智能手环测温电路的PCB设计方案

2024-05-30 来源：elecfans

一、产品思路

测温工具成了各个场所人员进出监测，以及工厂复工等的必备工具，对额温枪等测温工具的需求暴涨．（口罩期间）一度出现有钱买不到额温枪的局面．除了非接触式的红外测量手段，对于体温，还可以采用酒精／水银等的接触式测量手段．以及采用感温器件的电子式测量手段．由此，我产生了一个想法，既然现在智能手环现在非常流行，说不定采用智能手环这种穿戴式设备也可以实现体温的测量．这种测温方式有如下的好处： 1) 可以长时间佩戴，用于监控长时间的体温变化． 2)可以通过蓝牙将数据发送给显示屏幕，进行实时显示，或者将数据发送给上位机，进行统计分析． 3)在人员进出时，通过蓝牙即时连接其它设备，实现体温监测无感进出．唯一的问题是，当手环与手腕无法相互贴近，中间有缝隙存在时，NTC热敏电阻不一定通过热量的辐射准确测出体温。

二、硬件设计

电源部分

MCU部分

天线以及测温部分

1) 电源部分采用TI的TPS7A05极低静态电流的LDO，输出电压2.5V给蓝牙SOC供电。最大压差大概为0.5V，采用3.7V的锂电池电池供电，在放电至3.0V以上，也能保证2.5V的稳压输出。其静态电池低至1uA。

2)主控MCU采用ST的低功耗的蓝牙SOC BLUENRG-1，该soc支持Bluetooth V5.0，工作电压范围为1.7V-3.6V，片上集成了低功耗的Cortex-M0内核处理器，带有一路10bit的ADC，可用于体温测量。

3)测温采用高精度的NTC热敏电阻，在36度-42度的体温范围内，测温精度0.01度，阻值精度±0.05%，精度远大于红外测试+/-0.1度的精度。问题在于，当NTC电阻不能完全贴紧手腕时，通过热量的辐射不一定能实现精确测量。

4)天线部分，需要蓝牙SOC输出的差分传输转变为天线的单端传输，因此需要通过电阻、电容、电感设计巴伦电路，由于手环的体积有限，因此采用50ohm特性阻抗的巴伦芯片balf-nrg-02d3实现。

5)除此之外，采用了低功耗的电容触摸芯片TTP223N，唤醒主控，点亮oled，显示体温，蓝牙配对，蓝牙数据收发等。

6)显示方面，采用小尺寸FPC的OLED。

三、 PCB 设计方案

画好原理图之后，通过pcb线路板设计软件设计pcb。我采用了Protel DXP 2004这一款软件进行pcb的设计，这是一款大概在2007年从网络上下载的免安装的绿色软件，十几年来无怨无悔默默支持我的研发事业。

设计pcb的第一步，确认pcb的外形尺寸

此时需要用到另一个工具autocad。还是在上大学时选修了autocad和pcb课程，毕业之后，虽然主要从事软件开发工作，偶尔有一些好的创意，也会在业余时间自己动手，施展掌握的各种技能将其转换为产品。我在阿里巴巴网站上找到了卖手环外壳的厂家，并且很幸运得从厂家那里得到了stp格式的结构数据。可惜的是，stp格式的文件需要通过solidwork, UG等三维绘图的软件打开，我找遍了网络都没找到免费的三维绘图软件。所幸家里还有一个公司不久前发的小米手环，做研发总得要有投入，咬咬牙我就肢解了小米手环，取出了其中的pcb板。然后，用游标卡尺仔细地量了PCB外形，定位孔尺寸以及位置。根据所量得的尺寸，用autocad 2007绘制了手环的简易图纸，如下图：

外形尺寸图纸之后，将该cad文档保存为autocad 2000的文件格式。用DXP软件导入该文档，将线条导入到keepout层，最终得到了pcb的尺寸以及定位孔。

PCB keepout层

设计pcb的第二步，指定原理图中各元器件的封装

在我的电脑里面，有一份从2010年开始收集并不断完善的原理图库和PCB封装库。大部分标准的原理图以及pcb封装都可以在这个库里找到。所以在原理图和pcb设计时，大部分的器件及其封装都可以在该库文件中找到。从库中拖出器件并打开属性指定其pcb封装，简单的几次操作就完了大部分工作。对于库中没有的原理图或者封装，则从器件的官网中下载其规格书，再根据规格书中的管脚定义以及尺寸数据在DXP软件中绘制原理图以及封装。由于手环的尺寸非常小，大概只有3cm*1cm的尺寸，因此使用最多的电阻、电容采用了0402的封装。

蓝牙SOC芯片的原理图封装

32MHz无源晶振的PCB封装

设计pcb的第三步，更新到pcb，并放置器件

指定了原理图中器件的pcb封装之后，在该pcb项目中创建pcbdoc文档。在原理图中点击“update PCB document'，可以将所有器件更新到PCB文档中。之后根据各器件实现的功能，将pcb分为各个功能区，将器件拖放到这些功能区中。将PCB划分为电源区，MCU区，天线区，显示区以及触摸按键区。由于从MCU中出来的走线，以及周围放置的去耦电容最多，因此将MCU区布置于pcb板中正中央。天线区和触摸按键区需要在四周有不放置任何器件和走线的净空区，以便2.4GHz的无线信息有效地向空中辐射，以及触摸按键能可靠得检测人的手指触摸时的电容变化。因此，将天线和触摸按键区布置在右侧的边缘。而电源区以及显示区布置在左侧边缘。有了这样的合理安排，逐一将器件拖入这些区域，挨个排版。

设计pcb的第四步，layout

根据pcb板厂提供的规格要求，在规则中设置clearance为0.2mm，导线宽度为0.254mm，过孔孔径为0.3mm，过孔大小为0.6mm。在走线过程中，先保证除电源和地之外的信号走线，再通过敷铜将电源和地连通。 layout是一个非常繁琐的过程，需要不断调整路径甚至器件位置，最终实现所有不同的网络节点都能联通。之后，再将GND敷铜，通过design rules check的功能检查所有不同的网络节点是否连通以及是否有违背设定的规则。大功告成，可以将pcb文档发送给板厂进行制板。