智能手環(huán)測溫電路的PCB設(shè)計方案

一、產(chǎn)品思路

測溫工具成了各個場所人員進出監(jiān)測，以及工廠復(fù)工等的必備工具，對額溫槍等測溫工具的需求暴漲．（口罩期間）一度出現(xiàn)有錢買不到額溫槍的局面． 除了非接觸式的紅外測量手段，對于體溫，還可以采用酒精／水銀等的接觸式測量手段． 以及采用感溫器件的電子式測量手段． 由此，我產(chǎn)生了一個想法，既然現(xiàn)在智能手環(huán)現(xiàn)在非常流行，說不定采用智能手環(huán)這種穿戴式設(shè)備也可以實現(xiàn)體溫的測量． 這種測溫方式有如下的好處： 1) 可以長時間佩戴，用于監(jiān)控長時間的體溫變化． 2)可以通過藍牙將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示屏幕，進行實時顯示，或者將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，進行統(tǒng)計分析． 3)在人員進出時，通過藍牙即時連接其它設(shè)備，實現(xiàn)體溫監(jiān)測無感進出． 唯一的問題是，當手環(huán)與手腕無法相互貼近，中間有縫隙存在時，NTC熱敏電阻不一定通過熱量的輻射準確測出體溫。

二、硬件設(shè)計

電源部分

MCU部分

天線以及測溫部分

1) 電源部分采用TI的TPS7A05極低靜態(tài)電流的LDO，輸出電壓2.5V給藍牙SOC供電。最大壓差大概為0.5V，采用3.7V的鋰電池電池供電，在放電至3.0V以上，也能保證2.5V的穩(wěn)壓輸出。其靜態(tài)電池低至1uA。

2)主控MCU采用ST的低功耗的藍牙SOC BLUENRG-1，該soc支持Bluetooth V5.0，工作電壓范圍為1.7V-3.6V，片上集成了低功耗的Cortex-M0內(nèi)核處理器，帶有一路10bit的ADC，可用于體溫測量。

3)測溫采用高精度的NTC熱敏電阻，在36度-42度的體溫范圍內(nèi)，測溫精度0.01度，阻值精度±0.05%，精度遠大于紅外測試+/-0.1度的精度。問題在于，當NTC電阻不能完全貼緊手腕時，通過熱量的輻射不一定能實現(xiàn)精確測量。

4)天線部分，需要藍牙SOC輸出的差分傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)樘炀€的單端傳輸，因此需要通過電阻、電容、電感設(shè)計巴倫電路，由于手環(huán)的體積有限，因此采用50ohm特性阻抗的巴倫芯片balf-nrg-02d3實現(xiàn)。

5)除此之外，采用了低功耗的電容觸摸芯片TTP223N，喚醒主控，點亮oled，顯示體溫，藍牙配對，藍牙數(shù)據(jù)收發(fā)等。

6)顯示方面，采用小尺寸FPC的OLED。

三、?PCB 設(shè)計方案

畫好原理圖之后，通過pcb線路板設(shè)計軟件設(shè)計pcb。 我采用了Protel DXP 2004這一款軟件進行pcb的設(shè)計，這是一款大概在2007年從網(wǎng)絡(luò)上下載的免安裝的綠色軟件，十幾年來無怨無悔默默支持我的研發(fā)事業(yè)。

設(shè)計pcb的第一步，確認pcb的外形尺寸

此時需要用到另一個工具autocad。 還是在上大學(xué)時選修了autocad和pcb課程，畢業(yè)之后，雖然主要從事軟件開發(fā)工作，偶爾有一些好的創(chuàng)意，也會在業(yè)余時間自己動手，施展掌握的各種技能將其轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品。 我在阿里巴巴網(wǎng)站上找到了賣手環(huán)外殼的廠家，并且很幸運得從廠家那里得到了stp格式的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。 可惜的是，stp格式的文件需要通過solidwork, UG等三維繪圖的軟件打開，我找遍了網(wǎng)絡(luò)都沒找到免費的三維繪圖軟件。 所幸家里還有一個公司不久前發(fā)的小米手環(huán)，做研發(fā)總得要有投入，咬咬牙我就肢解了小米手環(huán)，取出了其中的pcb板。 然后，用游標卡尺仔細地量了PCB外形，定位孔尺寸以及位置。 根據(jù)所量得的尺寸，用autocad 2007繪制了手環(huán)的簡易圖紙，如下圖：

