基于 STM32F030 的无线电子温度计（上）
60 多年过去了，尽管辉光管已经停产，有很多工程师仍然对它情有独钟。我用 8 块液晶显示屏制作了一个拟辉光管时钟，感受复古元素的美感，表达对过去经典的敬意。
这个项目缘起我家娃生病时，总是不愿意量体温。传统的水银温度计测量温度慢，孩子总是问“好了没？”，等得着急了就把温度计拿出来了，功亏一篑，父母更是崩溃。所以我就希望有一个便宜好用、测量精准、测量速度快的温度计。作为一名工程师的我决定自己做一款。“你的温度，我来守护”，这是我的初心。
应用场景和主要功能
温度计应用场景如下。
● 解决儿童生病时不愿意配合量体温的问题。
● 适用于儿童体温需要实时监测的情况。
● 适用于儿童睡觉时测量体温。
主要功能如下。
● 精度高，误差小于 0.1℃。
● 带有显示屏。
● 支持蓝牙传输，支持 BLE 和
SPP，既可以连接手机，也可以连接
计算机。
● 运行时间长，可以连续使用12h 以上。
● 使用便捷，不需要经常拿出来看温度，可直接通过手机或计算机接收温度和电量提示。
● 可以 DIY 设置报警功能，方便看护儿童时实时了解体温情况。
总体设计
本 设 计 使 用 3.7V 锂 电 池 为 系统 供 电， 经 LDO 降 压 到 3.3V 后 给MCU供电，MCU与OLED显示电路、锂电池充放电电路、温度传感器电路、蓝牙传输电路进行连接，无线温度计系统框架如图 1 所示。
图 1 无线温度计系统框架
硬件设计
这样一个功能丰富的无线温度计是如何设计出来的呢，接下来我将逐一介绍每个模块。
电源
在电源的选用上，该系统选用3.7V 可 充 电 锂 电 池， 通 过 TP4057芯 片 进 行 充 电， 后 经 过 LDO 芯 片XC6220B331MR-G 将 电 压 转 为3.3V，给 MCU 和外围元器件供电。为什么要选用 TP4057 这个芯片
呢？因为这个芯片具有如下特点。
● 封装小，节省空间。
● 充电快，最大充电电流可配置为 1A。
● 价格足够便宜。
这 里 要 注 意 LDO 的 选 择， 一定要选择具有超低压差的，因为锂电 池 随 着 工 作 的 时 间， 供 电 电 压会 从 4.1V 慢 慢 降 低， 直 到 供 电 不足，导致系统无法工作。这是选择XC6220B331MR-G 这 个 芯 片 的 原因，即使是 20mV 的压降，也可以提供 100mA 的电流，对于这个系统供电电流足够使用。
我们对电源进行详细分析。首先是系统充电接口，本项目通过 USB Type-C 接 口 充 电，USB Type-C接口电路如图 2 所示。
图 2 USB Type-C 接口电路
然后通过 USB Type-C 接口给TP5057 芯片供电，充电电路如图 3所 示。LED1 和 LED2 是 系 统 充 电状态指示灯，当系统充电时，LED1灭，LED2 亮；当系统充电完成时，LED1 亮，LED2 灭。电阻 R3 作为充电电流限制电阻，最大充电电流限制为 500mA，可以根据系统需求更改此阻值。
图 3 充电电路
最后是电源的其他部分，系统开关、锂电池及电量检测电路如图 4所示。
图 4 系统开关、锂电池及电量检测电路
VT1、VD1 和电阻 R4 构成了电源选通网络，工作具体原理如下。
● 当 USB Type-C 接 入 时，VCCIN 约 为 5V 输 入 电 压， 此 时VT1 不导通，BAT 无法通过 VT1 输出到 VOUT，但 VD1 工作并导通，VCCIN 经过 VD1 输出到 VOUT。
● 当 USB Type-C 没有接入时，VCCIN 由电阻 R4 下拉接 GND，使VCCIN 为低电平，VT1 进行工作并导通，BAT 通过 VT1 输出到 VOUT。注意此时 VD1 可以防止 VOUT 反向输入给 VCCIN。
锂 电 池 通 过 电 阻 R11、R13、R12 和电容 C17 进行电量采集，BAT经过电阻 R11 和 R12 分压，ADC 采集的电压为 BAT 的一半。为什么要进行分压呢？原因是锂电池最高电压可以达到 4.2V，若不进行分压，则超过MCU 的 ADC 测量范围（0~3.3V）。
H7 为电池的排针接口，SW1 为系统供电开关。
系统的大部分元器件工作电压不超过 3.3V，为了保护元器件和确保元器件能正常工作，需要将工作电压转为 3.3V，转换电路如图 5 所示。
