目录

一、总体方案设计 1

二、硬件电路设计 1

（一）主控及晶振电路 1

（二）传感器模块 2

（三）测试LED 5

（四）74HC595 5

（五）唤醒按键 5

（六）数码管 6

（七）电源系统 6

（八）SWD下载调试接口 6

三、软件设计 7

（1）总体设计 7

（2）数码管模块 7

（3）定时器模块 9

（4）传感器模块 10

四、电路制作与调试 12

（1）电路制作 12

（二）代码编写 13

（3）PCB焊接 14

（四）程序烧录 15

（五）故障排除 16

（六）项目成品 16

附录 17

（一）项目原理图 17

（二）项目PCB图 18

一、总体方案设计

本设计目的是实现便捷与直观的获取当前环境的温度与湿度，整个系统采用一枚STM32G030K6T6作为主控芯片，该芯片使用Arm Cortex-M0+内核，最大主频64Mhz，具有32KB的Flash以及8K的SRAM，供电电压在2.0V~3.6V之间。使用I²C协议与SHT40传感器进行通信，读取温度与湿度；通过主控芯片进行数据处理后将数据发送至3个74HC595驱动两个共阴极三位数码管进行显示；由预留SWD下载调试接口完成程序的烧录，通过两个LED灯进行初步测试。

本设计采用两节7号电池进行供电，考虑到功耗问题，默认不开机，进入睡眠模式；当有按键按下时，触发中断，此时结束睡眠模式，执行按键判断，获取温湿度并启动数码管进行显示；同时启动定时器中断，显示数据1s后再次进入睡眠，等待下次唤醒。

图1 系统框图

二、硬件电路设计

（一）主控及晶振电路

图2 主控及晶振电路原理图

1. 主控及晶振电路

（1）主控电路：使用一片STM32G030K6T6完成数据的输入、处理与输出，在芯片的电源输入端使用一枚磁珠与滤波电容并联，滤除杂波、防止串扰，稳定电源的输入；。

（2）晶振电路：芯片虽然内置时钟，但精度上存在一定误差，使用一枚32.768KHz的无源晶振，外接两个18pF电容，构成外部时钟源。

（二）传感器模块

1. SHT40传感器工作原理与特点

（1）工作原理：

图3 SHT40传感器功能框图

温湿度传感器获取模拟量数据后，通过模数转换器将其转变为数字信号，并在校准后将数据放在寄存器中进行存储；通过I²C同信协议完成指令的写入与读取数据的操作。

（2）特点： ‌它能够在测量范围内提供高精度和高稳定性的测量结果。‌SHT40的主要特点和优势包括：

高精度测量：‌SHT40能够测量相对湿度从0至100%，‌温度范围从-40℃至125℃，‌并且具有±1.8%的湿度精度和±0.2℃的温度精度。‌这些精度指标在同类产品中属于领先水平，‌能够满足大多数应用的需求。‌

优异的稳定性：‌通过内部增加的自校准功能，‌SHT40具有更好的长期稳定性，‌能够有效地补偿传感器老化和温度漂移，‌确保测量数据的准确性和一致性。‌快速响应：‌SHT40在灵敏度和响应速度上也进行了优化，‌尤其在湿度测量方面，‌其响应时间更快，‌能够更迅速地捕捉到环境变化。‌这种特性使其在需要快速响应的应用场景中非常适用。‌

低功耗设计：‌SHT40在继承了前代产品低功耗和紧凑封装的基础上，‌进一步优化了功耗控制，‌更适合于低功耗应用，‌如物联网(IoT)设备和能源敏感的系统。‌其电源电压范围从1.08 V扩展到3.6 V，‌非常适合移动和电池驱动应用。‌

