智能手环硬件系统设计与实现

陈强

（北京信息职业技术学院电子信息学院, 北京，100015）

0 引言

智能手环是一款简单、方便、可穿戴的智能产品，在日常生活中逐渐普及，从最初的计步数功能，逐步扩展到测温、测量心率。

在高职电子信息工程技术专业《智能电子产品设计与制作》课程中，选择一款既实用有普及的电子产品，对于提升学生的学习兴趣、培养学生的设计制作能力十分重要。本文以智能手环作为这款典型的电子产品为例，阐述它的系统组成、电路设计，给《智能电子产品设计与制作》课程载体建设提供借鉴。

1 系统总体方案设计

我们所设计的智能手环系统包括：STM32L152单片机控制电路、电源模块、测温电路、心率测量电路、计步电路、蓝牙传输模块以及显示模块。系统框图如图1所示。

计步电路主要用于将我们的运动信息传递给单片机，单片机进行处理后在OLED显示步数和步速。心理测量电路主要是将心率信息通过单片机读取处理，进行处理后在OLED上显示。测温电路主要是测量人体体温。这些信息可以通过蓝牙模块发送到我们的手机，手机用APP进行解析显示人体步速、心率、体温，并显示出心率变换和体温曲线。电源模块1输入端为USB接口的5V电压，输出VCC；电源模块2输入VCC转换成3.3V给单片机供电，同时送到电源模块3产生OLED所需要的12V电压；3.3V电压通过电源模块4产生1.8V给心率测量电路中的血氧生物传感器芯片供电。

2 系统硬件电路设计

■2.1 单片机控制外围电路设计

单片机选用STM32L152，这是一款低功耗，基于ARM的32位单片机，内部Flash 128KB。STM32L152提供一个12位ADC、2个DAC和2个超低功耗比较器、六个通用16位定时器和两个基本定时器，可用作时基。此外，芯片内包含标准和高级通信接口：多达两个I2C和SPI、三个USART和一个USB。它们还包括一个实时时钟和一组在待机模式下保持供电的备份寄存器。它广泛应用于医疗和手持设备、控制、有线和无线传感器等。具体的电路如图2所示。R3、C4组成复位电路。时钟电路包括两个，一个是有C14、C15、Y1（32.768kHz）组成，另一个是由C21、C22、Y2（8MHz）组成。芯片需要提供3.3V的电压进行供电。

图2 单片机控制电路

■2.2 计步电路-MPU6050芯片外围电路设计

MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件，其内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个第二IIC接口，可用于连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主IIC接口，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。有了DMP，我们可以使用InvenSense公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷。MPU6050模块电路如图3所示，23脚SCL和24脚SDA是IIC接口，需要通过外接上拉电阻连接到单片机。12脚是INT外部中断,其内部为漏极开路，需要通过外接上拉电阻R8一端接3.3V，另一端单片机的PB5。1脚CLKIN、11脚FSYNC均接地13脚VDD接3.3V，8脚VLOGIC为数字I/O的电源接3.3V。

图3 计步电路-MPU6050

■2.3 心率测量电路-MAX30102血氧生物传感器外围电路设计

MAX30102是一款高性能血氧生物传感器芯片，包括内部LED、光电检测器、光学元件、以及环境光干扰抑制电路。MAX30102采用IIC总线方式传输数据，主要应用在心率和血氧的检测方面，可以测量的位置有手指、手腕等。MAX30102 芯片集成有光路和电路部分，在血氧/心率工作模式下，由LED驱动器分别驱动红色LED和IR LED交替稳定发光，在经过滤光处理后由光电二极管完成接收光信号到电信号的转换。设计的电路如图4所示。

图4 心率测量电路-MAX30102

■2.4 测温电路18B20

DS18B20为单线数字温度传感器，采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。其测量温度范围宽，测量精度为±0.5°C。DS18B20的引脚包括：1脚GND、2脚DQ为数字信号输入/输出端、3脚VDD为外接供电电源输入端。具体的电路如图5所示。

图5 18B20测温电路

■2.5 OLED显示模块

OLED，即有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode）。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。图6所示为OLED显示屏（64×128）的应用电路，2脚VPP接12V、4脚VDD接3.3V、7脚CS（片选引脚）接PA4、8脚RES（复位引脚）接PA2、9脚DC（数据和命令控制引脚）接PA3、10脚D0（SPI和IIC通信中的时钟引脚）接PA5、11脚D1（SPI和IIC通信中的数据引脚）接PA7。

图6 OLED显示模块

■2.6 蓝牙模块-HM-11

HM-11为4.0蓝 牙 模 块(BLE)，采用TI CC2540为主控芯片，配置256KB空间，支持AT指令，用户可根据需要更改角色（主、从模式）以及串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。主要应用于自动化数据采集、工业遥控、遥测。供电电源3.3V。实际的应用电路如图7所示。2脚UART_TX（通用串口发送端）接单片机的PA10，4脚UART_RX（通用串口接收端）接单片机的PA9。12脚GND接地，9脚VCC接3.3V电源。

