#第七届立创电赛#《枫》便携式桌面空气质量监测仪 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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1、简单易用,可快速上手

2、流畅支持300个器件或1000个焊盘以下的设计规模

3、支持简单的电路仿真

4、面向学生、老师、创客

专业版 professional

1、全新的交互和界面

2、流畅支持超过3w器件或10w焊盘的设计规模,支持面板和外壳设计

3、更严谨的设计约束,更规范的流程

4、面向企业、更专业的用户

专业版 #第七届立创电赛#《枫》便携式桌面空气质量监测仪

简介:⭐ 基于 N32G430C8L7 Nations国产单片机的 便携桌面空气质量监测仪 ,使用FREERTOS实时操作系统开发⭐

开源协议: CC-BY-SA 3.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2022-08-07 18:50:54
更新时间: 2024-03-12 00:52:55
描述

Portable tabletop air quality monitor

便携式桌面空气质量监测仪


最新版本:硬件版本:Ver2.0;件版本Ver2.3;

Hardware: 🔗OSHWHub | Firmware: 🔗GitHub

🤔前言: 


最近天气比较热,经常开空调不通风。由于长时间封闭房间内不通风会导致空气的二氧化碳比例上升。时间久了会犯困打瞌睡,导致工作效率降低。

我们每时每刻都在呼吸,一个人每天要大约要呼吸两万多次,每天至少要与环境交换一万多升气体,可见空气质量的好坏与人的健康息息相关。

以上,我诞生了一个制作了一款便携桌面空气质量监测仪的想法。

该便携桌面空气质量监测仪不仅实现了对空气中CO2的读取,还顺便实现了监测温湿度、TVOC、空气PM浓度、及空气悬浮颗粒物计数以及数据定时上报等功能。

 

关于PM2.5:环境空气质量指数:一级(0-50)、二级(51-100)、三级(101-150)轻度污染、四级(151-200)中度污染、五级(201-300)重度污染、六级(>300)严重污染。来源

关于TVOC:室内总挥发性有机物(TVOC)浓度单位为ppb时,当该数值长时间大于750ppb后,就可以建议开窗通风或采用其他空气治理方式进行治理。来源

关于CO2在大自然环境的空气中二氧化碳的正常含量是400 PPM(0.04%),室内环境的空气中二氧化碳的正常含量是400~800 PPM,在800-1200 PPM之间人会感到沉闷、困、精神疲劳,在1200 PPM以上会无法积极地工作下去。来源

📺外观展示


⚫面板展示:(客服发的,目前面板还没到货,到货后更新图片)

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先手动P一张效果图😉

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⚫成品正面照:

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⚫成品背面照:

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🎲项目属性


⚫本项目为首次公开、本人原创。

⚫此项目实测整机峰值功耗1W左右、工作时平均0.6W、充电功率3W。

⚫本项目使用FREERTOS实时操作系统开发。

 

⚠注意


⚫免责声明:本产品仅供学习交流,请勿将本产品用作安全或紧急停止装置,也不要用于产品故障可能导致人身伤害的任何其他应用场合。

SGP30传感器读数(TVOC、CO2)在初始化后人为向环境中添加酒精蒸气或氢气的影响下读数会异常。(来自数据手册)

SHT20传感器可能受周边元器件发热影响,温度可能会高1~4℃,需要进设置手动校准。(充电中TP4056芯片发热导致温度测量无意义).看来开槽都没用

 

📅项目迭代


项目进度:

2022/9/19:软件更新(v2.3):完善了部分功能设置、新增了设置保存功能、优化了按键控制体验、去除了部分无用变量、修复了一些已知问题。

2022/9/12:软件更新(v2.2):修复了OLED屏幕上电初始化失败问题、优化了IIC传感器读取、增加了主页显示内容。

2022/9/08:硬件更新:修复了Ch340干扰传感器发送数据的问题,现在只接了MCU的串口发送。修复了1.8V电平转换芯片OE引脚连接错误问题。

2022/9/05:完成作品软件2.0版本

2022/8/27:完成作品软件1.0版本

2022/8/14:完成作品硬件设计

2022/8/07:完成作品构思

 