增强抗干扰能力：‌SHT40还增强了抗干扰能力，‌能够更好地抵抗电磁干扰(EMI)和其他环境因素的影响，‌确保在复杂环境中也能提供可靠的测量结果。‌

SHT40因其高精度、‌低功耗和快速响应等特性，‌被广泛应用于智能楼宇、‌天气站、‌仓库存储、‌养殖、‌孵化等场景

2. SHT40传感器电路原理

该传感器共4个引脚，分别为：见表1。

引脚名称	SDA	SCL	VDD	GND
定义	数据线	时钟	电源	接地

表1 SHT40引脚定义表

图4 SHT40传感器典型应用电路图

在管脚SDA与SCL上都需要一个10KΩ的上拉电阻，且正极与接地之间存在一个100nF的电容；通过观察传感器的实物图可以发现，厂家出厂时配备了100nF的电容，但上拉电阻需要在使用中自行布置。

图5 SHT40传感器实物图

传感器上关于管脚定义无任何标识，需要注意的是在插入传感器之前要确定管脚方向，因为传感器插反将会电源反接，瞬间烧毁传感器。

图6 传感器模块电路原理图

在实际电路使用时，使用一个4Pin排母，这样方便传感器的拆装与检查；同时，在排母的1、4脚处增加上拉电阻，2、3脚接入3V直流电路，从而完成传感器模块的硬件电路搭建。

（三）测试LED

图7 测试LED电路原理图

两个测试LED灯是为了方便调试程序对出现的问题进行测试，将问题具体现象直观展示所设计，LED负极接入单片机，正极通过4.7KΩ电阻接入3V电源，当单片机对应引脚输出为低电平时，LED灯点亮。

（四）74HC595

图8 74HC595驱动电路原理图

通过使用3个74HC595芯片进行驱动2个3位共阴数码管，U2与U3分别负责LED1与LED2的段码输送，U4负责实现数码管的位选。C23、C24、C25三个滤波电容在PCB板处要靠近三个595芯片，进行电源滤波。

（五）唤醒按键

图9 按键电路原理图

将按键的一端与单片机管脚相连，另一端与地线相连，通过读取单片机该管脚的高低电平即可识别按键是否按下。

（六）数码管

图10 数码管显示电路原理图

使用两个三位的共阴数码管，每个元件上单片机驱动595芯片输出高电平时就能点亮对应的数码管

（七）电源系统

图11 电源系统电路原理图

在电源处设置两颗精度为±0.1%的分压电阻，用于检测电池电压，通过单片机的ADC进行电压读取；同时考虑到电池可能装反等情况，在电池电压的输入端加入一个场效应管，防止电池反接。

（八）SWD下载调试接口

图12 SWD下载调试接口电路原理图

使用4Pin的排针作为信号引脚，方便用杜邦线连接，实现MCU的程序烧录。

三、软件设计

（1）总体设计

图13 软件整体流程图

当有按键按下时，触发中断，此时结束睡眠模式，执行按键判断，获取温湿度并启动数码管进行显示；同时启动定时器中断，显示1S数据后再次进入睡眠，等待下次唤醒。若想检测电池电压，可增加ADC相关代码；若想进行定时读取，可以增加RTC实时时钟代码；

（2）数码管模块

在gpio.c文件的用户区编写测试代码，SN74HC595的引脚初始化已经生成好了，现在要做的是编写相关的驱动函数与显示函数；

SN74HC595驱动时序相对简单，首先输入高电平或低电平到SER引脚中，随后产生一个SCLK的上升沿，将数据发送出去，这里是8位数据移位寄存器，所以循环8次，最后一个RCLK的上升沿将数据锁存住，保持不变，直到下一次发送；

这里模拟一下发送时序；假如的数据是0xFE（1111 1110）

此时先发送最高位，也就是0xFE&0x80，判断高低电平；随后数据被送入QA；

然后继续，发送次高位，也就是(0xFE<<1)&0x80，判断高低电平，随后之前的数据被挤到QB，这个数据移位到QA。

依次类推，根据前面的原理图可知，这两个数码管的阴极总共是6个阴极，全部连接在SN74HC595-U6上，通过这一个595芯片，可以指定某一个位导通，同时，两个数码管的阳极，又分别连接在另外两个595芯片上，通过这两个芯片配合，就可以实现单个位显示数据；并根据数码管中LED导通的顺序，从而使数码管显示不一样的值；

