【涂鸦智能】630648A+智能家居监控仪 - 嘉立创EDA开源硬件平台

1.1 前言

 

     这次听说立创又要来举办寒假训练营，我满心欢喜的报名了，上次涂鸦的训练营由于要参加湖南省技能大赛就搁置了，真的是太可惜了，还好在比赛中取得了一等奖。

     通过学习涂鸦物联网模块，我觉得它和我们之前暑假训练营的EMW3080（阿里云飞燕）是有区别的，EMW3080是通过写入三元组，MUC再通过AT指令对物联网模块进行操作，这次的涂鸦WB3S物联网模块有两种模式；第一就是免开发，通俗易懂点，就是不用自己写代码，拿到手就能用。这个项目可以用来做毕业设计，成本不到100元，真的是非常划算

  

                      上图为庆科EMW3080阿里云飞燕物联网模块

 

                              上图为涂鸦WB3S 物联网模块 

     

       我一直在思考为什么不用写代码呢，原来在lot平台配置的时候已经把需要的功能提交了，发货时就是已经烧录好固件的。第二个模式就是低代码MUC开发：通过移植SDK来控制物联网模块完成一些高级操作，虽然说是低代码，对于我这种小白来说，还是有难度的（低调），本身涂鸦物联网是通过特定的协议和MCU通信，来获得当前的环境温度、湿度等信息，再上传到云端，手机上就可以查看了。关于涂鸦物联网模块我就介绍到这里，其他更多信息，请观看立创哔哩哔哩视频

https://www.bilibili.com/video/BV1S54y167v1

推荐看一下上一期的优秀作品：https://oshwhub.com/recommend/tuya_camp

1.2 项目分析

 

     对于多功能传感器，涂鸦lot平台上并没有免开发方案，功能单一的温湿度模块对于我们帮助显的有点捉襟见肘了，我还是想把一氧化碳传感器和烟雾传感器加上，并通过涂鸦物联网模块的警告提醒，可以在手机上随时随地的收到信息。这个功能非常好，大大提高了安全性。

   

    我们做居家监测仪首先要考虑产品的效果以及移动性，和我们做的小灯小风扇不一样，居家监测仪，顾名思义，要一直放在家里监测空气的质量，那么在产品效果上我们肯定要第一时间知道发生了警报，所以得用蜂鸣器，而且一个还不够。

 

      对于传感器，我采用了CO传感器也就是一氧化碳传感器，对于冬天家里烧煤的很有帮助，可能你觉得你没有需要，但是你家里老人肯定需要，同时我还加了烟雾传感器，在我们离开家门的时候，时刻监测家中烟雾状态，如发生火灾，第一时间上传云端，云端再推送到手机，防患于未然。温湿度我还是采用训练营上课用的那个模块，虽然不怎么好焊，是和BGA芯片一样的，哭笑不得，别人用我也用吧，毕竟官方指定用品。声光报警，顾名思义，声音和光一起提示，防止误触发，我就采用了两个蜂鸣器，两个LED，由于PCB的面 积有限，我就采用了0805的封装。

     

      这里提一下，刚开始我学习画板喜欢用1206的封装，因为好焊接，后面元器件一多，1206就放不下了，我老师喜欢用0603，我都看不清，我还是老老实实用0805吧。大家刚开始学习画板的时候怎么喜欢怎么来，不一定要照别人的，经验是慢慢积累的。

   

     对于单片机，我建议刚刚入门的小伙伴还是用STC的吧，简单易懂，这次我本来是用STC15W4K56S4的（不要问为什么不用STM32，在写这文章的时候已经6美元每片了），后面查阅物联网相关资料的时候发现零妖也有一个温湿度物联网模块，他采用的是STC8A8K，刚开始我不知道什么原因，后面看到没有IIC的时候才知道，正好涂鸦直播的时候也是STC8A8K。只要ADC够就行，需要采集传感器和电池电压，当然，还得加2.5V基准电压源，不加也行，直接连MCU供的电，可能不准确，但是对于精度要求不高可以采用。还有一个随机而来的问题就是如果采用电阻分压采电池电压，那么电池会有一定的漏电电流，这也是一个问题所在，值得我们深入探究。

 

