Portable Watch：基于STM32的便攜智能手表

Notice：項目在之前開發(fā)的基礎上進行了修改耗時很多，希望大家喜歡，謝謝！??！

置頂、實物圖展示

在當今數(shù)字化時代，智能穿戴設備逐漸成為我們生活中不可或缺的一部分。智能手表以其小巧便攜、功能豐富的特點，受到了廣大消費者的喜愛。作為一名硬件愛好者和開發(fā)者，我決定自己動手制作一款智能手表——Portable Watch。今天，我將與大家分享這款智能手表的設計和制作過程，希望能激發(fā)更多人的創(chuàng)造力和動手能力。

一、項目背景

隨著智能手表市場的不斷發(fā)展，市面上的智能手表雖然功能豐富，但往往價格昂貴，且功能定制性較低。我希望通過自己的努力，設計一款功能強大、成本低廉且高度可定制的智能手表。于是，Portable Watch 項目應運而生。這款智能手表不僅具備了市面上主流智能手表的常見功能，還為用戶提供了高度的定制性和擴展性。

二、項目功能

2.1、項目硬件框架

• 主控使用STM32F411CEU6，操作系統(tǒng)使用FreeRTOS，圖形庫使用的LVGL。
• 傳感器部分：手勢識別使用6軸MPU6050；心率血氧使用的是EM7028；
• 海拔測量用的氣壓計SPL06-001；
• 電子指南針使用LSM303DLHC；
• 藍牙芯片KT6368A，可以無線升級。

1. 電源部分：手表使用的是3.7V鋰電池，通過TPS63020提供3V3電源，充電口留了兩個焊盤，用來接觸磁吸充電口。
2. 藍牙部分：KT6368A。
3. 計算器：當時做帶浮點數(shù)的計算器做得很煩，字符串處理很麻煩。現(xiàn)在這個計算器是通過一個數(shù)字棧和一個符號棧實現(xiàn)的，具體看代碼。
4. NFC部分(現(xiàn)已刪除)。用的是RC522和一張UID卡組成的，可以自行復制外部IC卡，然后也可以被外部讀卡器讀寫：
   

2.2、項目軟件框架

1. 正常運行模式

在正常運行模式下，Portable Watch 的所有功能模塊都處于工作狀態(tài)，包括屏幕顯示、傳感器數(shù)據(jù)采集、藍牙通信等。這種模式適用于用戶需要使用手表的所有功能時。

2. 睡眠模式

睡眠模式是為了在用戶不頻繁使用手表時降低功耗而設計的。在這種模式下，MCU 進入 STOP 模式，但 MPU6050 傳感器仍然保持工作狀態(tài)，用于記錄步數(shù)。

3. 關機模式

關機模式是 Portable Watch 的最低功耗狀態(tài)。在這種模式下，TPS63020 的使能引腳被關閉，3V3 供電被切斷，只有 Vbat 供電維持 RTC 的工作。

通過優(yōu)化喚醒機制、傳感器功耗和藍牙模塊的使用，實現(xiàn)了高效的功耗管理。最初，我嘗試使用 MPU6050 的運動中斷功能來喚醒手表，但發(fā)現(xiàn)需要較大的抖動幅度才能觸發(fā)中斷，于是改為使用 RTC 定時中斷，定時檢測手勢狀態(tài)，如有抬腕動作則喚醒手表，從而提高了用戶體驗。對于 MPU6050 傳感器，我通過修改初始化代碼、關閉不必要的功能模塊以及使用低功耗模式運行，有效降低了其功耗，確保在睡眠模式下仍能記錄步數(shù)。在藍牙模塊方面，我最初使用了 KT6328A，其待機功耗很低，但在后續(xù)版本中改為使用 KT6368A，可以在不使用時完全關閉藍牙，進一步降低功耗。功耗測試結果顯示，在 3V3 供電的情況下，運行模式下功耗為 70-80mA，睡眠模式下約為 1mA，而關機模式下基本不耗電，只有 RTC 在工作。需要注意的是，如果電源接到 Vbat 端經(jīng)過 DCDC 供電，實際功耗將取決于 DCDC 的效率。這些優(yōu)化措施不僅延長了電池的續(xù)航時間，還提升了手表的整體性能和用戶體驗。