图14 数码管显示模块流程图

（3）定时器模块

图15 定时器执行模块流程图

通过定时器完成数码管的动态显示与计数功能，两行数码管轮流显示，但因人眼的视觉暂留效果影响，所以两行数码管看上去为同时显示；当sleep_flag到达1000，即1S时间到达时，结束数码管显示，并使系统进入休眠模式。

（4）传感器模块

图16 传感器型号与地址对应图

图17 传感器通信时序图

图18 传感器指令概述图

传感器使用I²C协议进行通信，完成指令的输入与数据的传输；打开SHT40的相关数据手册，重点查看IIC地址与数据传输协议。

由数据手册可知，0x44是IIC地址；当地址最低位是0，表示写入，最低位是1，表示读取；当发送0xFD指令时，代表高精度测量温湿度；并且数据手册提供了相关温湿度的计算公式如下。

（1）

（2）

通过调用HAL库中关于I²C通信函数，可以很便捷的将数据读取出来。具体通信流程如下图所示。

图19 传感器通信流程图

四、电路制作与调试

（1）电路制作

1.原理图绘制：使用嘉立创EDA（专业版）绘制本次项目原理图，绘制时将电路按功能模块进行区分，便于后续查找与PCB的绘制。

图20 项目原理图

2.PCB绘制与制作：将原理图元件导入PCB后按功能进行分区，合理排布元器件位置，设置好导线规则进行走线、补泪滴、铺铜、优化（删除空岛、修剪铺铜形状、删除传感器下方铺铜、删除晶振下方铺铜）；DRC检查无误后提交嘉立创打板订单，同时根据生成的BOOM元件清单进行元件购买，对订货周期过长的器件进行替换。

图21 PCB顶层图

（二）代码编写

1.创建工程：使用STM32CubeMX软件进行基础代码生成与配置

2.设置参数：根据原理图，设置所有外设引脚

将SN74HC595引脚设置为推挽输出、快速模式，同时依据原理图对其进行重命名，方便后续代码编写；将按键引脚设置为上拉输入模式并对其进行重命名；将测试LED灯设置为推挽输出模式并对其进行重命名；打开ADC、定时器、IIC功能；配置时钟树；填写输出工程的名称，选择工程输出路径以及适配的IDE；生成相关文件的.c与.h文件；选择HAL库创建工程。

图22 芯片引脚定义图

3.使用Keil5 MDK软件进行程序的编写与测试

工程源码见附录。

（3）PCB焊接

在PCB板与元件到货后进行焊接。

图23 PCB板正面图

图24 PCB板背面图

图25 项目成品正面图

图26 项目成品背面图

（四）程序烧录

1.打开keil工程文件；

2.将DP-LINK针脚与PCB板上的调试口相连接；

3.点击编译（Build），点击下载（Download）；

图27 编译、下载按钮位置图

4.断开DP-LINK，放入电池。

（五）故障排除

故障1：程序烧录故障。

故障描述：连接下载器后烧录程序报错，Keil提示invalid rom table。

解决过程：由于有让MCU进入休眠模式的代码，在上电后它会立即进入休眠模式，以保持低功耗运行。此时可以先插好ST-LINK，在Keil程序编译好，然后按下唤醒按钮，在数码管仍在显示数值的过程中，手快速地点击Keil的下载按钮即可。

故障原因：MCU进入休眠模式。

故障2：数码管不显示。

故障描述：烧录程序后第一行用于显示温度的数码管不显示，湿度数码管工作正常。

解决过程：因为湿度数据正常显示，能够读取传感器数据，且数码管显示正常无乱码，这说明软件有正常运行；所以问题大致出现在硬件上，通过分析电路原理图判断，因为第二行数码管工作正常，所以U3-595芯片无异常，问题大致出在主控芯片与U2-595芯片或主控芯片与U4-595芯片的连接上，使用万用表测量各线路通断，检查是否存在虚焊；若不存在虚焊则可能U2-595芯片损坏。

故障原因：U2-595芯片13脚虚焊，OE使能未接地，输出 QA - QH 被禁用。

（六）项目成品

图28运行结果图

演示视频

附录

（一）项目原理图

（二）项目PCB图