      然后就是对于供电这一块，我们可以采用市电转5V来帮整个模块供电，在暑假训练营里有个迷你的DC电源非常好用，我一开始打算用这个的，后来发现停电了是个大问题，于是我采用锂电池供电，那么锂电池供电带来的问题是充电怎么办，插拔很麻烦，麻烦是吧，我就上无线供电，本人以前研究过无线充电，还是熟悉的。想细看无线充电方案的可以到后面查看硬件具体分析。

 

      供电部分算是我整个设备中最难的问题了，由于我们锂电池电压充满只有4.2V，我们得考虑LDO的压降还有整个供电的压降，这次也是把最好的方案呈现给大家，同时感谢莫工对我电源部分布线的指导。原理图陆陆续续花了两天时间。希望大家能仔细看完

 

    对于整个项目的硬件部分和软件部分，我将仔细为大家介绍，为基础薄弱的同学补补课，如果我讲的有不对的地方，请在下方留言，如果觉得我讲的好，请帮我点赞！

 

 

1.3 关于我为什么要做这个智能家居监测仪

   

     故事还要从一个月前说起，农村的冬天经常用煤炭炉子，家母已年逾半百，行动也开始迟钝起来，我是家里唯一的儿子也是最小。母亲那天晚上把煤炭炉子放在电视机那个房间烘干衣服，就回卧室睡觉了，可是没有想到门没有关紧，一氧化碳全部涌进卧室。第二天早上，母亲一起来就倒在了地上，还好村里邻居发现不对劲，把我家门破开，将家母送往镇里的医院。我在长沙读书，家里就母亲一个人，三姐听闻母亲病倒之后连夜从广州赶回家里。还好发现的时间较早，母亲住了几天院就差不多恢复了。

   

     事后我问母亲怎么不注意，她笑着说：“人老了，不太中用了，还好这次没事，不然你们几个都要赶回来敲锣打鼓”。我那几天都不敢打开微信去看信息，生怕看到母亲病倒的样子。是啊，陪我读完初中，陪我读完高中，大学之后就很少回家，一转眼母亲就变小孩子口中的老奶奶了。一直忘记不了是母亲听说我保送后，问我到时候学费会不会很贵，是啊，我该更加努力一点，不要辜负母亲对我的爱。

 

      一直在想去开发一些好玩，好看，新奇的产品，却没有想到为家里人去开发一款他们能用得到的，借这次立创和涂鸦举办的训练营，做一款一氧化碳、烟雾监测仪，简简单单，却是一份重要的爱。看着母亲在厨房忙碌的身影，我心里感到温暖，希望能一直尝母亲做的菜，那么就为母亲做一个智能家居监测仪了！

 

 

智能家居监测仪预告片  https://www.bilibili.com/video/BV1X5411E78o/

 

 

 

2.1 硬件分析

 

 

1. 触摸按键模块
2. TTL下载电路
3. USB供电电路
4. 无线充电接收电路
5. 温湿度传感器电路
6. 锂电池充电及供电电路
7. 电池电压采样电路
8. MCU最小系统
9. ADC基准电压供电
10. 声光报警电路
11. 物联网模块
12. PCB设计方面注意事项
13. 焊接PCB方面注意事项

 

 

1. 触摸按键模块

 

触摸按键就是通过触摸金属片从而控制开断，这个触摸芯片的型号为RH6015，在立创商城上卖的非常便宜，输入电压5V和3.3V都可以选择，4脚和6脚为触发模式选择，我们可以查阅数据手册来进行设置。

 

 

2. TTL下载电路

 

TTL下载电路这边很简单，为CH340C数据手册上典型的电路，这里要注意的是V3引脚，在使用5V供电时要接退藕电容到地，还有就是TXD引脚，要接一个二极管或者电阻防止反向供电导致下载出现问题。

 

3. USB供电电路

当插上USB供电这部分我做了两路供电，第一路是ME6215 LDO，将5V转为3.3V为MCU供电，但是MCU下载时需要掉电，所以我又增加了AMS1117为CH340供电，我在ME6215的CE引脚上接了一个开关来控制芯片的使能从而控制下载电路。

 

4. 无线充电接收电路

 

无线充电这部分简单，但是也有讲究，准确来说这个是无线充电的接收端，四个二极管进行全桥整流，但是必须要用快恢复二极管（无线电能传输为高频电流），由于整流出来的电压较高，需要使用大电压的电容滤波，LOD也要选择大电压输入的。排针上就是插一条绕起的杜邦线，就是简单的无线充电接收线圈。