图7 蓝牙模块-HM-11

■2.7 BQ24072外围电路设计

BQ24072是针对便携式应用的集成锂离子线性充电器和系统电源管理器件。该芯片为系统供电，同时可以对电池充电。芯片具有动态电源路径管理(DPPM)功能，在系统和电池充电之间共享源电流，并在系统负载增加时自动降低充电电流。从USB端口充电时，如果输入电压低于阈值，输入动态电源管理(VIN-DPM)电路会降低输入电流，从而防止USB端口崩溃。当适配器无法提供峰值电流时，电源路径架构允许电池补充系统电流达到要求的电流值。

采用BQ24072的电路如图8所示。13脚是输入端，10和11脚是输出端。当13脚电压大于（欠压锁定阈值UNLO）阈值时，BQ24072上电，同时7脚PGOOD和6脚CHG置为低电平。EN2=0，EN=1,芯片工作于USB500模式，即输入电流为可以达到500mA。1脚TS为外部NTC热敏电阻输入。对于不使用TS功能的应用，在TS和电源之间连接一个10kΩ固定电阻，以保持TS上的有效电压电平。

图8 BQ24072和LD3985D电源电路

2脚和3脚是充电器功率级输出和电池电压检测输入端，将BAT连接到电池的正极。使用10μF陶瓷电容器将BAT旁路至USB5V。

4脚CE为充电使能，低电平有效。15脚TD为终止禁用输入，将TD接低电平，允许使用充电器。

12脚ILIM为可调电流限制编程输入。在ILIM和VSS之间连接一个1.1kΩ至8kΩ的电阻器以设置最大输入电流。设输入的最大电流为1.3A，那么，R18=1550AΩ/1.3A≈1.2kΩ。

16脚ISET为快速充电电流编程输入。在ISET和电源之间连接一个590Ω至8.9kΩ的电阻器以设置快速充电电流水平。设充电电流为0.8A，那么，R19=890AΩ/0.8A≈1.1kΩ。

■2.8 电源模块2-LD3985M33R外围电路设计

LD3985M33R是一款超低压降、低静态电流和低噪音电源芯片，适用于低功率应用供电系统。在本系统中的作用是输入的VCC转换成3.3V电压。LD3985的1脚是电压输入，5脚是输出端。3脚是抑制端，3脚电压大于1.2V时，输出端有电压输出；3脚电压小于0.4V时，输出端被关闭。所以正常使用时，可以将其接到VCC。4脚为旁路端，一般接0.01μF的电容。2脚接地端。

■2.9 电源模块3-PT1305电源电路设计

由PT1305高压升压转换器组成升压电路可将输入电压升压到24V。本升压电路的作用是将VCC升高到12V，如图9所示。

图9 电源模块3-PT1305

电感的选择：在多数应用场合，PT1305的1脚和5脚之间所接电感L1为22μH。

电容的选择：小尺寸的瓷片电容是PT1305的理想选择，一个4.7μF的输入电容器和一个4.7μF的输出电容器足以满足大多数PT1305S应用。输入电容C26和输出电台C28均选择4.7μF电容，补偿电容C27一般选择22pF。

二极管的选择：肖特基二极管，具有正向导通压降低和快速反向恢复时间短的特点，是PT1305S理想选择，在选择时要正向压降和二极管的极间电容都需要考虑，这里选择BAT42WS。

电阻的选择：输出电压受反馈电阻的控制，反馈电压VFB，输出电压:VOUT=VFB×（1+R23/（R24+R25）），VFB=1.23V，R1=1MΩ，R24=1kΩ，R25=100kΩ。

■2.10 电源模块4-XC6206电路设计

XC6206是高纹波抑制率、低功耗、低压差线性稳压器，在智能手环电路中用于将输入的3.3V，转换成1.8V电压，给血氧生物传感器芯片MAX30102EFD+的11脚供电，如图10所示。

图10 电源模块4-XC6206

3 系统的PCB设计

考虑到智能手环不能过大，采用两块双面PCB通过连接座叠放在一起。单块PCB的尺寸是45mm×22mm，采用贴装元器件，0603封装的阻容元件居多。信号线最小线宽0.127mm，优选线宽0.3mm，电源线最小线宽是0.28mm，优选线宽是0.5mm。布线时尽量保持底层与顶层走线相互垂直以减小干扰，走线角度为135°。布线完成后进行动态规则检查，重点检查是否有漏布的导线。

4 结语

基于STM32的智能手环硬件系统详细地分析了硬件电路的设计方法，所选用的元器件参数的计算方法、PCB设计的基本要求、布线参数的设置等。本产品既可以《智能电子产品设计与制作》课程的教学载体，也可以作为综合训练项目，提高学生的电子产品设计与制作能力。