Portable Watch：基于STM32的便攜智能手表

置頂、實(shí)物圖展示

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，智能穿戴設(shè)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(diǎn)，受到了廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。作為一名硬件愛(ài)好者和開(kāi)發(fā)者，我決定自己動(dòng)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(shè)計(jì)和制作過(guò)程，希望能激發(fā)更多人的創(chuàng)造力和動(dòng)手能力。

一、項(xiàng)目背景

隨著智能手表市場(chǎng)的不斷發(fā)展，市面上的智能手表雖然功能豐富，但往往價(jià)格昂貴，且功能定制性較低。我希望通過(guò)自己的努力，設(shè)計(jì)一款功能強(qiáng)大、成本低廉且高度可定制的智能手表。于是，Portable Watch 項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)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(jiàn)功能，還為用戶(hù)提供了高度的定制性和擴(kuò)展性。

二、項(xiàng)目功能

2.1、項(xiàng)目硬件框架

• 主控使用STM32F411CEU6，操作系統(tǒng)使用FreeRTOS，圖形庫(kù)使用的LVGL。
• 傳感器部分：手勢(shì)識(shí)別使用6軸MPU6050；心率血氧使用的是EM7028；
• 海拔測(cè)量用的氣壓計(jì)SPL06-001；
• 電子指南針使用LSM303DLHC；
• 藍(lán)牙芯片KT6368A，可以無(wú)線升級(jí)。

1. 電源部分：手表使用的是3.7V鋰電池，通過(guò)TPS63020提供3V3電源，充電口留了兩個(gè)焊盤(pán)，用來(lái)接觸磁吸充電口。
2. 藍(lán)牙部分：KT6368A。
3. 計(jì)算器：當(dāng)時(shí)做帶浮點(diǎn)數(shù)的計(jì)算器做得很煩，字符串處理很麻煩?，F(xiàn)在這個(gè)計(jì)算器是通過(guò)一個(gè)數(shù)字棧和一個(gè)符號(hào)棧實(shí)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(fù)制外部IC卡，然后也可以被外部讀卡器讀寫(xiě)：
   

2.2、項(xiàng)目軟件框架

1. 正常運(yùn)行模式

在正常運(yùn)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(lán)牙通信等。這種模式適用于用戶(hù)需要使用手表的所有功能時(shí)。

2. 睡眠模式

睡眠模式是為了在用戶(hù)不頻繁使用手表時(shí)降低功耗而設(shè)計(jì)的。在這種模式下，MCU 進(jìn)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(guān)機(jī)模式

關(guān)機(jī)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(guān)閉，3V3 供電被切斷，只有 Vbat 供電維持 RTC 的工作。

通過(guò)優(yōu)化喚醒機(jī)制、傳感器功耗和藍(lán)牙模塊的使用，實(shí)現(xiàn)了高效的功耗管理。最初，我嘗試使用 MPU6050 的運(yùn)動(dòng)中斷功能來(lái)喚醒手表，但發(fā)現(xiàn)需要較大的抖動(dòng)幅度才能觸發(fā)中斷，于是改為使用 RTC 定時(shí)中斷，定時(shí)檢測(cè)手勢(shì)狀態(tài)，如有抬腕動(dòng)作則喚醒手表，從而提高了用戶(hù)體驗(yàn)。對(duì)于 MPU6050 傳感器，我通過(guò)修改初始化代碼、關(guān)閉不必要的功能模塊以及使用低功耗模式運(yùn)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(lán)牙模塊方面，我最初使用了 KT6328A，其待機(jī)功耗很低，但在后續(xù)版本中改為使用 KT6368A，可以在不使用時(shí)完全關(guān)閉藍(lán)牙，進(jìn)一步降低功耗。功耗測(cè)試結(jié)果顯示，在 3V3 供電的情況下，運(yùn)行模式下功耗為 70-80mA，睡眠模式下約為 1mA，而關(guān)機(jī)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(guò) DCDC 供電，實(shí)際功耗將取決于 DCDC 的效率。這些優(yōu)化措施不僅延長(zhǎng)了電池的續(xù)航時(shí)間，還提升了手表的整體性能和用戶(hù)體驗(yàn)。