 

5. 温湿度传感器电路

 

温度传感器为SHT30，涂鸦官网推荐，数据接口为IIC，在电源端要加100nF退藕电容，防止电源噪声引起数据偏差。

 

6. 锂电池充电及供电电路

 

锂电池充电模块为经典的TP4056，这款芯片的3脚和2脚为充电电流设置，R20为1.2K时，电流达到最大1A。锂电池为整个电路供电部分采用的是ME6215，为什么用这个芯片呢，为什么不用AMS1117，因为AMS1117的压降较ME6215较大，锂电池充满电为4.2V，每1V的电压都非常宝贵，所以得采用压降较小的ME6215。在切换电池和USB供电的电路，我采用了P沟道的Mos管来切换，当未插入外接电源时，mos管g脚电压为低，mos管导通，当接入外接电源时，mos管的Vgs为关断电压，可以快速的在5V和内置的锂电池之间切换。由于mos导通压降非常的小（Rdson）所以不会过多的消耗锂电池的电量。

 

7. 电池电压采样电路

 

 

电池的电压需要我们去检测，检测有复杂的方法，也有简单的方法，简单的方法就是通过两个电阻分压，把4.2V分成2.1V给单片机采集，但是在电阻上长期以往会有一个漏电流，所以我采用了一个P沟道MOS管来开启电池和电阻之间的通断，以达到减少漏电流的作用。

 

8. MCU最小系统

 

单片机采用的是STC的8A8K系列，本来打算用15W4K64，但是由于15系列没有IIC接口，只有模拟IIC，所以我采用了官方推荐的STC8A8K，正好在物联网零妖的博客上有8A8K采集温度上传物联网的项目，而且8A8K的价格也很便宜。使用这个单片机注意的方面第一个是AVCC脚，就算你不用AVCC脚，也要接电源,第二个，在ADC输入需要滤波电容，最好用NP0电容。第三个是RXD和TXD，我们最好使用两个电阻，方便我们调试，防止串口出现问题我们无法进行修改和下载程序。

 

STC8系列单片机是不需要外部晶振和外部复位的单片机，是目前全球最快的8051 单片机(相同时钟频率)，比传统的8051约快12倍(速度快11.2~13.2倍)，依次按顺序执行完全部的111条指令，STC8系列单片机仅需147个时钟，而传统8051则需要1944 个时钟。STC8 系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/强抗静电/较强抗干扰的新一代8051单片机，超级加密。指令代码完全兼容传统8051。
       MCU内部集成高精度R/C时钟(+0.3%,常温下+25°C),-1.8%—+0.8%温飘(- 40°C—+85°C) ,-1.0%—+0.5%温飘(-20°C—+65°C)。ISP编程时5MHz~ 30MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路，ISP 编程时4级复位门槛电压可选)。
       MCU内部有3个可选时钟源:内部24MHz高精度IRC时钟(可适当调高或调低)、内部32KHz的低速IRC、外部4M~33M晶振或外部时钟信号。用户代码中可自由选择时钟源，时钟源选定后可再经过8-bit的分频器分频后再将时钟信号提供给CPU和各个外设(如定时器、串口、SPI等)。

内核

超高速8051内核(1T), 是全球最快的8051， 比传统8051约快12倍
指令代码完全兼容传统8051
22个中断源，4级中断优先级
支持在线仿真

工作电压

2.0V~5.5V
内建LDO

工作温度

-40°C~85°C

Flash存储器

最大64K字节FLASH空间，用于存储用户代码
支持用户配置EEPROM大小，512字节单页擦除，擦写次数可达10万次以上
支持在系统编程方式(ISP) 更新用户应用程序，无需专用编程器
支持单芯片仿真，无需专用仿真器，理论断点个数无限制

SRAM

128字节内部直接访问RAM（DATA）
128字节内部间接访问RAM（IDATA）
8192字节内部扩展RAM（内部XDATA）
外部最大可扩展64K字节RAM（外部XDATA）

时钟控制

内部24MHz高精度IRC (ISP编程时可进行上下调整)
申误差士0.3% (常温下25°C)
-1.8%~+0.8%温漂( 全温度范围，-40°C~85"C)
-1.0%~+0.5%温漂( 温度范围，-20°C~65°C )
内部32KHz低速IRC (误差较大)
外部晶振(4MHz~33MHz)和外部时钟
用户可自由选择上面的3种时钟源

