kigurumi头壳电磁锁控制板

本项目是为Kigurumi头壳设计的基于 STM32C011F6P6 的双路电磁锁控制板，支持双触摸解锁、超级电容储能脉冲驱动、USB/电池双电源自动切换、三级低功耗管理。
固件开源仓库：https://github.com/quarkInQuantum/kigurumi_EMlock_control_board

1. 项目简介

本项目是一款用于kigurumi头壳的双路电磁锁控制模块。由于现在的锂电池不方便带上飞机，同时也有锂电池爆燃的风险，我自己不是很想往头壳里塞锂电池。因此使用超级电容方案解决电磁锁开锁瞬时大电流（5V 4A）的问题。通过两个 TTP223 触摸传感器实现双触摸解锁（防误触），支持 9V 碱性电池和由充电宝等设备提供的USB 5V外部电源的双电源输入。

主要特性

特性	说明
双触摸解锁	两路 TTP223 触摸传感器必须同时触发并保持 1 秒
超级电容储能	5.5V/5F 超级电容通过 BQ25173 充电，可提供锁驱动大电流脉冲
双电源输入	USB 5V + 9V 电池盒，TPS2116 自动切换，优先 USB 供电
三级低功耗	RUN → STOP0 浅睡（1 秒空闲） → STOP0 深睡（8 小时空闲）
蜂鸣反馈	不同蜂鸣模式区分操作状态
串口通信	115200bps UART 二进制协议，支持 OTA 固件升级
电池监测	ADC 监测 9V 电池电压，低电量蜂鸣警告

2. 电路架构

flowchart LR
    subgraph 输入电源
        USB[USB 5V]
        BAT[9V 电池]
    end

    BAT --- MP2322[MP2322 Buck<br />9V→5V_BAT]
    MP2322 --- 5VBAT[5V_BAT]

    USB --- TPS2116[TPS2116<br />双电源切换<br />优先 USB]
    5VBAT --- TPS2116

    TPS2116 --- 5VCHG[5V_CHG]
    5VCHG --- TMI3101D[TMI3101D LDO<br />5V→3.3V]
    5VCHG --- BQ25173[BQ25173<br />超级电容充电]

    TMI3101D --- V33[3V3]

    BQ25173 --- SC[5.5V/5F<br />超级电容]
    SC --- MOS[MOSFET 锁驱动<br />AONR21357 + TPNTA4153]

    V33 --- MCU[STM32C011<br />主控 MCU]

    MCU ---|PA0/PA1 EXTI| TOUCH[TTP223 ×2<br />触摸传感器]
    MCU ---|PA5 OUT_CTRL| MOS
    MCU ---|PA7/PA8 GPIO| LOCK[电磁锁 ×2<br />XG4031B]
    MCU ---|PA4 TIM14 PWM| BUZZ[蜂鸣器<br />FUET-4020]
    MCU ---|PA11/PA12 USART1| UART[UART 串口<br />115200 8N1]

    LOCK ---|SW 反馈| MCU
    MOS ---|VCAP 脉冲| LOCK

3. 核心芯片选型

位号	芯片	封装	功能
U1	STM32C011F6P6	TSSOP-20	主控 MCU，Cortex-M0+ 48MHz，32KB Flash，6KB RAM
U2	TPS2116DRLR	SOT5X3-8	双电源自动切换器，VIN1=USB_5V, VIN2=5V_BAT，优先 VIN1
U3	BQ25173DSGR	WSON-8	超级电容充电 IC，最大 800mA 充电电流，STAT 开漏输出
U4	TMI3101D	WSON-6	3.3V LDO，输入 5V_CHG，最大 300mA
U5	MP2322GQH	QFN-8	同步降压转换器，9V 电池 → 5V，最大 1A
Q1	AONR21357	DFN-3×3	P-ch MOSFET，-30V/-12A，锁驱动输出开关
Q2	TPNTA4153NT1G	SOT-523	N-ch MOSFET，20V/800mA，电平转换驱动 Q1 栅极
D1,D2,D3	BAT60B	SOD-323	肖特基二极管，3 颗：蜂鸣续流 + 锁续流 ×2