图 5 LDO 转 3.3V 电路
主控
系统主控采用STM32F030C8，我选择该芯片的原因如下。
● 功 耗 低、ARM Cortex-M0内核。
● 便宜 , 降低成本。
● 外设丰富，足够本项目使用。
STM32F030C8 属于 STM32F030x4/x6/x8/xC 系 列， 该 系 列 芯片集成了以 48MHz 频率运行的高性能 32 位 RISC 内 核、 高 速 嵌 入 式存 储器（256KB 的闪存和 32 KB 的SRAM）以及增强型外部设备和 I/O。所有元器件均提供标准通信接口、1 个 12 位 ADC、7 个通用 16 位定时器和 1 个高级控制 PWM 定时器。STM32F030x4/x6/x8/xC 系列芯片工作温度为－40~+85°C，电源电压为 2.4~3.6V。该系列微控制器包括 4 种不同封装的元器件，从 20 个引脚到 64 个引脚。这些特性使STM32F030x4/x6/x8/xC 系 列 芯片适用于广泛的应用，如手持设备、A/V 接 收 器 和数字电视机、游戏和GPS平台、逆变器、打印机、扫描仪、报警系统和可视对讲机等。
本项目中该主控实现以下功能。
● ADC 采 集， 即 检 测 锂 电 池电量。
● 串口通信，控制蓝牙芯片，进行数据发送。
● I 2 C 通信，进行温度传感器的配置和初始化，最重要的是读取温度。
● I2C 通信，控制显示屏，显示电量、蓝牙连接状态、测量时长等。
● 其他可扩展功能。MCU 主控电路如图 6 所示。
图 6 MCU 主控电路
蓝牙
本项目蓝牙部分采用KT6368A，这是一款支持蓝牙双模的纯数据芯片，选择这款芯片最大的原因是成本低、使用简单、生产简单，大大降低了开发难度。该芯片同时支持 SPP 和 BLE ，但是只能任选其中一个协议使用。蓝牙电路如图 7 所示。
图 7 蓝牙电路
图 7 中， 电 阻 R6、R8 串 联 可以 防 止 漏 电， 避 免 异 常 情 况 发 生。LED 指示蓝牙连接状态。需要注意：
KT6368A 芯片开机需要初始化外部设备，其瞬间电流比较大，可达 25mA，时间维持 300ms，之后就进入 5mA 工作状态。芯片上电后，会自动校准时间，程序中需要设置延时后处理。
显示屏
显 示 屏 用 的 是 国 产 汉 昇 0.91英 寸 OLED 模 块， 具 体 型 号 为HS91L02W2C01。该显示屏分辨率为 128 像素 ×32 像素，主控芯片为SSD1306，接口类型为 I2C。整体尺寸如 8 图所示。
图 8 显示屏尺寸
为什么选择这个模块呢？首先是价格便宜，其次是尺寸合适，刚好可以 显 示 4 行， 能 满 足 需 求。该 模 块通过 I2C 接口与 MCU 连接，模块已 内 置 电 阻， 因 此 OLED_SDA 和OLED_SCK 网络不需要添加上拉电阻。显示屏与 MCU 连接电路如图 9所示。
图 9 显示屏与 MCU 连接电路
温度传感器
为了验证效果，我选择了两款温度传感器，这两款传感器精度高且便宜，非常具有性价比。下面简单介绍一下。
第一种是 T117 传感器，具有超低温测温（-103℃）功能，测温精度为 ±0.1℃，使用 I2C 和单总线数字输出，测温速度最快为 2.2ms，支持4路I2C 通信地址；超低功耗（电流为2μA），宽电压供电 1.8~5.5V，大小为 2mm×2mm×0.75mm，DFN-6L封装，内置 112bit EEPROM。其广泛应用于智能穿戴设备、体温计、动物体温检测设备、医疗电子设备、热表 /气表 / 水表等。
第 二 种 是 MTS4 传 感 器， 其 采用 I2C 协 议 数 字 输 出， 可 同 时 兼 容数字单总线，测温精度为 ±0.1℃，测 温 速 度 可 配 置 为 15.3ms、8.5ms、5.2ms、2.2ms， 具 有 超低 功 耗（ 电 流 为 3.1μA）， 大 小 为1.6mm×1.2mm×0.55mm，DFN-4L封装，内置 112bit EEPROM，广泛应用于小型的智能穿戴设备、电子体温计、动物体温检测设备、医疗电子设备、冷链物流设备、热表 / 气表 / 水表等。
需要注意的是这两款传感器都是 DFN 封装，手工焊接需要一定技巧和经验。两款温度传感器电路如图 10 所示。
图 10 两款温度传感器电路