复位

硬件复位
上电复位
复位脚复位(高电平复位)，出厂时P5.4默认为I0口，ISP下载时可将P5.4管脚设置为复位脚
看门狗溢出复位
申低压检测复位，提供4级低压检测电压: 2.2V、 2.4V、 V2.7、 V3.0
软件复位
软件方式写复位触发寄存器

中断

提供22个中断源: INT0、INT1、INT2、INT3、INT4、定时器0、定时器1、定时器2、定时器3、定时器4、串口1、串口2、串口3、串口4、ADC模数转换、LVD低压检测、SPI、IC、比较器、PCA/CCP/PWM、增强型PWM、增强型PWM异常检测
提供4级中断优先级

数字外设

5个16位定时器:定时器0、定时器1、定时器2、定时器3、定时器4，其中定时器0的模式3具有(不可屏蔽中断) 功能，定时器0和定时器1的模式0为16位自动重载模式
4个高速串口:串口1、串口2、串口3、串口4，波特率时钟源最快可为FOSC/4
4组16位PCA模块: CCP0、CCP1、CCP2、CCP3， 可用于捕获、高速脉冲输出，及6/7/8/10位的PWM输出
8组15位增强型PWM，可实现带死区的控制信号，并支持外部异常检测功能，另外还有4组传统的
PCA/CCP/PWM可作PWM
SPI: 支持主机模式和从机模式以及主机从机自动切换
I2C支持主机模式和从机模式

模拟外设

ADC，支持12位精度15通道的模数转换，速度最快可达800K (即每秒可进行80万次模数转换)
比较器，一组比较器附近

GPIO

最多可达59个GPIO: P0.0~P0.7、 P1.0~P1.7、 P2.0~P2.7、 P3.0 ~P3.7、 P4.0~P4.4、 P5.0~P5.5、 P6.0~P6.7、P7.0 ~P7.7
所有的GPIO均支持如下4种模式:准双向口模式、强推挽输出模式、开漏输出模式、高阻输入模式

 

9. ADC基准电压供电

 

ADC的基准电压采用的是TL431稳压芯片，在电源的输入端加入了磁珠和滤波电容，来抗干扰。在要求不是很精准的环境下，我们可以将VREF直接连VCC，但是VCC可能波动100mV左右，对于精准的模拟量测量就会产生极大的误差。这就是为什么我这里采用了TL431稳压芯片

 

10. 声光报警电路

 

报警电路很简单，就采用了三极管控制蜂鸣器的方式，用了两个蜂鸣器并联，提高响度。

 

 

11. 物联网模块

 

物联网模块采用的是涂鸦智能WB3S，这个模块使用注意的方面就是3脚为使能端，内部已经拉高处理，我们可以接电阻到3.3V。

下面为涂鸦物联网模块的参数

 

上图为一氧化碳和液化气传感器的价格一个8元左右，非常的划算

 

 

 

12. PCB设计方面注意事项

 

在PCB走线方面，首先我这个电路板的电源芯片比较多，所以我们要进行单点接地，提高我们供电系统的安全性。其次，5V和3.3V尽量往外绕圈，这样不仅仅可以提高布线效率，还可以减小检修难度。传感器接口尽量远离电源芯片，防止电源芯片的噪声干扰到传感器采集数据的精准度。最重要的一点还是wifi芯片下面不要敷铜，防止WiFi信号被地吸收。按键和LED是放在正面，其他主要零件都是放在背面，电池采用的是18650 3.7V。

这就是整个硬件方面注意事项，在后面调试过程中遇到的问题我会和大家分享。

 

13. 焊接PCB方面注意事项

 

 

 

3.1 程序分析

  在程序设计方面首先考虑的是传感器，传感器我买的是模拟与数字量同时输出的，所以我们要用到单片机的ADC采样，对于ADC采样还需要进行一步步校正。

#include "stc8.h"

#include "lcd1602.h"

#include "intrins.h" //ADC 特殊功能寄存器

sfr ADC_CONTR = 0xbc;