2.3、項目功能介紹

Portable Watch 擁有眾多實用且強大的功能，幾乎涵蓋了目前市面上主流智能手表的所有功能，具體如下：

• 日歷功能：用戶可以方便地查看日期、星期等信息，方便日常安排。
• 計算器功能：內(nèi)置簡易計算器，滿足基本的數(shù)學計算需求。
• 秒表功能：提供精準的計時功能，適合運動或日常計時使用。
• NFC 功能：支持 NFC 功能，可用于門禁卡、公交卡等場景，實現(xiàn)無接觸式支付和身份識別。（在做）
• 藍牙無線升級：通過藍牙與手機連接，實現(xiàn)手表軟件的無線升級，方便功能更新和修復。
• 與手機傳信息：可以接收手機的通知信息，如短信、電話、社交媒體消息等，讓用戶不錯過任何重要信息。
• 抬腕亮屏：當用戶抬起手腕時，手表屏幕自動點亮，方便查看信息，提升用戶體驗。
• 心率檢測：內(nèi)置心率傳感器，實時監(jiān)測用戶的心率數(shù)據(jù)，為健康監(jiān)測提供支持。
• 環(huán)境溫濕度檢測：配備溫濕度傳感器，實時檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度，為用戶提供舒適的環(huán)境信息。
• 指南針功能：內(nèi)置指南針模塊，幫助用戶辨別方向，適合戶外探險和旅行。
• 海拔測量：能夠測量當前所處位置的海拔高度，為戶外運動和旅行提供重要的參考數(shù)據(jù)。
• 游戲功能：支持玩2048游戲。
  
  
  這些功能的集成，使得 Portable Watch 不僅是一款實用的智能穿戴設備，更是一個功能強大的個人健康和生活助手。

三、項目特點

• 高定制性：用戶可以根據(jù)自己的需求和喜好，對智能手表的硬件和軟件進行定制。無論是添加新的功能模塊，還是修改界面設計，都可以輕松實現(xiàn)，滿足個性化的需求。
• 成本效益：通過精心設計和優(yōu)化，Portable Watch 的成本得到了有效控制。在較低的成本下，用戶可以實現(xiàn)功能豐富的智能手表制作，降低了入門門檻。

四、制作步驟

（一）電路設計

1. 需求分析與方案確定
   • 在開始電路設計之前，首先要明確 Portable Watch 需要實現(xiàn)的功能。根據(jù)功能列表，我們需要考慮如何將眾多功能集成到一個緊湊的電路板上。
   • 例如，對于心率檢測功能，我選擇了光電容積脈搏波傳感，并設計了相應的信號處理電路，以準確地采集和處理心率信號。
   • 對于環(huán)境溫濕度檢測，我選用了集成的溫濕度傳感器芯片 ，它具有體積小、精度高、易于集成等優(yōu)點。
   • 考慮到與手機的通信功能，我設計了藍牙模塊的電路，確保其能夠穩(wěn)定地與手機進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)信息同步等功能。
   • 同時，我合理規(guī)劃了電源管理電路，為手表提供穩(wěn)定的供電，確保各個模塊的正常工作，并且要考慮電池的續(xù)航能力和充電電路的設計。
2. 原理圖繪制
   • 使用專業(yè)的電路設計軟件，根據(jù)功能需求繪制原理圖。
   • 以微控制器（MCU）為核心，連接各個功能模塊。例如，將心率傳感器的輸出引腳連接到 MCU 的 ADC 輸入引腳，以便對心率信號進行模數(shù)轉換和處理。
   • 對于藍牙模塊，要正確連接其電源引腳、通信引腳（如 UART 或 SPI 接口）等，確保其與 MCU 的通信順暢。
   • 在繪制原理圖時，要注意各模塊之間的電氣連接關系，避免出現(xiàn)短路、干擾等問題。同時，要為每個模塊分配合適的電源和地線，確保電路的穩(wěn)定工作。
     
     
3. PCB 布局與布線
   • 根據(jù)原理圖進行 PCB 布局設計。由于 Portable Watch 的體積較小，因此需要在有限的空間內(nèi)合理安排各個模塊的位置。
   • 可以將 MCU 放在 PCB 的中心位置，然后圍繞 MCU 布局其他功能模塊，如傳感器模塊、藍牙模塊、電源管理模塊等。
   • 在布線時，要遵循良好的布線原則，盡量減少信號線的長度和交叉，以降低信號干擾。對于高速信號線，如藍牙模塊的通信線，要采用適當?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/503176.html">阻抗匹配和屏蔽措施，確保信號的完整性。
   • 對于電源線和地線，要設計足夠?qū)挼木€寬，以滿足電流的需求，并且要盡量減少電源線和地線的長度，降低電源阻抗，提高電源的穩(wěn)定性。
     
     

