智能手環(huán)硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

陳強

（北京信息職業(yè)技術學院電子信息學院, 北京，100015）

0 引言

智能手環(huán)是一款簡單、方便、可穿戴的智能產(chǎn)品，在日常生活中逐漸普及，從最初的計步數(shù)功能，逐步擴展到測溫、測量心率。

在高職電子信息工程技術專業(yè)《智能電子產(chǎn)品設計與制作》課程中，選擇一款既實用有普及的電子產(chǎn)品，對于提升學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的設計制作能力十分重要。本文以智能手環(huán)作為這款典型的電子產(chǎn)品為例，闡述它的系統(tǒng)組成、電路設計，給《智能電子產(chǎn)品設計與制作》課程載體建設提供借鑒。

1 系統(tǒng)總體方案設計

我們所設計的智能手環(huán)系統(tǒng)包括：STM32L152單片機控制電路、電源模塊、測溫電路、心率測量電路、計步電路、藍牙傳輸模塊以及顯示模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

計步電路主要用于將我們的運動信息傳遞給單片機，單片機進行處理后在OLED顯示步數(shù)和步速。心理測量電路主要是將心率信息通過單片機讀取處理，進行處理后在OLED上顯示。測溫電路主要是測量人體體溫。這些信息可以通過藍牙模塊發(fā)送到我們的手機，手機用APP進行解析顯示人體步速、心率、體溫，并顯示出心率變換和體溫曲線。電源模塊1輸入端為USB接口的5V電壓，輸出VCC；電源模塊2輸入VCC轉換成3.3V給單片機供電，同時送到電源模塊3產(chǎn)生OLED所需要的12V電壓；3.3V電壓通過電源模塊4產(chǎn)生1.8V給心率測量電路中的血氧生物傳感器芯片供電。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

■2.1 單片機控制外圍電路設計

單片機選用STM32L152，這是一款低功耗，基于ARM的32位單片機，內部Flash 128KB。STM32L152提供一個12位ADC、2個DAC和2個超低功耗比較器、六個通用16位定時器和兩個基本定時器，可用作時基。此外，芯片內包含標準和高級通信接口：多達兩個I2C和SPI、三個USART和一個USB。它們還包括一個實時時鐘和一組在待機模式下保持供電的備份寄存器。它廣泛應用于醫(yī)療和手持設備、控制、有線和無線傳感器等。具體的電路如圖2所示。R3、C4組成復位電路。時鐘電路包括兩個，一個是有C14、C15、Y1（32.768kHz）組成，另一個是由C21、C22、Y2（8MHz）組成。芯片需要提供3.3V的電壓進行供電。

圖2 單片機控制電路

■2.2 計步電路-MPU6050芯片外圍電路設計

MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6軸運動處理組件，其內部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個第二IIC接口，可用于連接外部磁力傳感器，并利用自帶的數(shù)字運動處理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過主IIC接口，向應用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。有了DMP，我們可以使用InvenSense公司提供的運動處理資料庫，非常方便的實現(xiàn)姿態(tài)解算，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷。MPU6050模塊電路如圖3所示，23腳SCL和24腳SDA是IIC接口，需要通過外接上拉電阻連接到單片機。12腳是INT外部中斷,其內部為漏極開路，需要通過外接上拉電阻R8一端接3.3V，另一端單片機的PB5。1腳CLKIN、11腳FSYNC均接地13腳VDD接3.3V，8腳VLOGIC為數(shù)字I/O的電源接3.3V。

圖3 計步電路-MPU6050

■2.3 心率測量電路-MAX30102血氧生物傳感器外圍電路設計

MAX30102是一款高性能血氧生物傳感器芯片，包括內部LED、光電檢測器、光學元件、以及環(huán)境光干擾抑制電路。MAX30102采用IIC總線方式傳輸數(shù)據(jù)，主要應用在心率和血氧的檢測方面，可以測量的位置有手指、手腕等。MAX30102 芯片集成有光路和電路部分，在血氧/心率工作模式下，由LED驅動器分別驅動紅色LED和IR LED交替穩(wěn)定發(fā)光，在經(jīng)過濾光處理后由光電二極管完成接收光信號到電信號的轉換。設計的電路如圖4所示。

圖4 心率測量電路-MAX30102

■2.4 測溫電路18B20

DS18B20為單線數(shù)字溫度傳感器，采用單總線的接口方式與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。其測量溫度范圍寬，測量精度為±0.5°C。DS18B20的引腳包括：1腳GND、2腳DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端、3腳VDD為外接供電電源輸入端。具體的電路如圖5所示。

圖5 18B20測溫電路

■2.5 OLED顯示模塊

OLED，即有機發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode）。OLED由于同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。圖6所示為OLED顯示屏（64×128）的應用電路，2腳VPP接12V、4腳VDD接3.3V、7腳CS（片選引腳）接PA4、8腳RES（復位引腳）接PA2、9腳DC（數(shù)據(jù)和命令控制引腳）接PA3、10腳D0（SPI和IIC通信中的時鐘引腳）接PA5、11腳D1（SPI和IIC通信中的數(shù)據(jù)引腳）接PA7。

圖6 OLED顯示模塊

■2.6 藍牙模塊-HM-11

HM-11為4.0藍 牙 模 塊(BLE)，采用TI CC2540為主控芯片，配置256KB空間，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改角色（主、從模式）以及串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。主要應用于自動化數(shù)據(jù)采集、工業(yè)遙控、遙測。供電電源3.3V。實際的應用電路如圖7所示。2腳UART_TX（通用串口發(fā)送端）接單片機的PA10，4腳UART_RX（通用串口接收端）接單片機的PA9。12腳GND接地，9腳VCC接3.3V電源。