#define ADC_POWER 0x80

#define ADC_START 0x40

#define ADC_FLAG 0x20

#define ADC_RESFMT 0x20

sfr ADC_RES = 0xbd;

sfr ADC_RESL = 0xbe;

sfr ADCCFG = 0xde;

sfr P1M0 = 0x92;

sfr P1M1 = 0x91;

sbit BEEP = P3^4;

sbit LED = P3^5;

unsigned char Vo; //A/D转换后换算的电压值

void main() { LCD_Init(); //LCD初始化

P1M0 = 0X02;//配置P1.2口为ADC检测输入

P1M1 = 0X01;

while(1) { GetADCResult(0); //获取ADC值 LCD_Manifest(2,11,Vo/10);//显示十位 LCD_Manifest(2,12,Vo%10);//显示个位 if(Vo<15) {BEEP=1;LED=1;} else {BEEP=0;LED=0;} } }

/*---------------------------- Get ADC result ----------------------------*/

unsigned char GetADCResult(unsigned char ch)//这里如有不懂 请仔细看资料

{ //选择P1口的哪一口 这里的口和ch要对应才能达到选择该口

ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_START | ch ;//启动adc电源，开始A/D转换 ，配置采集口 //这么用语句的主要原因就是不能位寻址 //通道选择在后3位所以直接用一个整数表示ch //例如ch=6 那么对应的后三位就是110

_nop_(); //Must wait before inquiry

_nop_(); //设置ADC_CONTR寄存器后需加4个CPU时钟周期的延时，才能保证值被写入ADC_CONTR寄存器

_nop_(); _nop_();

while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG));//Wait complete flag 等待转化完成 ADC_CONTR &= ~ADC_FLAG; //Close ADC 将标志位清零等待下次硬件置1 //也可以写成 ADC_CONTR= ADC_CONTR & ( ~ADC_FLAG) //只读取8位ADC采集结果 并 以2.5v为基准进行换算 Vo=ADC_RES/2.5;//Return ADC result（为显示整数，这里将电压值计算为百分比） return Vo; }

 

以下是STC8A数据手册上关于ADC相关寄存器的说明：

 

上图为程序框架

 

 

下图为涂鸦lot平台调试设置

增加了一氧化碳浓度和烟雾浓度报警

下载SDK文件，将文件编译到我们mian函数中，具体操作查看涂鸦官网操作，

网址：https://developer.tuya.com/cn/docs/iot/device-development/embedded-software-development/module-sdk-development-access/module-sdk-development-guide?id=K9tjznxb6vf2x

哔哩哔哩官网视频：https://www.bilibili.com/video/BV1pb41117Nt

关于移植SDK，我们只需要将我们用到的功能一一对应起来即可，通过串口自动会将信息上传给涂鸦WB3S，物联网模块则将数据上发到我们云端。实现我们产品每一个功能。

我会将程序上传到附件供大家参考，大部分程序都是通过移植完成。

程序调试好之后我们需要在手机上下载一个APP来进行配网，由于篇幅原因，我不在阐述具体方式，根据自己选择的物联网模块来决定。

经过几天的软硬件联调，最终我们实现了功能。实现了一个理想的家居智能监测仪。

在对于报警的提示，我们可以购买短信包或者电话包，这样就不需要每时每刻去看数据，安全又方便

虽然短信是需要收费的，但是为了安全考虑，还是值得购买

 

 

 

测试视频将放在附件里面

 

4.1 项目感想

 

    关于这个项目设计过程中遇到的困难和想法和大家说说，首先是在传感器灵敏度上调节，高了低了都不行。其次是外壳上，因为气体要流入才能被传感器所感应，所以我在面板上开了孔。在按键上，左边两个按钮是弹簧，右边是普通的按键。在按键感觉上，普通按键似乎差了一点，但是在电路结构上必须采用。再一个是在电池切换上面做足了功课，大家可以到哔哩哔哩上面观看唐老师讲电赛，里面介绍了这种电路，我的无线充电也是根据他指导的一步步实现的，虽然无线充电很早之前做过，这次用到监测仪上也是非常不错的，方便省事。这次项目前前后后花了半个月时间，电路图画了两天，PCB画了一天，焊接调试陆陆续续十几天。虽然看似简单，却涵盖了大量电子知识，查阅了大量资料，比如在ADC采集供电需要滤波等等，等于我来说是受益匪浅的。

    在最后感谢立创与涂鸦智能带给我一次技术上的进步，在制作中成长了自己，希望以后还有机会参加！

    树欲静而风不止，子欲养而亲不待，我在这里祝愿2021年各位小伙伴们身体健康，阖家幸福，有时间常回家看看！