4. 外设与接口

4.1 接线端子（全部采用 ZH1.5 系列）

位号	型号	引脚	连接对象
P1	ZH1.5-4P 卧贴	5V_IN, GND, PA10(RX), PA9(TX)	USB-TTL 串口模块
P2	ZH1.5-4P 卧贴	3V3, GND, SWCLK, SWDIO	SWD 调试/烧录器
P3	ZH1.5-2P 卧贴	VBAT(9V), GND	9V 电池盒
P4	ZH1.5-3P 卧贴	3V3, GND, TOUCH1	TTP223 触摸模块 #1
P5	ZH1.5-3P 卧贴	3V3, GND, TOUCH2	TTP223 触摸模块 #2
P6	ZH1.5-4P 卧贴	LOCK+, GND, GND, SW1	电磁锁 #1（XG4031B）
P7	ZH1.5-4P 卧贴	LOCK+, GND, GND, SW2	电磁锁 #2（XG4031B）

> 注意：电磁锁端子线请选用 26AWG 的 ZH1.5 成品端子线，确保可承载脉冲大电流。

4.2 外购模块与配件

物料	链接	备注
TTP223 触摸模块 ×2	淘宝链接	3.3V 供电，焊盘间距适配 ZH1.5-3P
XG4031B 电磁锁 ×2	淘宝链接	5V 脉冲驱动，带常闭触点（SW 反馈）
9V 电池盒	淘宝链接	带 DC 插头（剪头接 ZH1.5-2P）
南孚 6LR61 碱性电池	市售	测试用 9V 电池，不可充电

5. 储能与电源设计

5.1 超级电容储能

规格：5.5V / 5F 超级电容（1 颗，CHP5R5L505R-TW，引脚间距 15.5mm）
焊接时请提前弯折引脚
充电管理：BQ25173DSGR 线性充电 IC
- 最大充电电流由 R9 (3KΩ) 设定 ≈ 100mA
- 充电终止电压由 R8 (604K) + R11 (115K) 分压设定 ≈ 5.0V
- STAT 开漏输出（外接 10K 上拉至 3V3）：HIGH = 充电中，LOW = 充电完成
放电控制：通过 Q1 (AONR21357) P-MOS 开关，栅极由 Q2 (TPNTA4153NT1G) 驱动
瞬态支撑：关闭充电器 → 使能锁输出 → 300ms 脉冲 → 关闭锁输出 → 恢复充电

5.2 双电源切换（TPS2116）

模式	说明
外部 5V 插入	自动选择 VIN1 (USB)，VOUT=5V_CHG ≈ 5V
外部 5V 断开	自动切换 VIN2 (9V 电池经 MP2322 → 5V_BAT)
切换阈值	PR1 引脚分压：R6 (39K) + R7 (10K) → 输入电压高于4.9V自动切换为VIN1

5.3 9V 电池降压（MP2322）

MP2322GQH 将 9V 电池降压到 5V_BAT
输出电压由 R18 (1.72M) + R21 (220K) 分压设定 ≈ 5.3V

5.4 3.3V 开关电源（TMI3101D）

输入：5V_CHG
输出：3V3（供给 MCU、触摸模块、蜂鸣器逻辑）

5.5 电池电压监测

VBAT (9V) → R1 (1M) → VBAT_ADC (PA2) → R2 (100K) → GND
分压比：100K / (1M + 100K) = 1/11
12 位 ADC (VREF=3.3V)：ADC 读数 < 800 对应电池电压 < 约 6.0V → 低电量警告
注意此处由于低功耗考虑总阻值较大，为了保证SAR ADC正常工作并联了1uF电容，会导致实际ADC数值非线性。请参考配套代码中的非线性修正。

