#第十届立创电赛#AI小智

一、项目简介

1.1 项目定位

本项目为便携式智能交互硬件方案，聚焦低功耗、高集成度设计，适用于便携 AI 助手、智能语音交互终端等场景。通过开源完整硬件设计与基础固件框架，降低开发者入门门槛，支持二次开发与功能拓展，助力智能硬件生态共建。本项目软件代码参考开源AI小智项目（github.com/xxx/ai-xiaozhi）进行硬件适配开发。

1.2 核心特性

• 主控方案：采用立创黄山派 SF32LB52 开源模组，ARM® Cortex®-M33 内核，最高主频 80MHz，工作电压范围 3.2V~4.7V，集成 160KB Flash、32KB RAM 及高精度内部 LDO（输出 3.3V/150mA）
• 供电系统：CR123A 1850mAh 锂电池（自带充电保护），TYPE-C 接口便捷充电，电池放电区间 3.0V~4.2V，完美适配主控电压范围，采用拨动开关控制整体供电
• 显示模块：8 针 1.69 寸 TFT 彩屏（SPI 协议，分辨率 240×280，16 位真彩），支持亮度调节与低功耗休眠
• 核心功能：音频交互（LM4871N 音频功放）、低功耗休眠（无交互 1 分钟自动休眠，功耗≤10μA）、电池电量实时监测显示、按键唤醒
• 外设接口：SPI、UART、ADC、DAC 等丰富接口，支持功能拓展
• 软件参考：基于开源AI小智项目代码进行硬件适配（github.com/xxx/ai-xiaozhi）

二、硬件设计详解

2.1 主控模块：立创黄山派 SF32LB52 开源模组

2.1.1 核心参数

参数类别	具体规格
内核与主频	ARM® Cortex®-M33，最高 80MHz，支持单精度 FPU
存储容量	160KB Flash，32KB RAM
供电特性	工作电压 3.2V~4.7V，最大工作电流 80mA，STOP 模式休眠电流≤5μA
集成外设	2 路 SPI、2 路 UART、1 路 I2C、12 位 ADC（16 通道）、1 路 DAC、多个 GPIO
电源管理	内部 LDO 输出 3.3V/150mA，支持 STOP/STANDBY 低功耗模式

2.1.2 关键引脚分配

模组引脚	引脚名称	功能定义	连接模块	功能说明
1	VDD	电源输入	拨动开关输出	输入 3.2V~4.7V 电压，需并联 100nF 陶瓷电容 + 10μF 钽电容滤波
2	GND	接地	系统地	单点接地设计，避免地噪声干扰音频、ADC 采样链路
3	PA02	SPI1_SCK	1.69 寸 TFT 彩屏 SCL	SPI 时钟信号，频率 1MHz~5MHz（低电压时降为 2MHz）
4	PA01	SPI1_MOSI	1.69 寸 TFT 彩屏 SDA	向屏幕传输指令 / 数据，单向传输模式
5	PA03	SPI1_CS	1.69 寸 TFT 彩屏 CS	屏幕片选信号，低电平选中
6	PA08	GPIO_Output	1.69 寸 TFT 彩屏 DC	指令 / 数据切换（低电平 = 指令，高电平 = 数据）
7	PA09	GPIO_Output	1.69 寸 TFT 彩屏 RES	屏幕复位（拉低≥10ms 触发）
8	PA10	GPIO_Output/PWM	1.69 寸 TFT 彩屏 BL	背光控制，支持 PWM 8 级亮度调节，休眠时关闭
9	PA34	GPIO_Input（上拉）	功能按键 KEY1	按键输入 + 唤醒触发，下降沿中断，软件 10-20ms 防抖
10	PA35	GPIO_Input（上拉）	功能按键 KEY2	同 KEY1，支持独立功能（如音量调节、模式切换）
11	PA07	ADC1_IN7	电池电量采样分压节点	采集电池分压电压（1.07V~1.57V），12 位分辨率，采样精度≤±0.01V
12	PA13	UART2_RX	TYPE-C 串口下载器 TX	串口调试与程序下载，波特率 115200bps
13	PA14	UART2_TX	TYPE-C 串口下载器 RX	接收串口指令（如电量校准）
14	PA20	GPIO_Input	TYPE-C 充电检测	监测充电状态（5V = 充电中，0V = 未充电）
15	PA15	GPIO_Output	LM4871N 功放 EN	功放电源使能，休眠时关闭（功耗≤1μA）
16	PA00	DAC1_OUT	LM4871N 功放 INPUT	输出音频模拟信号，12 位 DAC 分辨率

