环境检测扩展板 - 嘉立创EDA开源硬件平台

# 基于梁山派的无线手持环境检测仪的设计 ## 1.背景 我国目前的产业地区分布地域辽阔，地形复杂，导致工矿企业和乡镇企业分布很广，这给环境监测人员的监测工作带来很多的不便，环境监测人员不可能将大型的实验室检测设备运送至各处。尤其相当量的乡镇企业已经蓬勃兴起，但许多乡镇还没有具备检测的能力，在预防和治理的过程中有着很大的不便和患。便携式检测仪器的使用不仅可以减少环境式样在传输过程中的污染问题，减少样品固定和保存的繁杂手续，而且可以大大减少检测人员的工作量，实时掌握环境等动态变化趋势，从而尽可能地将潜在的风险降至低。因此需要设计一款基于梁山派的无线手持环境检测仪。 ## 2.设计要求与指标 **技术要求** 1. 温湿度传感器：用于检测温湿度数据； 2. 气压传感器：用于检测大气压数据； 3. 有害气体传感器：用于检测有害气体等 数据； 4. 屏幕：用于实时显示采集到的设备； 5. 无线通信：用于将数据发送至接收设备使用； 6. 手持：小巧、使用电池，脱离供电线的困扰； **技术指标** 1. 测量温湿度、气压、有害气体等数据； 2. 屏幕通过LVGL开源GUI库实时显示测量结果； 3. 使用电池可以放电充电； 4. 无线通信方式二选一：1.实现NBIOT将数据传输到云端；2.将数据通过无线模块发送出去给接收设备使用； # 一、硬件设计 ## 1. 充电升压电路设计 ### 1.1 充电升压芯片介绍 根据项目需求，我们需要设计一个小巧、使用电池的环境仪。而使用电池就要考虑到充电与放电。本案例采用的是TP5400 锂电池充电和升压控制芯片。 TP5400 为一款移动电源专用的单节锂离子电池充电器和恒定 5V 升压控制器，充电部分集高精度电压和充电电流调节器、预充、充电状态指示和充电截止等功 能于一体， 可以输出最大 1A 充电电流。而升压电路采用CMOS 工艺制造的空载电流极低的 VFM 开关型 DC/DC 升压转换器。其具有极低的空载功耗（小于 10uA），且升压输出驱动电流能力能达到 1A。无需外部按键，可以即插即用。  ### 1.2 应用电路设计 TP5400的数据手册中的参考电路如下：  各引脚说明 - VOUT（引脚 1）：输出电压检测引脚。 连接升压 5V 输出端。 - CHRG（引脚 2）：充电中漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时，CHRG 管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行；否则 CHRG 管脚处于高阻态。 - PROG（引脚 3）：充电电流设定、充电电流监控和停机引脚。在该引脚与地之间连接一 个精度为 1%的电阻器 Rprog可以设定充电电流(典型电路中的1.1K则设置为1000mA的充电电流)。当在恒定电流模式下进行充电时，引 脚的电压被维持在1V。PROG 引脚还可用来关断充电器。将设定电阻器与地断接，内部一个 2.5μA 电流将 PROG 引脚拉至高电平。当该引脚的电压达到 2.7V 的停机门限电压时，充电器进入停机模式，充电停止且输入电源电流降至 40μA。重新将Rprog与地相连将使充电器恢复正常操作状态。  - TDBY （引脚 4）：电池充电完成指示端。 当电池充电完成时 STDBY 被内部开关拉到低电平，表示充电完成。除此之外， STDBY 管脚将处于高阻态。 - VCC（引脚 5）：充电器输入电源电压。充电输入电源引脚。典型值 5V，并应通过至少 一个 10μF 电容器进行旁路。当 VCC 降至 BAT 引脚电压的 30mV 以内，TP5400 充电部分进入停机模式。 - BAT（引脚 6）：充电电流输出。该引脚向电池提供充电电流并将最终浮充电压调节至4.2V。该引脚的一个精准内部电阻分压器设定浮充电压，在停机模式中，该内部电阻分压器断开，升压模式下内部工作电源。 - GND（引脚 7）：地 - LX（引脚 8）:升压电路内部功率管输出端。 根据参考电路，得出以下应用电路： 电池电压为 BAT+，Type-C充电电压为VCCIN，VOUT为5V输出电压。  该电路是我们整个设备的供电部分，所以该用电容的地方，建议都不要省。实际应用电路中，STDBY引脚未使用，该引脚为充电完成指示引脚，充电的时候我们亮一个灯（CHRG），表示正在充电；充电完成(STDBY)我们可以什么都不做，毕竟充电灯都不亮了，代表已经充满电了。 ## 2. 