6. 外设详细说明

6.1 触摸传感器

两个 TTP223 模块分别接到 P4 (TOUCH1/PA0) 和 P5 (TOUCH2/PA1)
MCU 通过 EXTI 上升沿/下降沿中断检测触摸状态
固件中 GPIO 电平重同步防止中断丢失（消抖）
双触摸解锁逻辑：两个触摸必须同时保持 1 秒 → 确认 → 检测超级电容是否充电完成 → 300ms 脉冲开锁

6.2 电磁锁驱动

驱动电路：P-ch MOSFET (AONR21357) 由 N-ch (TPNTA4153NT1G) 电平转换
- PA5 (OUT_CTRL) HIGH → Q2 导通 → Q1 栅极拉低 → Q1 导通 → 超级电容 VCAP → LOCK+
续流保护：每个锁通道 1 颗 BAT60B 肖特基二极管（共 2 颗）
锁状态反馈：XG4031B 内置常闭触点 → SW1 (PA7) / SW2 (PA8)
- 锁关闭（柱塞伸出）→ SW 低电平
- 锁打开（柱塞缩回）→ SW 高电平（通过 100K 上拉至 3V3）

6.3 蜂鸣器

型号：FUET-4020（MLT-4020H-SMD 封装）
驱动：S8050 NPN 三极管
PWM 信号：TIM14_CH1 (PA4)，1kHz，50% 占空比
D1 (BAT60B) 蜂鸣器线圈续流保护

6.4 SWD 调试接口

P2 (ZH1.5-4P)：3V3, GND, SWCLK (PA14), SWDIO (PA13)
SWCLK 外部 10K 下拉 (R4)，同时作为BOOT0下拉电阻

6.5 串口通信

P1 (ZH1.5-4P)：5V_IN, GND, PA10(RX), PA9(TX)
使用 PA11/PA12 引脚重映射实现 USART1_TX/RX
波特率 115200，8N1，DMA + IDLE 中断接收
二进制协议：XOR 校验，支持读状态、写标志、复位跳转 Bootloader

7. PCB 设计

项目	参数
尺寸	40mm × 23mm
层数	2 层 (Top + Bottom)
板厚	0.8mm
铜厚	1oz
最小线宽/间距	6mil / 6mil
过孔	0.3mm 孔径 / 0.5mm 外径

8. 软件资源

8.1 固件

仓库：本项目关联固件工程
开发环境：STM32CubeMX + GCC (arm-none-eabi)
协议文档：docs/uart_protocol.md（串口通信协议详细说明）
低功耗：支持 STOP0 模式，深睡功耗 < 5μA

8.2 固件更新

通过 UART 命令设置 RESET_EN → 发送 RESET 命令 → MCU 写 BKP 魔法字后复位 → 跳转 System Memory Bootloader → 主机通过 STM32 系统 Bootloader 协议烧录固件

9. 连接指南

9.1 接线图

┌──────────────────────────────────────────────────┐
│                  电磁锁控制板 V2                    │
│                                                    │
│  P1 [USB-UART]  ────  USB-TTL 模块                │
│  P2 [SWD]       ────  ST-Link / J-Link           │
│  P3 [BAT]       ────  9V 电池盒                   │
│  P4 [TOUCH1]    ────  TTP223 模块 #1             │
│  P5 [TOUCH2]    ────  TTP223 模块 #2             │
│  P6 [LOCK1]     ────  XG4031B 电磁锁 #1          │
│  P7 [LOCK2]     ────  XG4031B 电磁锁 #2          │
│                                                    │
└──────────────────────────────────────────────────┘

9.2 端子线选型

接口	ZH1.5 规格	线径建议	成品端子线
P1 (UART)	ZH1.5-4P 公头	28AWG	市售成品
P2 (SWD)	ZH1.5-4P 公头	28AWG	市售成品
P3 (电池)	ZH1.5-2P 公头	28AWG	可剪 9V 电池盒 DC 头焊接
P4/P5 (触摸)	ZH1.5-3P 公头	28AWG	市售成品
P6/P7 (电磁锁)	ZH1.5-4P 公头	26AWG	注意找 26AWG 成品线