2.2 电源与充电模块

2.2.0 拨动开关控制设计

• 开关型号：SS-12D00G3 单刀单掷拨动开关
• 安装位置：位于设备侧面，便于操作
• 电路连接：串联在电池正极与主控VDD之间
• 功能特点：完全切断电池供电，实现零功耗待机，额定电流0.5A，接触电阻≤30mΩ

2.2.1 电池选型与特性

特性类别	具体参数
型号规格	CR123A 锂电池，容量 1850mAh
电压范围	标称 3.7V，放电区间 3.0V~4.2V，充电上限 4.2V
保护机制	内部集成过充（4.2V±0.05V）、过放（3.0V±0.05V）、过流（≥2A）保护
续航能力	正常使用（每日 1 小时音频交互 + 2 小时屏幕显示）≥7 天；休眠状态≥30 天

2.2.3 电源保护与滤波设计

保护类型	实现方式	作用说明
电源开关	拨动开关串联在电池正极与主控VDD之间	完全切断电源，实现零功耗待机
反接保护	电池与主控 VDD 间串联 1N5819 肖特基二极管（正向压降 0.3V）	防止电池正负极接反时大电流损坏主控模组
过流保护	串联 200mA 自恢复保险丝（PTC）	系统短路或电流突增时自动熔断，故障排除后恢复导通
电源滤波	主控 VDD 引脚旁并联：100nF 陶瓷电容（高频滤波）+10μF 钽电容（低频滤波）+1μF 陶瓷电容（补充滤波）	抑制充电时的电压尖峰与电池放电时的电压波动，稳定供电

2.3 显示模块：8 针 1.69 寸 TFT 彩屏（SPI 协议）

2.3.1 屏幕核心参数

参数类别	具体规格
尺寸与分辨率	1.69 英寸，240×280 像素（部分型号为 280×240，需以实际选型为准）
显示特性	16 位真彩（65536 色），对比度≥300:1，水平 / 垂直视角≥120°
接口规格	8 针单排直插 / 贴片接口，SPI 通信协议（支持模式 0：CPOL=0，CPHA=0）
功耗参数	工作电流（含背光）≤30mA，背光关闭后控制器功耗≤5μA，休眠模式功耗≤1μA
驱动芯片	典型型号为 ST7789（需按实际屏幕型号适配初始化指令）

2.3.2 8 针引脚定义与连接

屏幕引脚	引脚名称	功能描述	与主控连接	设计注意事项
1	VCC	电源输入	主控 3.3V LDO 输出（从模组 3.3V 引脚引出）	需串联 0Ω 可选限流电阻，就近并联 100nF 滤波电容接地
2	GND	接地	系统地（与主控、电池 GND 共地）	采用单点接地，避免地噪声干扰显示信号
3	SCL	SPI 时钟	主控 PA02（SPI1_SCK）	时钟频率可配置，初始调试建议 1MHz，稳定后可升至 5MHz
4	SDA	SPI 数据输出（MOSI）	主控 PA01（SPI1_MOSI）	单向传输（屏幕仅接收数据，无需 MISO 引脚），8 位数据位宽
5	DC	指令 / 数据选择	主控 PA08（GPIO_Output）	低电平 = 传输指令，高电平 = 传输数据，推挽输出模式
6	CS	片选信号	主控 PA03（SPI1_CS）	低电平选中屏幕，多 SPI 设备时通过 CS 避免信号冲突
7	RES	复位信号	主控 PA09（GPIO_Output）	拉低≥10ms 触发屏幕复位，上电后必须执行复位流程
8	BL	背光控制	主控 PA10（GPIO_Output/PWM）	高电平开启背光，低电平关闭；支持 PWM 实现 8 级亮度调节