温湿度传感器设计 ### 2.1 温湿度传感器介绍 温湿度传感器是用于测量环境温度和相对湿度的设备。它通常由传感元件、信号处理电路和输出接口组成。传感元件常用的技术包括热敏电阻、电容式湿度传感器、半导体传感器等。热敏电阻是基于材料的温度敏感性来测量温度的，而电容式湿度传感器则利用湿度与电容之间的关系进行测量。半导体传感器既可以测量温度，又可以测量湿度，是一种多功能传感器。 * 信号处理电路用于将传感元件获取的信号进行放大、滤波、线性化等处理，确保传感器输出的准确和稳定性。 * 输出接口可以是模拟信号接口或数字信号接口，用于将传感器测量的温湿度数据传输给其他设备进行进一步处理或显示。 本案例采用的是AHT21温湿度传感器。AHT21作为新一代温湿度传感器，在尺寸与性能方面建立了新的标准：它嵌入了适于回流焊的双列扁平无引脚SMD封装，底面3x3mm ，高度0 . 8 mm。传感器输出经过标定的数字信号，标准 I2C 格式。  ## 2.2 应用电路设计 我们要设计其电路，需要了解其电气特性。见下图： 输入电压为2.0~5.5V，通信采用的是IIC接口。  数据手册中，提供了两种典型应用电路。  参照数据手册中的典型电路，得出以下我们实际使用的应用电路。使用开发板的PD3作为IIC接口的SCL接口，PD6作为IIC接口的SDA接口。  ## 3. 气压传感器设计 ### 3.1 气压传感器介绍 气压传感器是一种用于测量大气压力的设备。它通过传感元件将大气压力转化为电信号，并经过信号处理电路进行放大、滤波和线性化处理，最终输出与气压相关的数字或模拟信号。 传感元件常用的技术包括压阻式传感器（如压电传感器和电阻式传感器）、半导体式传感器和电容式传感器等。 - 压阻式传感器：压电传感器基于压电效应，当外加压力变化时会产生电荷或电压变化；电阻式传感器则基于金属材料的电阻值与受到的压力之间的关系。这两种传感器通过测量电荷或电阻值的变化来间接测量气压。 - 半导体式传感器：半导体式传感器利用半导体材料的电阻与温度和压力之间的关系。当外界气压变化时，半导体材料的电阻值会发生变化，通过测量电阻的变化来判断气压。 - 电容式传感器：电容式传感器利用电容与间隙大小和介质介电常数之间的关系，通过测量电容的变化来推断气压的变化。它可以直接测量气压，精度较高。 气压传感器广泛应用于气象观测、气候研究、空气质量监测、飞行器导航和高度测量、气压控制系统等领域。 它们能够提供实时和精确的气压数据，帮助人们了解和预测气象变化以及实现精确的高度测量和控制。 本案例采用的是数字防水气压传感器 WF183D。WF183D是一颗经济型数字压力温度传感器内部包含一个MEMS压力传感器和一个高分辨率 24位△∑ADC及DSP。WF183D通过UART提供高精度已校准压力和温度数字输出，通讯连接非常简单。  **主要特点** - 数字压力温度直接读取 - 工作电压： 2.4V~3.6V - 压力量程： 0~180kPa（绝压） - 工作电流： 1.5mA - 待机电功耗： < 2uA   **其他说明** - 产品出厂前已完成压力温度校准，可以即插即用，无需客户再生产校准。 - 并且采用UART通信，对MCU要求更低，降低客户整机成本。 - WF183D 防水等级达到I P65 ，满足大部分防水产品要求。 ## **3.2 应用电路设计** 数据手册中，提供了该传感器的典型电路：  因传感器采用的是串口通信方式，我们需要确定使用开发板的哪一个串口与之通信。查看GD32F470数据手册，最终本案例采用的是串口1（TX=PA2,RX=PA3）。  使用应用电路如下：  ## 4. 有害气体传感器设计 ### 4.1 有害气体传感器介绍 有害气体传感器是一种用于检测和监测环境中存在的有害气体浓度的设备。它们广泛应用于工业安全、室内空气质量监测、环境污染监测等领域。 有害气体传感器可以检测和测量多种常见的有害气体，包括但不限于一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO2)、甲醛 (HCHO)、氨气 (NH3)、氢气 (H2)、硫化氢 (H2S)、苯 (C6H6)、氮氧化物 (NOx)、臭氧 (O3) 等。 传感器的工作原理因传感器类型和所检测的有害气体而异。常见的传感器技术包括化学传感器、电化学传感器、红外传感器和半导体传感器等。 - 化学传感器：化学传感器使用特定的化学反应来检测有害气体。