圖7 藍牙模塊-HM-11

■2.7 BQ24072外圍電路設計

BQ24072是針對便攜式應用的集成鋰離子線性充電器和系統(tǒng)電源管理器件。該芯片為系統(tǒng)供電，同時可以對電池充電。芯片具有動態(tài)電源路徑管理(DPPM)功能，在系統(tǒng)和電池充電之間共享源電流，并在系統(tǒng)負載增加時自動降低充電電流。從USB端口充電時，如果輸入電壓低于閾值，輸入動態(tài)電源管理(VIN-DPM)電路會降低輸入電流，從而防止USB端口崩潰。當適配器無法提供峰值電流時，電源路徑架構允許電池補充系統(tǒng)電流達到要求的電流值。

采用BQ24072的電路如圖8所示。13腳是輸入端，10和11腳是輸出端。當13腳電壓大于（欠壓鎖定閾值UNLO）閾值時，BQ24072上電，同時7腳PGOOD和6腳CHG置為低電平。EN2=0，EN=1,芯片工作于USB500模式，即輸入電流為可以達到500mA。1腳TS為外部NTC熱敏電阻輸入。對于不使用TS功能的應用，在TS和電源之間連接一個10kΩ固定電阻，以保持TS上的有效電壓電平。

圖8 BQ24072和LD3985D電源電路

2腳和3腳是充電器功率級輸出和電池電壓檢測輸入端，將BAT連接到電池的正極。使用10μF陶瓷電容器將BAT旁路至USB5V。

4腳CE為充電使能，低電平有效。15腳TD為終止禁用輸入，將TD接低電平，允許使用充電器。

12腳ILIM為可調電流限制編程輸入。在ILIM和VSS之間連接一個1.1kΩ至8kΩ的電阻器以設置最大輸入電流。設輸入的最大電流為1.3A，那么，R18=1550AΩ/1.3A≈1.2kΩ。

16腳ISET為快速充電電流編程輸入。在ISET和電源之間連接一個590Ω至8.9kΩ的電阻器以設置快速充電電流水平。設充電電流為0.8A，那么，R19=890AΩ/0.8A≈1.1kΩ。

■2.8 電源模塊2-LD3985M33R外圍電路設計

LD3985M33R是一款超低壓降、低靜態(tài)電流和低噪音電源芯片，適用于低功率應用供電系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中的作用是輸入的VCC轉換成3.3V電壓。LD3985的1腳是電壓輸入，5腳是輸出端。3腳是抑制端，3腳電壓大于1.2V時，輸出端有電壓輸出；3腳電壓小于0.4V時，輸出端被關閉。所以正常使用時，可以將其接到VCC。4腳為旁路端，一般接0.01μF的電容。2腳接地端。

■2.9 電源模塊3-PT1305電源電路設計

由PT1305高壓升壓轉換器組成升壓電路可將輸入電壓升壓到24V。本升壓電路的作用是將VCC升高到12V，如圖9所示。

圖9 電源模塊3-PT1305

電感的選擇：在多數(shù)應用場合，PT1305的1腳和5腳之間所接電感L1為22μH。

電容的選擇：小尺寸的瓷片電容是PT1305的理想選擇，一個4.7μF的輸入電容器和一個4.7μF的輸出電容器足以滿足大多數(shù)PT1305S應用。輸入電容C26和輸出電臺C28均選擇4.7μF電容，補償電容C27一般選擇22pF。

二極管的選擇：肖特基二極管，具有正向導通壓降低和快速反向恢復時間短的特點，是PT1305S理想選擇，在選擇時要正向壓降和二極管的極間電容都需要考慮，這里選擇BAT42WS。

電阻的選擇：輸出電壓受反饋電阻的控制，反饋電壓VFB，輸出電壓:VOUT=VFB×（1+R23/（R24+R25）），VFB=1.23V，R1=1MΩ，R24=1kΩ，R25=100kΩ。

■2.10 電源模塊4-XC6206電路設計

XC6206是高紋波抑制率、低功耗、低壓差線性穩(wěn)壓器，在智能手環(huán)電路中用于將輸入的3.3V，轉換成1.8V電壓，給血氧生物傳感器芯片MAX30102EFD+的11腳供電，如圖10所示。

圖10 電源模塊4-XC6206

3 系統(tǒng)的PCB設計

考慮到智能手環(huán)不能過大，采用兩塊雙面PCB通過連接座疊放在一起。單塊PCB的尺寸是45mm×22mm，采用貼裝元器件，0603封裝的阻容元件居多。信號線最小線寬0.127mm，優(yōu)選線寬0.3mm，電源線最小線寬是0.28mm，優(yōu)選線寬是0.5mm。布線時盡量保持底層與頂層走線相互垂直以減小干擾，走線角度為135°。布線完成后進行動態(tài)規(guī)則檢查，重點檢查是否有漏布的導線。

4 結語

基于STM32的智能手環(huán)硬件系統(tǒng)詳細地分析了硬件電路的設計方法，所選用的元器件參數(shù)的計算方法、PCB設計的基本要求、布線參數(shù)的設置等。本產(chǎn)品既可以《智能電子產(chǎn)品設計與制作》課程的教學載體，也可以作為綜合訓練項目，提高學生的電子產(chǎn)品設計與制作能力。