（二）程序設計

1. 開發(fā)環(huán)境搭建
   • 根據(jù)所選用的微控制器（MCU），搭建相應的開發(fā)環(huán)境。例如，如果使用的是 STM32 系列的 MCU，可以使用 Keil MDK 或 STM32CubeIDE 等開發(fā)工具。
   • 安裝所需的編譯器、調(diào)試器等工具，并配置好開發(fā)環(huán)境的參數(shù)，如目標芯片型號、時鐘設置等。
   • 同時，要熟悉開發(fā)環(huán)境中提供的各種庫函數(shù)和工具，如 HAL 庫、標準外設庫等，這些庫函數(shù)可以大大簡化程序的開發(fā)過程。
2. 功能模塊編程
   • 對于每個功能模塊，編寫相應的驅(qū)動程序。例如，對于心率傳感器模塊，要編寫代碼來初始化傳感器，配置其工作模式，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理。
   • 在初始化傳感器時，需要根據(jù)傳感器的 datasheet 設置其寄存器參數(shù)，使其進入正常工作狀態(tài)。然后，通過 MCU 的 ADC 模塊讀取傳感器輸出的模擬信號，并將其轉換為數(shù)字信號。
   • 對于溫濕度傳感器模塊，同樣要編寫初始化代碼，配置其通信接口（如 I2C 或 SPI），并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和解析。例如，對于 DHT11 傳感器，需要按照其通信協(xié)議，通過單總線接口發(fā)送指令，讀取傳感器返回的溫濕度數(shù)據(jù)，并進行相應的數(shù)據(jù)處理，將其轉換為實際的溫濕度值。
   • 對于藍牙模塊，要編寫代碼實現(xiàn)其與手機的配對、連接和數(shù)據(jù)傳輸功能。這通常涉及到藍牙協(xié)議棧的配置和使用，以及數(shù)據(jù)的編碼和解碼等操作。
   • 在編寫功能模塊的代碼時，要注意代碼的可讀性和可維護性，合理地組織代碼結構，使用清晰的函數(shù)命名和注釋，以便后續(xù)的調(diào)試和修改。
     
3. 系統(tǒng)集成與調(diào)試
   • 將各個功能模塊的代碼進行集成，形成一個完整的系統(tǒng)程序。在集成過程中，要注意各模塊之間的通信和協(xié)作關系，確保它們能夠正常地協(xié)同工作。
   • 例如，在實現(xiàn)抬腕亮屏功能時，需要將加速度傳感器模塊與屏幕驅(qū)動模塊進行協(xié)同工作。當加速度傳感器檢測到手腕的抬動動作時，通過中斷等方式通知 MCU，然后 MCU 控制屏幕驅(qū)動模塊點亮屏幕。
   • 使用調(diào)試工具對系統(tǒng)程序進行調(diào)試，檢查各模塊的功能是否正常，是否存在錯誤或異常情況?？梢酝ㄟ^設置斷點、觀察變量值等方式來定位和解決問題。
   • 在調(diào)試過程中，要注意觀察程序的運行狀態(tài)和資源使用情況，如內(nèi)存占用、CPU 使用率等，確保程序的穩(wěn)定運行。對于發(fā)現(xiàn)的問題，要及時進行修復和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。
     

（三）電路焊接

1. 材料與工具準備
   • 準備好所需的電子元件，如微控制器（MCU）、傳感器模塊、藍牙模塊、電阻、電容、電感等。
   • 同時，準備好焊接工具，如電烙鐵、焊錫絲、助焊劑、鑷子、剪刀等。選擇合適的電烙鐵功率和焊錫絲直徑，以保證焊接的質(zhì)量和效率。
     
2. 焊接順序與技巧
   • 按照一定的順序進行焊接，通常先從較小的元件開始，如電阻、電容等，然后再焊接較大的元件，如芯片、模塊等。
   • 在焊接時，要注意焊接的溫度和時間控制。溫度過高或時間過長可能會損壞元件，而溫度過低或時間過短則可能導致焊接不牢固。
   • 例如，在焊接電阻時，要將電烙鐵的溫度調(diào)節(jié)到合適的范圍，然后將焊錫絲放在電阻的引腳和 PCB 焊盤的連接處，當焊錫熔化后，迅速將電阻的引腳和焊盤連接在一起，并保持焊點的光滑和飽滿。
   • 對于芯片等較大的元件，要先在焊盤上涂上適量的助焊劑，然后將芯片的引腳對準焊盤，用烙鐵輕輕加熱焊盤，使焊錫熔化并流入引腳和焊盤之間的縫隙，形成良好的電氣連接。
   • 在焊接過程中，要注意保持手的穩(wěn)定，避免焊接過程中元件的移動，同時要注意焊接的質(zhì)量，確保焊點無虛焊、短路等現(xiàn)象。
     
3. 焊接后的檢查與清理
   • 焊接完成后，要對焊接好的電路板進行檢查?？梢允褂梅糯箸R或顯微鏡觀察焊點的質(zhì)量，檢查是否存在虛焊、短路等情況。
   • 同時，要檢查元件的安裝是否正確，引腳是否連接到正確的焊盤上。對于發(fā)現(xiàn)的問題，要及時進行修復和調(diào)整。
   • 然后，使用酒精或?qū)Ｓ玫那鍧崉﹄娐钒暹M行清理，去除焊接過程中殘留的助焊劑和污漬，以防止這些殘留物對電路的性能產(chǎn)生影響。清理后，要將電路板放置在通風干燥的地方晾干。
     
