基于51單片機控制的家用電子相冊的設計和制作

張焱+解鵬飛+冉春秋+王萬雷+汪語哲

摘 要：文章介紹了家用小型電子相冊的設計和制作。采用51單片機作為控制核心，SD卡作為圖像存儲設備，TFT彩屏作為顯示。使用單片機SPI接口控制SD卡的讀寫，并通過分析卡中存儲的.bin格式文件的數據構成來實現SD卡中特定圖片文件的解碼處理，驅動LCD液晶屏的顯示；同時還可以通過按鍵控制實現圖片的前后翻和自動播放，體積小、成本低，有傳統紙質相冊無法比擬的優點，使照片的瀏覽更加生動。

關鍵詞：51單片機；TFT彩屏；SD卡；電子相冊

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A

Abstract：This paper introduces the design and implementation of an electronic album，which applies the 51 MCU as the core control device，the SD card as the image storage device， and the TFT color screen as the display device.The SCM SPI interface is used to control the reading and writing on the SD card.By analyzing the data structure of .bin files stored in the SD card，the specific image files on the SD card is decoded and the display of the LCD is driven.Image display and the slideshow can be implemented through the keyboard control.In general，with its characteristics of small size and low cost，the home electronic album provides users with superior experience in viewing images to the traditional paper album.

Keywords：MCS-51；TFT color screen；SD card；electronic album

1 引言（Introduction）

電子相冊繼承了傳統相片的溫情和數碼的時尚，給人類的生活帶來了無窮的樂趣，在目前的家居生活中已經得到一定程度的普及，是目前最受歡迎的個性化數碼產品之一。目前市場上的電子相冊普遍價格昂貴，功能雖多但不實用。因而，結合了數字電子技術、數字信號存儲技術和LCD液晶顯示技術，開發一款低成本電子相冊具有潛在的市場價值。

電子相冊的成本很大程度上決定于其核心處理器的選取。盡管目前32位處理器炙手可熱，卻始終無法完全取代傳統的8位單片機，兩者各有千秋[1]。考慮家用電子相冊的實際功能需求，選用了低成本8位大容量主控芯片STC89C54RD+作為控制核心，工業領域常見的有源矩陣類型液晶顯示器TFT-LCD（薄膜場效應晶體管LCD）作為顯示設備[2]，在實現家用電子相冊常用基本功能的同時大幅度降低了開發成本，有利于家用電子相冊的推廣和發展。

2 總體設計（Overall design）

硬件方面采用1GB的SD卡，芯片采用型號為STC89C54RD+型芯片，之所以選取STC89C54RD+是因為擴展RAM為1024字節[3]。使用5VDC為整個系統供電[4]。先制作最小系統，然后在按照原先設計電路圖添加焊接元器件。本次設計采用自制的PCB電路板。程序設計開發使用常用的51系列開發軟件Keil4，使用C語言進行編程。C語言作為一種高級編程語言，具有良好的結構性和移植性，在單片機中引入C語言，可以極大地方便單片機的編程和開發[5]。使用2.4寸TFT彩屏顯示。整個軟件劃分為若干模塊，分別調試，最后集成。具體軟件模塊主要有：SD卡讀取模塊、液晶驅動模塊、主程序模塊等。綜合考慮此方案可行。整個系統的整體設計方案框圖如圖1所示。

3 硬件系統的設計（Hardware system design）

3.1 主控芯片選型及處理

使用低成本的51單片機在處理性能方面還存在一些不足，通過一些改進已經基本彌補了這些不足。第一點：相比于16位或者32位的單片機，51單片機的處理速度比較慢。因此選擇使用24MHz的晶振提高單片機的處理速度。第二點：一張320*240分辨率的普通圖片大小一般20—30kB，編程時生成的數組大小也很可觀[6]。這就要求單片機具備足夠大的程序存儲器，還要有利于數據交換的足夠大的RAM，普通51單片機是不能勝任的。因此采用STC89C54RD+單片機作為控制器，該單片機具有較高MCU運行速度且價格便宜，使用廣泛，應用簡單，功能豐富等優點。第三點：51單片機無法通過程序對各種格式的圖片進行直接解碼處理。因此需要先將圖片轉換成二進制文件，再對SD卡中的二進制圖像文件進行軟件解碼分析處理，在TFT彩屏上還原出原本的圖像。電路方面我們根據需要，極大地簡化了電路，自制的PCB電路板體積小、成本低，便于攜帶。

