一、项目与要求

基于梁山派的无线手持环境检测仪的设计

1.背景

2.设计要求与指标

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；

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. 实现4G模块将数据传输到云端；

二、硬件设计

1. 充电升压电路设计

1. 充电升压芯片介绍

1. 应用电路设计

• 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。

1. 温湿度传感器设计

1. 温湿度传感器介绍

应用电路设计

1. 气压传感器设计

1. 气压传感器介绍

• 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。

• 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

• 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。

1. 应用电路设计

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：

1. 有害气体传感器设计

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。

ags10-voc传感器说明书中文版 a0-0609 (3).pdf

 

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。

1. 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：

1. 电量测量设计

电池的最大电压为4.2V，最小工作电压3.2V（要根据具体情况确定）。

最小工作电压要根据具体情况确定，可能3.4V就无法工作了

因为GD32的IO口最大可以兼容5V，超过5V就会把IO口烧坏；而测量电压的外设ADC，它的参考电压在立创·梁山派开发板上是3.3V。所以如果使用ADC直接测量电池的电压，那么它无法测量3.3V以上的电压。

电量测量的电路原理图如下。

为了解决这个问题，我们可以通过电阻分压的形式测量电池电压。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。这里我们选择最常用的10K电阻进行分压。我们可以根据电阻分压公式计算分压后的电压：

其中 【R】是电量测量接口图中的R7，10K；【R总】是R6+R7为20K； 【U源】是 BAT+，即电池电压。那么当电池满电为4.2V时，两个电阻分压的结果U为：

U = (10K / 20K ) * 4.2V = 2.1V

2.1V是完全符合我们的ADC测量范围。我们再计算当电池要没有电为3.2V时，两个电阻分压的结果U为：

U = (10K / 20K ) * 3.2V = 1.6V

 

1. 

2. 屏幕接口设计

 

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。

 

 

屏幕规格书

屏幕购买链接：

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a21n57.1.0.0.28d1523cCkOZq5&id=675394124720&ns=1&abbucket=8#detail

选择焊接12PIN

 

1. 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)。

1. 2.4G无线通信接口设计

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。

模块购买链接：https://detail.tmall.com/item.htm?_u=o2t4uge584ed&id=617141843154&spm=a1z09.2.0.0.1f6f2e8dwxojm9

 

NF-03数据手册.pdf

 

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。

1. 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)。

 

 

4G模块设计

1. Air780E

Air780E 是合宙通信推出的 LTE Cat.1 bis通信模块；

Air780E 是4G全网通模块，可适应不同的运营商和产品，确保产品设计的最大灵活性。

Air780E 支持双卡单待；支持SPI LCD； 支持SPI Camera；支持USB 2.0；支持PSM数字语音接口；支持多种开发方式，如USB上网、标准AT、LuatOS、CSDK二次开发等，并可提供专业且及时的在线技术支持。

 

Air780E采用移芯EC618平台，支持 LTE 3GPP Rel.13 技术；

LTE特性：

 

最大支持non-CA CAT1支持1.4 ～ 20MHz射频宽带LTE-FDD：

最大上行速率5Mbps，最大下行速率10MbpsLTE-TDD：上下行配置1

最大上行速率4Mbps，最大下行速率6Mbps上下行配置2

最大上行速率2Mbps，最大下行速率8Mbps

支持频段：

LTE-FDD：

B1/B3/B5/B8

LTE-TDD：

B34/B38/B39/B40/B41

发射功率：

LTE-FDD：

Class3（23dBm±2dB）

LTE-TDD：

Class3（23dBm+1/-3dB）

USB接口：

 

兼容 USB 2.0（只支持从模式）

 

数据传输速率最大到 480Mbps

 

用于AT指令、数据传输、软件调试、软件升级

USB 虚拟串口驱动：

Windows 7/8.1/10
Linux 2.6×/3.×/4.1
Android 4.×/5.×/6.×/7.× 等操作系统下的USB驱动

串口属性：

MAIN_UART：

用于AT命令和数据传输 支持硬件流控（CTS/RTS）最大波特率921600bps

AUX_UART：

通用串口

DBG：

用来软件调试时输出 AP trace，建议预留测试点

网络协议特性：

已支持：

TCP/UDP/PPP/FTP/HTTP/NITZ/CMUX/NDIS/NTP/HTTPS/PING/FTPS/FILE/MQTT

接口支持：

SPI Camera：支持

SPI LCD：支持

Camera：支持

 

 

说明

 

1.

这里我们使用AT指令对模块进行通信

F470            模块

PB10-------->M_RX

PB11-------->M_TX

由于使用外挂的方式，还需要共地，即F470 GND--->模块GND

2.

由文档我们知道该模块联网时间为2~3秒，所以应该先给模块通电（由于模块是外挂式，在代码中就不用延时了）

 

注意

 

 

关于pcb，只需要焊接原理图第一页的元件，其他的不管，后续会将该模块集成在扩展板上

 

用户自定义ui

可使用squareLine studio生成图形界面

font ：存放字体文件

images：存放图片资源

sreens：存放屏幕

app/ui

|—fonts

|----images

|-------screens

|---------ui.c

|---------ui.h

 

 

视频演示

 

https://b23.tv/0s9WnU1

例程

https://gitee.com/krccfox/E_M_project