     

（四）程序燒錄

1. 燒錄工具與接口準備
   • 根據(jù)所選用的微控制器（MCU），準備相應的燒錄工具。例如，對于 STM32 系列的 MCU，可以使用 ST-Link 燒錄器。
   • 檢查燒錄器與電腦的連接是否正常，確保燒錄器能夠正常工作。同時，要將燒錄器的接口連接到電路板上的相應接口上，如 SWD 接口或 JTAG 接口。
     
2. 燒錄操作與驗證
   • 打開開發(fā)環(huán)境中的燒錄工具，選擇正確的燒錄文件（如 .hex 文件或 .bin 文件）和目標芯片型號。
   • 點擊燒錄按鈕，開始將程序燒錄到 MCU 中。在燒錄過程中，要觀察燒錄工具的狀態(tài)指示，確保燒錄過程順利進行。
   • 燒錄完成后，要對燒錄結果進行驗證?？梢酝ㄟ^開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試工具，如讀取 MCU 的內(nèi)存、寄存器等信息，來檢查程序是否正確燒錄到 MCU 中。
   • 同時，可以對 Portable Watch 進行簡單的功能測試，如點亮屏幕、讀取傳感器數(shù)據(jù)等，以驗證程序的正常運行情況。如果發(fā)現(xiàn)程序運行異常，需要重新檢查燒錄過程和程序代碼，找出問題并進行修復。
     

五、Portable Watch外殼的3D打印

（一）外殼設計

1. 建模軟件選擇
   • 我選擇了 Fusion 360 作為建模軟件，它功能強大且易于上手，非常適合進行復雜的產(chǎn)品建模。
2. 尺寸測量與規(guī)劃
   • 首先，我測量了電路板的尺寸，確保外殼能夠完美地包裹電路板。同時，我考慮了手表的佩戴舒適性，設計了符合人體工程學的外殼形狀。
3. 細節(jié)設計
   • 在設計外殼時，我添加了必要的開口和槽位，以容納屏幕、按鈕、傳感器等部件。同時，我設計了表帶連接孔，方便安裝表帶。

（二）3D打印

1. 打印機準備
   • 我使用了一臺普通的 FDM 3D打印機，打印材料選擇了 PLA 塑料，因為它具有良好的機械性能和易于打印的特點。
2. 打印參數(shù)設置
   • 根據(jù)外殼的尺寸和形狀，我設置了合適的打印參數(shù)，如層高、填充密度等。為了確保外殼的強度和精度，我選擇了較高的填充密度和較低的層高。
3. 打印過程
   • 打印過程中，我密切監(jiān)控打印機的運行狀態(tài)，確保打印過程順利進行。經(jīng)過幾個小時的打印，外殼終于完成。
4. 后處理
   • 打印完成后，我使用砂紙對外殼進行了打磨，以去除表面的毛刺和不平整部分。然后，我使用噴漆對外殼進行了噴漆處理，使其外觀更加美觀。
     
     

六、Portable Watch成品展示

經(jīng)過一系列的設計和制作過程，Portable Watch 終于完成了。以下是成品的展示和功能測試：

（一）外觀展示

• 外殼：3D打印的外殼完美地包裹了電路板，外觀簡潔大方，佩戴舒適。
• 屏幕：屏幕顯示清晰，色彩鮮艷，能夠準確地顯示各種信息。
• 按鈕：按鈕布局合理，操作方便，能夠輕松地切換各種功能。

（二）功能測試

• 日歷功能：能夠準確地顯示日期和星期，方便日常查看。
• 心率檢測：實時監(jiān)測心率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準確可靠。
• 環(huán)境溫濕度檢測：能夠?qū)崟r顯示環(huán)境的溫度和濕度，為用戶提供舒適的環(huán)境信息。
• 藍牙通信：與手機連接穩(wěn)定，能夠接收手機的通知信息，如短信、電話等。
• 抬腕亮屏：當抬起手腕時，屏幕自動點亮，提升了用戶體驗。

通過以上詳細的制作步驟和成品展示，我們可以看到 Portable Watch 不僅是一款功能豐富的智能手表，還是一款具有高度定制性和擴展性的智能穿戴設備。希望這篇博文能夠激發(fā)更多人的創(chuàng)造力和動手能力，一起探索智能硬件的無限可能。

希望你喜歡這個項目，并在構建過程中找到樂趣！如果你有任何問題或需要幫助，歡迎在評論區(qū)交流。

作者：Svan.

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