📜开源协议


本项目硬件部分基于 CC-BY-SA 3.0 许可进行开源。

CC知识共享许可协议(英语:Creative Commons license的缩写。

BY:署名,您必须给出适当的署名,提供指向本许可协议的链接,同时标明是否(对原始作品)作了修改。

SA:相同方式共享,如果您 再混合、转换或者基于本作品进行创作,您必须基于与原先许可协议相同的许可协议分享发布您贡献的作品。

本项目固件部分基于 Apache License 2.0 许可进行开源。

 

🍭项目功能介绍


实时监测空气温度、湿度、二氧化碳、TVOC、空气PM1.0 PM2.5 PM10浓度、空气悬浮颗粒物数量(0.3/0.5/1.0/2.5/5.0/10纳米)。

设置-系统信息可查看各设置项的状态、固件版本、电池状态。

可以设置首页定时自动翻页、屏幕亮度、显示温度校准、省电模式、数据上报周期。

设置项保存在MCU内部Flash中,断电不丢失。

使用拨动开关控制电池供电。屏幕上方两个按键来控制,支持长短按。

通过0.96寸OLED屏幕实时显示空气各项参数。

可以根据场景调节传感器周期开启,进而降低功耗后续计划完成

通过ESP-01S可以实时上报各项参数。后续计划完成

 

🛠️硬件部分(硬核)


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📻电源部分:

电源输入部分:

电路图:

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◼USB-C端口的CC1&CC2分别5.1K电阻下拉。使用👉 PTVSHC1DF7VB & PRTR5V0U2X 👈对电路进行EDS保护。

 

锂电池&电池ADC部分:

电路图:

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◼本项目的开关(封装修改过)直接切断电池电源,电池使用1A左右保险丝。电池ADC采用10:1分压,并联电容消除抖动。

 

5V稳压供电部分:

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👉 SX1308 👈

机翻:SX1308是一个恒频,6脚SOT23电流模式升压变换器,用于小,低功率应用。SX1308开关频率为1.2MHz,允许使用微小、低成本的电容和高度不超过2毫米的电感。内部软启动导致小涌流,延长电池寿命。

SX1308具有轻负载时自动切换到脉冲频率调制模式的功能。SX1308包括欠压锁定、限流和热过载保护,以防止在输出过载时损坏。SX1308是一个小的6针SOT-23封装。

电路图:

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◼本次项目使用了SX1308作为5V的稳压供电输出控制,输出电压控制:(Vout=0.6V*(1+上分压电阻R13/下分压电阻R14)=5V)。

◼本次项目使用了PMOS用来在外部电源接入时切断电池供电使用外部供电给系统供电(因为PMOS的特性电压不会倒灌损坏电池),同时单独给电池充电。

❗需要注意的点:此部分电路需最先焊接检查,防止因为焊接原因导致输出异常电压损坏板子!

 

锂电池充电部分:

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👉 TC4056A 👈

TC4056A 是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其底部带有散热片的 ESOP8/DIP8 封装与较少的外部元件数目使得 TC4056A 成为便携式应用的理想选择。

电路图:

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◼本次项目需要根据自己的电池容量通过芯片数据手册来选择合适的电阻来进行限制充电电流。我选用了550mah的电池,所以把充电电流限制在了580MA(2脚PROG对地2K)。

 

📻主控部分:

传感器采集MCU:

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👉 N32G430C8L7 👈

N32G430C8L7 微控制器,产品采用高性能 32 位 ARM Cortex™-M4F 内核,集成浮点运算单元(FPU)和数字信号处理(DSP),支持并行计算指令。最高工作主频 128MHz,集成高达64KB片内加密存储Flash,并支持多用户分区权限管理,支持16KB 的嵌入式 SRAM。内置一个内部高速 AHB 总线,两个低速外设时钟总线 APB 及总线矩阵,支持40个可复用 I/Os,提供丰富的高性能模拟接口,包括1个12位 4.7Msps ADC,支持16个外部输入通道和3个内部通道,同时提供多种数字通信接口,包括 4个U(S)ART、2个I2C、2个SPI/I2S、1个CAN 2.0B通信接口。N32G430C8L7 微控制器产品可稳定工作于-40°C 至+105°C的温度范围,供电电压2.4V至3.6V,提供多种功耗模式供用。

电路图:

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◼本次项目采用了 N32G430C8L7 微控制器,第一次使用国产单片机开发,移植操作系统。感觉跟STM32开发区别不大。

❗需要注意的点:芯片的每个电源的引脚都需要在附近接一个100nF的去耦电容,芯片的1脚需要接4.7uf的旁路电容

 

WIFI联网上报模组:

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👉 ESP-01S 👈

ESP-01S 是由安信可科技开发的Wi-Fi模块,该模块核心处理器 ESP8266 在较小尺寸封装中集成了业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU,带有 16 位精简模式,主频支持 80 MHz 160 MHz,支持 RTOS,集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA

ESP-01S Wi-Fi 模块支持标准的 IEEE802.11 b/g/n 协议,完整的 TCP/IP 协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能,也可以构建独立的网络控制器。

ESP8266 是高性能无线 SoC,以最低成本提供最大实用性,为 Wi-Fi 功能嵌入其他系统提供无限可能。

电路图:

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◼本项目的想法是在后边加一个定时上报的功能,通过拉低引脚的电平给MCU一个信号,MCU通过串口来发送现在的空气质量信息给ESP-01S。

❗需要注意的点:模组的6(EN)7(RST)引脚需要分别接10K电阻上拉,3(IO0)下载/运行选择引脚保持悬空或者10K电阻上拉。

 

📺显示器:

OLED显示:

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👉 0.96OLED 👈

本模块采用 SSD1306 为主芯片,像素为 128*64,通讯方式为 IIC,地址可选(默认地址 0x78),接口简单,模块带有稳压芯片,支持 3.3V~5V 电压供电,上电自动复位,自发光自由视角,功耗低。

 

📈传感器:

悬浮颗粒物浓度传感器:

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👉 PMS7003 👈

PMS70XX 系列是一款超薄数字式通用颗粒物浓度传感器,可以用于获得单位体积内空气中悬浮颗粒物个数,即颗粒物浓度,并以数字接口形式输出。本传感器可嵌入各种与空气中悬浮颗粒物浓度相关的仪器

仪表或环境改善设备,为其提供及时准确的浓度数据。

电路图:

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◼上图的R5在本次项目不需要焊接;R21焊接0R电阻。

◼在本次项目开发时为出厂默认模式(自动上报)用串口中断的方式接收数据,所以在不需要控制上报频率的场景只用接一根串口线接收数据就行了。

❗需要注意的点:传感器的控制引脚直连单片机,不加电阻!默认传感器开机10S后就自动向串口(9600bps)上报数据。

 

TVOC/eCO2监测传感器:

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👉 SGP30 👈

SGP30 是一款数字多像素气体传感器,设计用于轻松集成到空气净化器、按需控制通风和物联网应用中。Sensirion的CMOSens® 技术在单个芯片上提供完整的传感器系统,具有数字I2C接口,温控微型加热板和两个预处理的室内空气质量信号。作为首款在一个芯片上集成多个传感元件的金属氧化物气体传感器,SGP30 提供了有关空气质量的更多详细信息。

电路图:

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◼上图电路使用了德州仪器的电平转换芯片👉TXS0102DCUR 👈,具备体积小的优点。

◼使用1.8V电平,通过IIC跟这款传感器通信,这传感器挺难伺候的,要求每隔1S获取一次数值进行自校准。

❗需要注意的点:请使用1.8V的LDO配合电平转换芯片来使用这颗传感器。为保证传感器精度请在焊接时请使用低温快速完成焊接以及避免使用洗板水

 

温湿度传感器:

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👉 SHT20 👈

SHT20 是一款集成了电容式湿度和带隙温度的传感器,部集成在单个 CMOSens®芯片上。这在精度和稳定性以及最小的功耗方面产生了无与伦比的传感器性能。每个传感器都经过单独校准和测试。批次标识打印在传感器上,电子识别码存储在芯片上 - 可以通过命令读出。此外,SHT2的分辨率可以通过命令更改(RH/T为8/12位至12/14位),校验和有助于提高通信可靠性。

电路图:

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◼使用3.3V电平,通过IIC跟这款传感器通信,用起来挺方便。

❗需要注意的点:此传感器对板子温度非常敏感,需挖槽隔热。焊接时用纸片挡住传感器窗口避免被松香熏到,为保证传感器精度请使用低温快速完成焊接以及避免使用洗板水

 

⚙️软件部分(软核)


软件使用FREERTOS系统开发。软件源码全部开源,推荐在🔗GitHub下载(如果能点个STAR⭐就更好了😉)

功能思维导图:

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软件思维导图:

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🧻BOM清单


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🎨大赛LOGO验证


 

📺项目演示视频


初版视频

设计图
原理图
1 /
PCB
1 /
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