基于梁山派的环境检测仪 - 嘉立创EDA开源硬件平台

一、功能（原理）介绍

1.数据显示------1.69寸LCD显示屏

2.温度、湿度数据采集------AHT21传感器

3.有害浓度采集------AGS10传感器

4.电池充电及5V升压供电------TP5400充电芯片

5.数据上传云端------EC-01F  4G（NB-IOT）模块

6.数据异常报警------贴片蜂鸣器

7.小夜灯------1W LED灯珠

8.电量显示------电阻分压、ADC采集

9.从机显示------NF-03 2.4G模块

10.大气压数据采集------WF-183D

以上功能是在设计电路板的时候设计的，理论上都可以实现，但由于本人焊接技术不到位，导致气压传感器焊了两个都以失败告终，遂放弃；至于从机显示，由于手里仅有一块梁山派，且时间有限，将这一功能搁置了，其他功能均可实现。

 

 

 

 

 

 

二、硬件部分

 

1.屏幕显示电路

  屏幕使用是的1.69寸的LCD屏幕，分辨率为280x240，分辨率还是算比较高了，可以清楚的将内容显示出来。电路图中，信号线接梁山派的IO口，LEDA为屏幕背光正极，20欧姆电阻为限流电阻，LEADK为背光负极，需要接地，背光才能亮，才能看清楚屏幕上的内容；为了方便对屏幕进行亮度调节，在LEDK与地之间接了一个NMOS，用于后面进行pwn调光（亮度调节）。

 

 

 

2.TP5400充电及升压电路

  在有限的空间里，一般使用的是3.7V的软包锂电池，通常使用TP4056进行充电；而梁山派需要用5V供电，因此通常需要在3.7V的基础上进行升压，需要增加一个升压电路。而TP5400将电池升压和充电结合起来，外围电路也比较简单，因此采用TP5400充电电路。其中STDBY#和CHRG#充电指示灯，CHRG#代表的是充电中，为了节省空间和元器件，便省略了充电完成的提示灯，因此，熄灯则表示已充满。

 

 

 

3.有害气体浓度传感器电路

  这个电路比较简单，但根据手册上的内容知道，此传感器的工作电压为3.0正负0.1V，因此此传感器对电压有特定要求，不能直接将3.3V怼上去，不然传感器就要罢工了；这里使用一个肖特基二极管，产生0.3V左右的压降，刚好可以满足要求。

 

 

 

 

4.温湿度传感器电路

  采用I2C通信，为了保证总线正常工作，因此在信号线与电源之间接了上拉电阻。

 

 

5.蜂鸣器电路

  使用的无源蜂鸣器，利用pwm驱动mos管，进而驱动蜂鸣器（改变pwm的频率可以改变蜂鸣器的音调，无源蜂鸣器不能由直流3.3V驱动）

 

 

6.电压测量分压电路

  为了能清楚的了解到电池电量多少，就可以及时充电，避免因电池突然没电而失措；梁山派IO的采样精度是比较高的，可以满足采集电压的需求；同时由于IO口测量的电压不能超过3.3V，而电池电压满电为4.2V，因此需要对所测电压进行分压，使用两个10K电阻进行分压，分压之后最大电压为2.1V，满足测量要求。

 

 

 

7.开关电路

  由于分压电路测量的是电池电压，而拨动开关控制的是5V电压部分，也就是说即使关闭了5V开关，分压电阻也会消耗电池电量，这样可能导致下次使用时电池已经没电了；如果再增加一个拨动开关又会浪费空间，甚至比较麻烦，可能会关机时忘关，或者测量时忘开，非常不人性化；因此为了能达到分压电阻的开与关都与5V开关同步的目的，分压电阻与地之间加了一个NMOS，由5V开关控制，这样既能解决上面开关不方便的问题，同时比较节省空间。

 

 

 

8.小夜灯电路

  为了方便在某些需要灯光，但是又忘记带照明工具的情景；使用的为1W亮度的LED灯，其亮度胜于手机，甚至可与台灯娉美；根据供电需求知其需要3~3.3电压即可工作，可以采用5V供电，电阻分压的方法，但是这样会由于电流较大，导致电阻发热严重，需要大封装电阻，且根据欧姆定律知，电阻上会损失较多的能量，因此摒弃了这种方法，采用3.3V恒压供电，由于梁山派上的3.3DC降压给多路元件供电，且LED需要较大的电流，因此需要再增加一个降压电路，如下图所示。在LED与地之间接了NMOS，便于对LED灯进行PWM调光。（程序里设置了8个亮度，频率为10KHZ）

 

 

 

9.按键电路

  用于各个数据显示的查看，及对菜单的设定

 

 

 

 

10. 4G模块电路

   主要包括4G模组，卡槽，NF天线部分，其中的33PF电容，22Ω电阻，用于检测SIM卡是否存在，比较重要，不能省略。

 

 

 

 

11. 2.4G模组

    用于将数据传输至从机，在从机上查看。

 

 

 

 

12.气压传感器模块

  用于采集气压数据，使用串口通信。

 

 

 

 

 

 

三、软件部分

1.屏幕显示部分

  屏幕引脚初始化配置

 

  pwm背光函数，用于调节屏幕亮度

 

 

  汉字显示函数，显示对应大小的汉字，汉字由取模而来（如下图所示）

 

  图片显示函数（由取模软件而来，如下图所示）

 

 

 

 

2.温湿度传感器

    温湿度传感器初始化

  

   温度、湿度采集

 

 

4.按键部分

  按键初始化

    按键数据获取，若按键按下，对应标志位变为1

  按键标志获取函数

 

 

 

 

5.定时器定时按键扫描，电压采集

  定时器6初始化

 

  每20ms采集一次按键数据，每5s采集一次电压数据

 

 

6.数据上传云端

  4g模块引脚初始化，串口2初始化

 

  连接阿里云，开启订阅，为数据传输做准备

 

  若数据上传开关打开，则每隔一定时间进行数据上传，若断网，则自动进行重连

 

注：可能由于天线影响，将天线放在外壳外，可以使用，若置于壳内，可能会导致没有信号，数据上传失败！！！

 

 

7.蜂鸣器

    对应引脚pwm功能初始化

 

 

  蜂鸣器使用函数，在里面输入脉冲值和周期即可使用，改变其中任意一个值，均会导致频率发生变化。

 

 

 

8.LED亮度调节

    LED亮度调节也采用PWM调节方式，因此第一步仍是对引脚进行初始化，开启引脚复用功能

 

    pwm参数配置函数，主要配置频率，频率太低闪烁会比较明显，且对眼睛不友好，因此这里配置的参数和屏幕背光亮度调节参数相同，均为10KHZ

 

   LED亮度调节，调节的内容为timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2,TIMER_CH_0,pwmld);的占空比，即pwmld的大小

 

 

 

 

9.电压采集

  引脚配置及ADC初始化

 

   电压ADC采样及转换为相应百分比

 

 

10.主程序、菜单界面

    为了让界面看起来简约，“美观”，将显示界面进行优化，且便于人机交互，因此采用了类似于LVGL的菜单格式，由于本人太菜，没学会使用LVGL，因此使用了平替的手搓菜单，用标志位判断显示界面。

 

 

 

 

 

 

四、实物展示

  PCB正面

   PCB反面

 

 

 

 

 

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