2.3、項(xiàng)目功能介紹

Portable Watch 擁有眾多實(shí)用且強(qiáng)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(hù)可以方便地查看日期、星期等信息，方便日常安排。
• 計(jì)算器功能：內(nèi)置簡(jiǎn)易計(jì)算器，滿(mǎn)足基本的數(shù)學(xué)計(jì)算需求。
• 秒表功能：提供精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)功能，適合運(yùn)動(dòng)或日常計(jì)時(shí)使用。
• NFC 功能：支持 NFC 功能，可用于門(mén)禁卡、公交卡等場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式支付和身份識(shí)別。（在做）
• 藍(lán)牙無(wú)線升級(jí)：通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)手表軟件的無(wú)線升級(jí)，方便功能更新和修復(fù)。
• 與手機(jī)傳信息：可以接收手機(jī)的通知信息，如短信、電話、社交媒體消息等，讓用戶(hù)不錯(cuò)過(guò)任何重要信息。
• 抬腕亮屏：當(dāng)用戶(hù)抬起手腕時(shí)，手表屏幕自動(dòng)點(diǎn)亮，方便查看信息，提升用戶(hù)體驗(yàn)。
• 心率檢測(cè)：內(nèi)置心率傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的心率數(shù)據(jù)，為健康監(jiān)測(cè)提供支持。
• 環(huán)境溫濕度檢測(cè)：配備溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)周?chē)h(huán)境的溫度和濕度，為用戶(hù)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(hù)辨別方向，適合戶(hù)外探險(xiǎn)和旅行。
• 海拔測(cè)量：能夠測(cè)量當(dāng)前所處位置的海拔高度，為戶(hù)外運(yùn)動(dòng)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(shí)用的智能穿戴設(shè)備，更是一個(gè)功能強(qiáng)大的個(gè)人健康和生活助手。

三、項(xiàng)目特點(diǎn)

• 高定制性：用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求和喜好，對(duì)智能手表的硬件和軟件進(jìn)行定制。無(wú)論是添加新的功能模塊，還是修改界面設(shè)計(jì)，都可以輕松實(shí)現(xiàn)，滿(mǎn)足個(gè)性化的需求。
• 成本效益：通過(guò)精心設(shè)計(jì)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(hù)可以實(shí)現(xiàn)功能豐富的智能手表制作，降低了入門(mén)門(mén)檻。

四、制作步驟

（一）電路設(shè)計(jì)

1. 需求分析與方案確定
   • 在開(kāi)始電路設(shè)計(jì)之前，首先要明確 Portable Watch 需要實(shí)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(gè)緊湊的電路板上。
   • 例如，對(duì)于心率檢測(cè)功能，我選擇了光電容積脈搏波傳感，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)處理電路，以準(zhǔn)確地采集和處理心率信號(hào)。
   • 對(duì)于環(huán)境溫濕度檢測(cè)，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(diǎn)。
   • 考慮到與手機(jī)的通信功能，我設(shè)計(jì)了藍(lán)牙模塊的電路，確保其能夠穩(wěn)定地與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)信息同步等功能。
   • 同時(shí)，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(gè)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(shè)計(jì)。
2. 原理圖繪制
   • 使用專(zhuān)業(yè)的電路設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)心率信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理。
   • 對(duì)于藍(lán)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(shí)，要注意各模塊之間的電氣連接關(guān)系，避免出現(xiàn)短路、干擾等問(wèn)題。同時(shí)，要為每個(gè)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(jìn)行 PCB 布局設(shè)計(jì)。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(gè)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(lán)牙模塊、電源管理模塊等。
   • 在布線時(shí)，要遵循良好的布線原則，盡量減少信號(hào)線的長(zhǎng)度和交叉，以降低信號(hào)干擾。對(duì)于高速信號(hào)線，如藍(lán)牙模塊的通信線，要采用適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/503176.html">阻抗匹配和屏蔽措施，確保信號(hào)的完整性。
   • 對(duì)于電源線和地線，要設(shè)計(jì)足夠?qū)挼木€寬，以滿(mǎn)足電流的需求，并且要盡量減少電源線和地線的長(zhǎng)度，降低電源阻抗，提高電源的穩(wěn)定性。
     
     

（二）程序設(shè)計(jì)

1. 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建
   • 根據(jù)所選用的微控制器（MCU），搭建相應(yīng)的開(kāi)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(kāi)發(fā)工具。
   • 安裝所需的編譯器、調(diào)試器等工具，并配置好開(kāi)發(fā)環(huán)境的參數(shù)，如目標(biāo)芯片型號(hào)、時(shí)鐘設(shè)置等。
   • 同時(shí)，要熟悉開(kāi)發(fā)環(huán)境中提供的各種庫(kù)函數(shù)和工具，如 HAL 庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)等，這些庫(kù)函數(shù)可以大大簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。
2. 功能模塊編程
   • 對(duì)于每個(gè)功能模塊，編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。例如，對(duì)于心率傳感器模塊，要編寫(xiě)代碼來(lái)初始化傳感器，配置其工作模式，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理。
   • 在初始化傳感器時(shí)，需要根據(jù)傳感器的 datasheet 設(shè)置其寄存器參數(shù)，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)。然后，通過(guò) MCU 的 ADC 模塊讀取傳感器輸出的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
   • 對(duì)于溫濕度傳感器模塊，同樣要編寫(xiě)初始化代碼，配置其通信接口（如 I2C 或 SPI），并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和解析。例如，對(duì)于 DHT11 傳感器，需要按照其通信協(xié)議，通過(guò)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(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫濕度值。
   • 對(duì)于藍(lán)牙模塊，要編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)其與手機(jī)的配對(duì)、連接和數(shù)據(jù)傳輸功能。這通常涉及到藍(lán)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(xiě)功能模塊的代碼時(shí)，要注意代碼的可讀性和可維護(hù)性，合理地組織代碼結(jié)構(gòu)，使用清晰的函數(shù)命名和注釋?zhuān)员愫罄m(xù)的調(diào)試和修改。
     