外形尺寸圖紙 之后，將該cad文檔保存為autocad 2000的文件格式。 用DXP軟件導(dǎo)入該文檔，將線條導(dǎo)入到keepout層，最終得到了pcb的尺寸以及定位孔。

PCB keepout層

設(shè)計pcb的第二步，指定原理圖中各元器件的封裝

在我的電腦里面，有一份從2010年開始收集并不斷完善的原理圖庫和PCB封裝庫。大部分標準的原理圖以及pcb封裝都可以在這個庫里找到。 所以在原理圖和pcb設(shè)計時，大部分的器件及其封裝都可以在該庫文件中找到。 從庫中拖出器件并打開屬性指定其pcb封裝，簡單的幾次操作就完了大部分工作。 對于庫中沒有的原理圖或者封裝，則從器件的官網(wǎng)中下載其規(guī)格書，再根據(jù)規(guī)格書中的管腳定義以及尺寸數(shù)據(jù)在DXP軟件中繪制原理圖以及封裝。 由于手環(huán)的尺寸非常小，大概只有3cm*1cm的尺寸，因此使用最多的電阻、電容采用了0402的封裝。

藍牙SOC芯片的原理圖封裝

32MHz無源晶振的PCB封裝

設(shè)計pcb的第三步，更新到pcb，并放置器件

指定了原理圖中器件的pcb封裝之后，在該pcb項目中創(chuàng)建pcbdoc文檔。 在原理圖中點擊“update PCB document"，可以將所有器件更新到PCB文檔中。 之后根據(jù)各器件實現(xiàn)的功能，將pcb分為各個功能區(qū)，將器件拖放到這些功能區(qū)中。 將PCB劃分為電源區(qū)，MCU區(qū)，天線區(qū)，顯示區(qū)以及觸摸按鍵區(qū)。 由于從MCU中出來的走線，以及周圍放置的去耦電容最多，因此將MCU區(qū)布置于pcb板中正中央。 天線區(qū)和觸摸按鍵區(qū)需要在四周有不放置任何器件和走線的凈空區(qū)，以便2.4GHz的無線信息有效地向空中輻射，以及觸摸按鍵能可靠得檢測人的手指觸摸時的電容變化。 因此，將天線和觸摸按鍵區(qū)布置在右側(cè)的邊緣。 而電源區(qū)以及顯示區(qū)布置在左側(cè)邊緣。 有了這樣的合理安排，逐一將器件拖入這些區(qū)域，挨個排版。

設(shè)計pcb的第四步，layout

根據(jù)pcb板廠提供的規(guī)格要求，在規(guī)則中設(shè)置clearance為0.2mm，導(dǎo)線寬度為0.254mm，過孔孔徑為0.3mm，過孔大小為0.6mm。 在走線過程中，先保證除電源和地之外的信號走線，再通過敷銅將電源和地連通。 layout是一個非常繁瑣的過程，需要不斷調(diào)整路徑甚至器件位置，最終實現(xiàn)所有不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都能聯(lián)通。 之后，再將GND敷銅，通過design rules check的功能檢查所有不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否連通以及是否有違背設(shè)定的規(guī)則。 大功告成，可以將pcb文檔發(fā)送給板廠進行制板。

通過DRC功能檢測，沒有錯誤

測溫手環(huán)PCB

PCB成品

編輯：黃飛

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