本 项 目 分 别 焊 接 了 T117 和MTS4 传感器。经测试，两种传感器性能基本一致，建议使用 T117 传感器，一是该传感器价格稍微便宜，二是手工焊接相对容易。
原理图及PCB设计
原理图设计
1. 工程创建
本项目采用嘉立创 EDA 专业版软件进行设计。在设计原理图前，需要创建工程文件夹，文件夹归属可以是个人，也可以是团队。如果使用的是学校教育版，需要在教育版工作区内创建工程并保存到对应的班级里。创建工程文件夹后，系统会自动生成一张图纸，需要手动保存到工程内，按照图纸内容修改文件名称。工程创建参考如图 11 所示。
图 11 工程创建参考
2. 元器件选型
前文对电路方案进行了描述，下面就可以在嘉立创 EDA 上设计电路了。在放置元器件时，我们会遇到一个元器件有不同封装的情况，比如一个 LED，有的需要 2 个引脚插到板子里焊接，有的可以直接贴到板子上焊接，而且大小间距各有不同。如图 12所示，在设计电路时我们要考虑：需要什么规格的元器件、它在实验室里有没有、是否可以买得到、选用的封装能不能焊接等问题。
图 12 LED 符号与封装
在选择元器件时可以在嘉立创EDA 的 基 础 库 中 选 择 需 要 的 元 器件，基础库的每个元器件都可以选择不同的封装。如果你对元器件封装不熟悉，可以在元器件库中直接对所需元器件进行搜索，例如将搜索引擎改为“立创商城”，在里面输入“电容1μF”， 进 行 搜 索， 在 类 目 下 选 择“0805”后单击“应用筛选”（见图13）。在搜索出来的结果内找到自己所需的元器件，单击元器件就可以放到原理图进行设计了。
图 13 元器件库查找元器件
立创商城里元器件都有唯一的商品编号，使用时可以将这个编号复制到元器件库中进行搜索，例如该项目中主控 STM32F030C8T6 这款芯片的商品编号是 C23922，在元器件库中输入编号，类型选择“符号”，库别选择“立创商城”，单击“搜索”，就可以在里面看到搜索结果（见图 14）。
图 14 指定商品编号搜索元器件
PCB设计
1. 边框外形
设计完原理图就可以设计 PCB了。我 使 用 嘉 立 创 EDA 里 的 边框 层 进 行 设 计， 边 框 大 小 控 制 在10cm×10cm 之内，这样可以免费打样，而且这个大小在本项目中是足够的。使用绘图工具中的直线和圆弧工具设计，也可以充分利用栅格辅助我们更加精准地设计外框。无线电子温度计边框外形如图 15 所示。
图 15 无线电子温度计边框外形
2. PCB布局
PCB 边框外形确定，就可以进行元器件布局了。结合温度计的特点，将传感器摆放在最左侧，开关与蓝牙摆在上方，USB Type-C 充电接口摆放在最右侧，主控芯片放在中间的位置。原理图转 PCB 后的元器件布局是无法直接使用的，需要手动把元器件摆放在合适的位置。元器件布局时可以在嘉立创 EDA 菜单栏中选择“工具”→“布局传递”，能快速对元器件分类布局。
元器件布局需要考虑以下事项。
● 按电路模块布局，每个电路的核心元器件和外围元器件尽量集中。
● 按电路功能布局，特殊元器件布局时周边不能放置其他元器件，避免干扰等。
● 按元器件特性布局，输入 / 输出接口放到 PCB 边缘，方便操作。本项目 PCB 元器件布局如图 16所示。
图 16 无线电子温度计 PCB 元器件布局
3. PCB走线
完成元器件布局就完成了 PCB整个设计的大部分工作，接下来是在PCB 走线时进行细节调整。PCB 走线需要注意的事项很多，有很多设计要点，我们需要在设计中不断积累经验，提升自己的能力。
● 电源及信号线走线需按照电流流向，严格按照原理图设计布局，即使都连接了，没有报错，也要考虑先后顺序。
● 在设计 PCB 走线时，要注意线宽设置，电源线应比信号线稍微粗一些。电源线的载流要满足项目功耗需求，例如本项目电源线宽 0.5mm即可满足需求。线宽不能设置得过细，应考虑工厂生产工艺。
● 在实际走线过程中，导线应优先走直线，横平竖直，可以通过调整元器件布局使两个点间的连线最短，如果无法保持直线，应优先使用135°钝角或者圆弧走线，保持设计美观。
本项目的 PCB 采用 4 层设计，各层设计如图 17~ 图 20 所示。3D 外壳设计和软件设计将在下一期进行介绍。
图 17 PCB 顶层
图 18 PCB 地层
图 19 PCB 电源层
图 20 PCB 底层