3.2 2.4英寸TFT-LCD顯示

彩屏模塊裸屏控制器為ILI9328，支持8位和16位兩種數據模式，屏幕大小為2.4英寸，分辨率為320*240，262k色，數據線為40針，觸摸IC使用XPT2046，可實現觸摸操作。因為只是用8位數據接口，因此可以直接使用LCD12864的接口。

3.3 SD卡電路

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導體FLASH的新一代記憶設備，它擁有高記憶容量、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性[7]。SD卡支持SPI、1位SD、4位SD三種傳輸模式，利用SD卡配合TFT彩屏，進行相應的程序控制使彩屏可顯示圖片，從而實現數碼相框功能。2.4寸彩屏分辨率為320*240，程序使用16bit表示一個點的顏色，格式為565格式。320×240×2=153600字節，即150kB，所以如果完整寫一幅圖片，需要150kB的ROM容量，顯然51系列單片機是不夠的（最大內部ROM64kB），所以需要SD卡存儲圖片。SD卡使用如下：1GB以下SD卡，格式化成FAT16格式。然后把需要顯示的圖片，大小為320*240像素，BMP或者JPEG等格式，通過Image2Lcd軟件處理成bin格式，將.bin文件存儲到SD卡中。SD卡中不要含有任何其他文件，之前必須先格式化SD卡。所使用的SD卡電路和TFT彩屏是集成在一起的，使電路更為方便，節約成本。

4 軟件系統的設計（Software system design）

4.1 軟件的總體設計

圖片瀏覽支持自動播放和手動播放兩種模式，開機進入自動播放，任意按鍵按下后停止自動播放，變成按鍵控制播放，復位后又變成自動播放。具體實現過程在Keil4軟件中編寫C語言程序來實現[8]。程序總體設計流程圖如圖3所示。

4.2 讀寫SD卡子程序設計

SD卡支持兩種總線方式：SD方式和SPI方式。其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0～DAT3進行數據通信。而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DATIN、DATOUT進行數據通信。其中SD方式的數據傳輸速度比SPI要快，但是SD卡采用SD模式時，單片機要有相應的SD模式接口，或者有相應的SD卡控制單元，但是由于一般單片機都沒有SD模式接口，所以采用單片機對SD卡進行讀寫時，一般都采用SPI方式。SD卡每次通信，傳輸48位，即6個字節的數據。第一個字節是命令，緊接著是4字節的參數，一般用于指定SD的字節地址。最后一個字節是校驗碼。一般，命令也就是用到0×40復位命令、0×41初始化命令、0×51讀扇區命令、0×58寫扇區命令。硬件SPI接口電平上，設置單片機的時鐘線，默認為1，設置數據在時鐘的后沿移位。注意，在初始化階段最好設置為SPI頻率為128分頻，較低速度。等初始化完成再把分頻系統改為4分頻，較高速度，正常使用SD卡。SD卡讀寫程序流程圖如圖4所示。

4.3 液晶控制子程序設計

彩色液晶，只要使用帶控制器的就可以了。當rs=0、rw上升沿跳變時，單片機P0口傳送給彩色液晶的數據命令。當rs=1、rw上升沿跳變時，單片機P0口傳送給彩色液晶的就是普通數據了。也可以使用帶其他控制器的液晶。這些液晶控制器只要通過設置相應的控制線，發送相應的數據和命令，就可以很方便的使用了。整個圖片顯示流程如圖5所示。

5 產品展示（Results show）

美觀起見，采用3D打印機制作了一個紅色盒子作為產品的外殼，整個成品的照片見圖6。

6 結論（Conclusion）

文章給出了一款基于MCS-51單片機的電子相冊的設計方案，實現了顯示照片，自動播放，下翻和上翻功能，為降低成本起見，取消了對于家用電子相冊而言華而不實的編輯圖片等功能，今后可在技術水平和可靠性方面進一步改進和完善。

參考文獻（References）

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[3] Hu Xiaojuan，ChenTie，ZhaoNan.Research on Rail Temperature Measuring Meter Based on DS18B20 and STC12C series MCU[A].RISTI-RevistaIbericade Sistemas e Tecnologias de Informacao，2016.

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[8] 譚浩強.C語言程序設計（2版）[M].北京：清華大學出版社，2005.

作者簡介：

張 焱（1996-），男，本科生.研究領域：通信工程專業.

解鵬飛（1996-），男，本科生.研究領域：通信工程專業.

冉春秋（1976-），男，博士，副教授.研究領域：復雜系統建模.

王萬雷（1976-），男，博士，副教授.研究領域：工業生產優化.

汪語哲（1983-），男，博士，講師.研究領域：自動控制.