2.4 音频处理模块

2.4.1 核心器件：LM4871N 音频功放

参数类别	具体规格
工作电压	2.0V~5.5V（适配 3.7V 电池供电）
输出功率	4.2V 供电、4Ω 喇叭时约 1W；3.2V 供电、8Ω 喇叭时约 0.5W
功能特性	AB 类单声道功放，内置过热保护、短路保护
外围元件	R5（10kΩ）+C3（1μF）构成自举电路；C4（100nF）+C5（10μF）为电源滤波电容
与主控连接	VDD 接 VSYS（3.7V），INPUT 接主控 PA00（DAC1_OUT），EN 接主控 PA15（GPIO_Output），OUTPUT 接 4Ω-8Ω 喇叭

2.5 低功耗与电量监测模块

2.5.1 低功耗休眠机制

流程阶段	操作内容	功耗控制效果
触发判定	主控通过定时器（TIM6）监测，1 分钟内无按键、无音频输入，触发休眠	-
休眠准备	1. 关闭功放：PA15 拉低（功耗从 20mA 降至≤1μA） 2. 关闭屏幕背光：PA10 拉低（功耗从 20mA 降至≤1μA） 3. 关闭 SPI1、ADC1、DAC1 时钟	外设功耗降低≥99%
进入休眠	主控切换至 STOP 模式，仅保留 EXTI 中断、RTC 供电	主控功耗≤5μA，系统总功耗≤10μA
唤醒触发	1. 按键唤醒：KEY1/KEY2 触发 PA34/PA35 下降沿中断 2. 语音唤醒（可选）：麦克风信号超阈值触发 ADC 中断	唤醒延迟≤100ms
硬件关机	拨动开关切断电源	系统零功耗
唤醒恢复	1. 恢复 80MHz 系统时钟 2. 开启外设时钟 3. 恢复功放、屏幕背光 4. 重新初始化屏幕	恢复正常功能，耗时≤200ms

2.5.2 电池电量监测

电量计算算法（电压 - 电量映射表）：

电池电压（V）	电量百分比（%）	系统响应动作
4.10~4.20	100~90	屏幕显示绿色电量图标，无提示
4.00~4.09	89~70	屏幕显示绿色电量图标
3.90~3.99	69~50	屏幕显示绿色电量图标
3.80~3.89	49~30	屏幕显示黄色电量图标
3.70~3.79	29~10	屏幕显示黄色电量图标，底部提示 "低电量"
3.20~3.69	9~0	屏幕显示红色电量图标，闪烁提示 "请充电"，关闭功放
<3.20	-	触发自动关机（保护电池）

三、软件固件框架

3.1 开发环境配置

环境类别	推荐工具 / 版本	配置说明
开发工具	STM32CubeIDE 1.13.0 或 Keil MDK 5.38	需安装 SF32LB52 芯片包（从 ST 官网下载）
操作系统	RT-Thread 4.1.0 或 FreeRTOS 10.4.6	适配低功耗管理与多任务调度
调试工具	TYPE-C 串口下载器（CH340 芯片）、J-Link V11	串口波特率默认 115200bps，J-Link 支持硬件调试
参考代码	开源AI小智项目（github.com/xxx/ai-xiaozhi）	基于此项目进行硬件适配开发
辅助工具	嘉立创 EDA 专业版、Typora	-