传感器中通常含有能与目标气体发生特定反应的感敏层，当目标气体存在时，感敏层的电阻、电容、颜色或光学特性等会发生变化，通过测量这种变化来确定气体浓度。 - 电化学传感器：电化学传感器基于气体与电极之间的电化学反应来测量气体浓度。传感器中通常含有与目标气体相互作用的电极，当目标气体进入传感器时，会产生电化学反应，并产生特定的电流或电势变化，从而实现测量。 - 红外传感器：红外传感器利用气体特定的红外吸收特性来检测气体浓度。传感器发射红外辐射进入气体样本，通过测量透射或吸收的红外光来获得目标气体的浓度信息。 - 半导体传感器：半导体传感器利用半导体材料在目标气体存在时其电学性质发生变化的原理来检测气体浓度。当目标气体进入传感器时，半导体材料表面的电阻或电导率会发生变化，从而测量气体浓度。 有害气体传感器的准确性、响应时间、灵敏度和稳定性是选择传感器时需要考虑的重要因素。根据具体应用需 求，传感器可以单独使用或与监测系统相结合，用于及时警报、数据记录和远程监测等。 本案例采用的是AGS10TVOC传感器，AGS10是一款采用数字信号输出的MEMS TVOC传感器。配置了专用的数字模块采集技术和气体感应传感技术，确保了产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，同时具有低功耗、高灵敏度、快速响应、成本低、驱动电路简单等特点。 AGS10主要适用于侦测各类有机挥发性气体，如乙醇、氨气、硫化物、苯系蒸汽和其它有害气体，可应用在空气净化器、家用电器、新风机等设备。  **传感器特性** 传感器采用标准IIC通信协议，适应多种设备。IIC的物理接口包含串行数据信号（SDA）与串行时钟信号（SCL）两个接口。设计时两个接口需通过1kΩ～10kΩ电阻上拉至VDD。  ### 4.2 应用电路设计 传感器的工作电压在3V，而我们的电压只有5V与3.3V，可以在传感器的VCC引脚处串联一个肖特基二极管。普通二极管的电压压降在0.6V-1.7V之间，而肖特基二极管的电压降通常在0.15V-0.45V之间。气体传感器采用的也是IIC接口，我们知道IIC协议是允许多个设备共用一条IIC总线的，只是需要多个设备的设备地址不同。这里的IIC接口，连接的是温湿度传感器的IIC接口，这两者传感器的器件地址并不相同，因此可以直接使用同一个IIC接口。 实际应用电路如下：  ## 5. 电量测量设计 ADC的电路原理图如下，这里通过电阻分压的形式测量ADC，因为IO口最大可以兼容5V，超过5V就会把IO口烧坏，这里上面R30和R18两个电阻采用串联的形式是为了可以减少一个物料，也可以直接采用一个20K的电阻，电阻的大小可以根据IO口电平计算，分压后不要超过IO口容忍的电压的即可，选取一个合适的值。接下来通过计算给大家实际演示如何将ADC值与电压值进行转换。 - 前提:假设ADC是12位的,电池供电最高4.2V，最低3.2V； -------知道电压求ADC值------- （1）ADC端占的电压比例：10K/(10K+10K)=0.5； （2）电池电量最高时，ADC端分压得到的电压为：0.5*4.2V=2.1V 电池电量最低时，ADC端分压得到的电压为：0.5*3.2V=1.6V 电池电量最高时的ADC值为：(2.1/3.3V)*4095=2606 电池电量最低时的ADC值为：(1.6/3.3V)*4095=1613 -------知道ADC值求电压------- 通过上式子的逆运算可以知道，任意ADC值对应采集的电压值为：V_value=(ADC*3.3)/4095 单位：V  ## 6. 屏幕接口设计 ### 6.1 屏幕介绍 屏幕采用了SPI通讯的240*280像素的1.69寸IPS高清圆角屏幕。 1.69寸屏幕是一种常见的小尺寸显示屏，它指的是屏幕的对角线尺寸为1.69英寸（约4.29厘米）。尽管它相对较小，但在某些应用领域中仍然具有广泛的用途和功能。该屏幕因为单位像素密度更高(总像素/尺寸)，所以显示画质更精细，并且控制IO少，外围电路也相对简单。  ### 6.2 应用电路设计 该屏幕使用的是SPI通信方式，为了达到更快的刷屏效果，我们在选择连接开发板的引脚时，可以连接到硬件SPI引脚上。本案例连接的是PB3(SPI0_SCK)PB5(SPI0_MOSI)。   ## 7. 无线通信接口设计 ### 7.1 无线通信模块介绍 本案例采用的是由安信可科技设计的NF-03无线模块。NF-03 是一款 5mW 功率的无线收发一体的 2.4G 模块，2.4G模块是一种用于无线通信的模块，它能够在2.4GHz频段进行无线数据传输和接收。