻，D+不接;高速设备则相反。这样，当USB终端设备插上HOST主机时(例如电脑)，如果是高速设备，则D+被拉高，D－不变;低速设备则与之相反［3］。插上设备之后，D+、D－管脚呈现不同的电平信号，可以通过此特性，判断手机是否接入系统。

二、主要硬件电路设计

(一)STM32单片机

主控板采用STM32F103ZET6单片机作为核心设计芯片。STM32是意法半导体公司基于ARM公司32位Cortex－M3框架内核结构设计的中等容量MCU，其具有64KB－128KB的Flash存储器，20KB的SRAM存储器，多达80个IO口，片上外设资源丰富，如USB、CAN、Timer、I2C、USART等［4］。其运行频率达到72MHz，运行速度快，完全满足该系统设计要求，同时具有Serialwiredebug(SWD)＆JTAGinterfaces仿真接口，方便开发调试。

(二)手机接入检测电路设计

手机接入检测电路设计如图2所示。USB接口是A型接口母座，其D+、D－数据线通过15K的下拉电阻接地。手机通过USB数据线插入到该接口时，在D+、D－管脚呈现一个高低电平信号，高电平约2.3V，低电平约0.3V。为了电平稳定检测，提高抗干扰能力，使用电压比较器设计整形电路，使输出高电平为3.3V，低电平为0V。电压比较器的输出接至单片机的IO口，作为手机接入的检测。

(三)RS232通讯电路设计

主控器和上位机软件的通讯，主要采用串口协议，其电路设计如图3所示。主芯片采用美信公司的MAX232ESE，其是RS232协议通讯芯片，采用双通道收发，通讯波特率高达120kbps，具有外围电路简单、通讯速率高、传输距离远、稳定可靠的特点［5］，满足设计要求。

(四)液晶显示电路设计

主控器上的液晶屏能够显示手机上交情况及其他一些信息。使用晶联讯电子的JLX19296－770液晶屏作为人机交互界面，能够显示192×96点阵的单色图片，具有LCD背光、功耗低、指令功能强、接口简单、传输速率高、可靠性高等特点。配合字库芯片，能够显示各种字形和图案［6］。

三、软件设计

(一)单片机程序设计

单片机程序设计包括按键检测模块、语音模块、液晶屏显示控制模块、时间模块、串口通讯模块。主程序采用轮询的处理方法，对手机接入情况进行检测，将数据保存并显示在显示屏;同时，实时读取时间芯片，更新液晶显示。有按键按下时，进入相应的显示界面，同时播报相应的语音提示。单片机和上位机通讯，按照自定义格式的协议通讯。其通讯帧格式如下:STX+Data［0］+Data［1］+…+Data［15］+SumH+SumL。其中，STX是帧开头，固定为0X02;数据Data［0］～Data［15］等数据为手机接入检测数据，将一个字节拆分为两个字节后，转为ASCII码所得;Sum为校验和，是将STX～Data［15］数据代数和累加之后所得数据，高低字节部分拆分为两个字节转ASCII所得。单片机发送数据，采用中断的方式，即待发送的字节写入发送缓冲区之后，发送数据长度减一。数据发送完产生中断请求，单片机进入中断服务函数，判断发送数据长度是否为零，如果不为零，继续发送下一个字节，同时数据长度减一［7］。重复此流程，直至数据长度为零，如图4所示。

(二)上位机软件设计

上位机软件设计采用VisualBasic语言编写，主要模块有Excel读写模块、语音播报模块、显示模块和通讯模块。为方便不同的班级使用，Excel表格存放各班学生的姓名和学号信息。软件运行时点击“打开班级”即可选择班级的Excel表格，导入学生信息。语音播报模块主要是播报语音，输出到多媒体音箱，起到提醒作用，如请交手机、拿回手机等。显示模块主要是显示已交手机和未交手机的学生名单。通讯模块，软件主要是通过SerialPort控件［8］，实现与STM32主控板的通讯。

四、小结

经过制作与验证，本手机管理系统能够兼容检测安卓和苹果手机。学生手机插上数据线连接USB口后，都能够被主控板检测出来，同时也能够对手机进行充电。软件界面友好，能够实时监控手机上交情况，同时语音提示功能也方便了教学管理。不足之处是，手机充电电流偏小，没有正确配置D+、D－电压，导致充电时间过长。部分学生手机充电线只有VBus和GND两根线，无D+、D－数据线，只能够充电，无法监控。整体而言，手机管理的功能基本上达到了预期功能，满足了课堂教学管理需要。

作者:郭兴龙 单位:广东省广州市市政职业学校