3.2 软件架构说明

本项目软件代码基于开源AI小智项目进行硬件适配，主要修改和适配内容包括：

• 电源管理模块：适配拨动开关硬件控制
• 显示驱动：适配ST7789屏幕驱动
• 低功耗管理：优化休眠唤醒流程
• 外设驱动：适配SF32LB52芯片特有外设

四、开源资料清单

资料类别	具体内容	获取渠道
硬件设计文件	1. 嘉立创 EDA 工程文件（.json/.project）：含完整原理图、PCB 参考布局（2 层板，50mm×70mm） 2. 引脚定义手册（SF32LB52 模组与各模块连接表）	1. 嘉立创 EDA 共享平台（搜索 "插件版小智 AI"） 2. GitHub/Gitee 仓库（链接见飞书文档）
物料清单（BOM）	1. 元件列表：SF32LB52 模组、CR123A 电池、8 针 TFT 彩屏、LM4871N 等型号、封装、数量 2. 采购推荐：立创商城链接、淘宝 / 京东备选链接	1. 嘉立创 EDA 工程导出（Excel 格式） 2. 飞书文档 "资料下载区"（https://lceda002.feishu.cn/wiki/B2LLwyC7binHuJkkHGMce03wnWf）
固件代码	1. 基础工程：STM32CubeIDE/Keil 工程，含 SPI 屏幕、ADC、低功耗驱动 2. 核心代码：低功耗、电量监测、显示控制、串口调试的 .c/.h 文件 3. 示例程序：语音播放、按键交互、电量显示演示代码	GitHub/Gitee 仓库 "Firmware" 目录（按开发工具分类）
调试与测试文档	1. 硬件焊接指南：焊接顺序、温度控制、虚焊排查 2. 功能测试步骤：电源、屏幕、低功耗、电量监测测试流程 3. 常见问题排查：无显示、无声音、休眠失败等解决方案	1. 开源仓库 "Docs/Debug_Guide.md" 2. 飞书文档 "调试专区"
参考手册	1. SF32LB52 模组 datasheet（立创官方） 2. ST7789 驱动手册（含指令集） 3. LM4871N 功放 datasheet（TI 官方） 4. CR123A 电池充电规格书 5. 开源AI小智项目代码文档	开源仓库 "Docs/Reference" 目录

五、开发与调试建议

5.1 硬件调试重点

• 电源测试：
  • 未上电时，用万用表通断档检测电池接口、主控 VDD 与 GND 无短路（正常为无穷大）；
  • 上电后，测量 VDD 电压（3.2V4.7V）、3.3V LDO 输出（3.25V3.35V），确保稳定。
• 拨动开关测试：
  • 测试开关通断状态下的电源连通性
  • 确保开关关闭时系统零功耗
• 屏幕调试：
  • 无显示：检查 RES 复位（示波器测 10ms 低电平）、SPI 时钟波形（1MHz~5MHz）、驱动指令适配；
  • 花屏：核对分辨率（240×280）、降低 SPI 频率至 1MHz、检查排线接触。
• 低功耗测试：
  • 用高精度电流计串联电池，休眠时电流≤10μA；若超标，检查功放 EN、屏幕背光是否完全断电。
• 电量监测校准：
  • 用可调电源设为 4.20V，发送串口指令 "CAL 4.20"；设为 3.20V，发送 "CAL 3.20"，修正采样误差。

5.2 二次开发方向

5.2.1 功能拓展

• 增加 HC-05 蓝牙模块（UART 接口）：实现手机 APP 控制、音频传输；
• 扩展 SHT30 温湿度传感器（I2C 接口）：屏幕显示环境数据，适配智能家居；
• 开发本地语音唤醒：基于 ADC 采样实现 "小智小智" 关键词识别，无需云端。

5.2.2 性能优化

• 显示优化：采用 "DMA + 局部刷新"，仅更新变化区域，降低功耗与 CPU 占用；
• 低功耗优化：按电量动态调整休眠时间（≥50% 1 分钟，≤10% 30 秒）；
• 音频优化：增加 50Hz 工频滤波，根据电池电压调整功放增益（4.2V 20dB，3.2V 15dB）。

六、注意事项

6.1 电源安全

• 主控 VDD 禁止输入＞4.7V 电压，禁止直接接 5V 电源，避免烧毁 LDO；
• 仅用 CR123A 电池，禁止混用 CR2032、18650 等其他型号；
• 充电仅用 5V/1A 标准 TYPE-C 充电器，禁止快充头，防止电池过流。

6.2 元件兼容性

• 屏幕替换：需匹配 8 针 SPI 接口与驱动芯片（ST7789/ILI9341），同步修改初始化指令；
• 功放替换：选择 2.0V~5.5V 供电、≥0.5W 单声道型号（如 LM386），适配喇叭阻抗（4Ω-8Ω）。

6.3 知识产权合规

• 遵循 MIT 开源协议，修改后需保留原版权声明，禁止冒充自有知识产权；
• 商业使用需确认授权范围，使用 SF32LB52 模组需遵守立创开源协议；
• 参考开源AI小智项目代码需遵守其原有开源协议。

6.4 生产与焊接

• SF32LB52 模组焊接：温度 260℃±10℃，时间≤3 秒 / 引脚，避免虚焊或过热；
• TYPE-C 接口焊接：用热风枪（300℃），确保引脚无短路，焊接前测试连通性；
• 拨动开关焊接：注意开关方向与PCB标识一致，确保安装牢固。

七、产品实物图

TFT屏幕

喇叭

电池

黄山派开源模组

最后组装完成实物图

上电效果图