该模块通常由无线收发器和相关的控制电路组成，为用户提供方便的无线通信解决方案。  **这种模块通常具有以下特点和功能：** 1. 2.4GHz频段：2.4GHz频段是一种常用的无线通信频段，具有较好的穿透能力和较远的传输距离，适用于各种无线通信应用。 2. 收发一体设计：收发一体设计使得模块能够同时实现数据的发送和接收功能，提供了更方便的无线通信解决方案。 3. 高速数据传输：2.4G无线收发一体模块通常具有较高的数据传输速率，可以满足大多数应用的需求，如传输音频、视频、图像等。 4. 低功耗设计：为了延长电池使用寿命或减少电源消耗，这种模块通常采用低功耗的设计，以提供更长的使用时间。 5. 简单易用：2.4G无线收发一体模块通常提供简单易用的接口和协议，方便用户进行配置和控制。 6. 多种应用领域：这种模块可以广泛应用于无线遥控、无线数据传输、无线传感器网络等领域，为各种设备和系统提供稳定可靠的无线通信能力。 ### 7.2 应用电路设计 模块引脚如下：  **说明：** 1. CE 可以长期接高电平，但是模块写寄存器的时候必须设置为掉电模式，建议 CE 脚连接单片机的 GPIO 口； 2. IRQ 可不接，可采用SPI 查询方式获取 STATUS 寄存器的中断状态。但建议使用单片机的硬件外部中断，让 IRQ 接单片机外部触发引脚，触发单片机中断； 3. 注意接地良好，有大面积的铺地，电源纹波小，应增加滤波电容并尽量靠近模块 VCC 与 GND； 数据手册中的参考电路如下：  实际应用电路如下： 该模块使用的是SPI通信方式，为了使通信速度更快，我们在选择连接开发板的引脚时，可以连接到硬件SPI引脚上。本案例连接的是PG11(SPI3_SCK)、PG12(SPI3_MISO)、PG13(MOSI)。   ## 8. NBIOT模块接口设计 ### 8.1 NBIOT模块介绍 NBIoT（Narrowband Internet of Things）模块是一种专门用于窄带物联网通信的硬件模块，它提供了一种省电、低成本、远距离通信的解决方案，适用于物联网（IoT）设备和应用。 **以下是NBIoT模块的一些主要特点和功能：** 1. 窄带通信：NBIoT模块采用窄带通信技术，其优势是具有较低的功耗和较长的通信距离。窄带通信技术可以有效地解决物联网设备面临的能耗和覆盖范围限制的问题。 2. 高覆盖能力：NBIoT模块能够在复杂的环境中提供广泛的覆盖能力，包括室内、室外和地下等。它可以穿过墙壁和障碍物，实现远距离通信。 3. 低功耗设计：NBIoT模块的设计注重功耗的优化，以延长设备的电池寿命。它采用了低功耗模式，只在数据传输时才启动无线模块，其他时候处于休眠状态。 4. 数据传输安全性：NBIoT模块提供了数据传输的安全性保证。它支持加密和身份验证等安全机制，确保设备和通信数据的安全性。 5. 广泛应用：NBIoT模块可以应用于各种物联网设备，如智能城市、智能农业、智能家居、智能能源管理、智能交通等领域。它为这些应用提供了长距离、低功耗和低成本的通信解决方案。 6. 兼容性：NBIoT模块通常具有良好的兼容性，可以与其他设备和系统进行集成。它支持标准的NBIoT通信协议，与现有的网络和平台进行连接和交互。 需要注意的是使用NBIOT模块，需要使用到物联网卡作为联网的网络来源。 本案例使用的是EC-01F。EC-01F 是安信可科技开发的一款 NBIOT 模组。其中 NB 部分采用的主芯片方案为 EC616S。该 芯片具备超高集成度的 NB-IoT SoC、支持超低功耗、完全支持 3GPP Rel14 NB-IoT 标准， 是一款超高性价比的 NB-IoT 芯片。   ### 8.2 应用电路设计 在模块的规格书中，并没有完整的模块应用电路，但是在资料中心，官方有设计了一款基于EC-01F的开发板，并将原理图开源。  我们舍弃一些我们不需要的部分，重新绘制。我们只需要EC-01F、SIM卡槽、天线座即可。关于模块的电源部分要求有至少500mA的电流。我们立创·梁山派开发板上的3.3V是由DC-DC电路得来，完全符合电源要求。 以下为实际应用电路设计：  **说明** **USIM卡部分的22Ω 与 33pF为必须需要，不然无法识别！其余请参考规格书说明。** 软件部分更新请看链接：https://lceda001.feishu.cn/wiki/DYKgw6VLai4bYikRh0Hc9wRGnFd?from=from_copylink