3. 系統(tǒng)集成與調(diào)試
   • 將各個(gè)功能模塊的代碼進(jìn)行集成，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)程序。在集成過(guò)程中，要注意各模塊之間的通信和協(xié)作關(guān)系，確保它們能夠正常地協(xié)同工作。
   • 例如，在實(shí)現(xiàn)抬腕亮屏功能時(shí)，需要將加速度傳感器模塊與屏幕驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行協(xié)同工作。當(dāng)加速度傳感器檢測(cè)到手腕的抬動(dòng)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)中斷等方式通知 MCU，然后 MCU 控制屏幕驅(qū)動(dòng)模塊點(diǎn)亮屏幕。
   • 使用調(diào)試工具對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行調(diào)試，檢查各模塊的功能是否正常，是否存在錯(cuò)誤或異常情況?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置斷點(diǎn)、觀察變量值等方式來(lái)定位和解決問(wèn)題。
   • 在調(diào)試過(guò)程中，要注意觀察程序的運(yùn)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(yùn)行。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)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(zhǔn)備
   • 準(zhǔn)備好所需的電子元件，如微控制器（MCU）、傳感器模塊、藍(lán)牙模塊、電阻、電容、電感等。
   • 同時(shí)，準(zhǔn)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(jìn)行焊接，通常先從較小的元件開(kāi)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(shí)，要注意焊接的溫度和時(shí)間控制。溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)損壞元件，而溫度過(guò)低或時(shí)間過(guò)短則可能導(dǎo)致焊接不牢固。
   • 例如，在焊接電阻時(shí)，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(pán)的連接處，當(dāng)焊錫熔化后，迅速將電阻的引腳和焊盤(pán)連接在一起，并保持焊點(diǎn)的光滑和飽滿(mǎn)。
   • 對(duì)于芯片等較大的元件，要先在焊盤(pán)上涂上適量的助焊劑，然后將芯片的引腳對(duì)準(zhǔn)焊盤(pán)，用烙鐵輕輕加熱焊盤(pán)，使焊錫熔化并流入引腳和焊盤(pán)之間的縫隙，形成良好的電氣連接。
   • 在焊接過(guò)程中，要注意保持手的穩(wěn)定，避免焊接過(guò)程中元件的移動(dòng)，同時(shí)要注意焊接的質(zhì)量，確保焊點(diǎn)無(wú)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(duì)焊接好的電路板進(jìn)行檢查?？梢允褂梅糯箸R或顯微鏡觀察焊點(diǎn)的質(zhì)量，檢查是否存在虛焊、短路等情況。
   • 同時(shí)，要檢查元件的安裝是否正確，引腳是否連接到正確的焊盤(pán)上。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和調(diào)整。
   • 然后，使用酒精或?qū)Ｓ玫那鍧崉?duì)電路板進(jìn)行清理，去除焊接過(guò)程中殘留的助焊劑和污漬，以防止這些殘留物對(duì)電路的性能產(chǎn)生影響。清理后，要將電路板放置在通風(fēng)干燥的地方晾干。
     
     

（四）程序燒錄

1. 燒錄工具與接口準(zhǔn)備
   • 根據(jù)所選用的微控制器（MCU），準(zhǔn)備相應(yīng)的燒錄工具。例如，對(duì)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(shí)，要將燒錄器的接口連接到電路板上的相應(yīng)接口上，如 SWD 接口或 JTAG 接口。
     
2. 燒錄操作與驗(yàn)證
   • 打開(kāi)開(kāi)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(biāo)芯片型號(hào)。
   • 點(diǎn)擊燒錄按鈕，開(kāi)始將程序燒錄到 MCU 中。在燒錄過(guò)程中，要觀察燒錄工具的狀態(tài)指示，確保燒錄過(guò)程順利進(jìn)行。
   • 燒錄完成后，要對(duì)燒錄結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證?？梢酝ㄟ^(guò)開(kāi)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(lái)檢查程序是否正確燒錄到 MCU 中。
   • 同時(shí)，可以對(duì) Portable Watch 進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能測(cè)試，如點(diǎn)亮屏幕、讀取傳感器數(shù)據(jù)等，以驗(yàn)證程序的正常運(yùn)行情況。如果發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行異常，需要重新檢查燒錄過(guò)程和程序代碼，找出問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù)。
     

五、Portable Watch外殼的3D打印

（一）外殼設(shè)計(jì)

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

（二）3D打印

1. 打印機(jī)準(zhǔn)備
   • 我使用了一臺(tái)普通的 FDM 3D打印機(jī)，打印材料選擇了 PLA 塑料，因?yàn)樗哂辛己玫臋C(jī)械性能和易于打印的特點(diǎn)。
2. 打印參數(shù)設(shè)置
   • 根據(jù)外殼的尺寸和形狀，我設(shè)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(qiáng)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(guò)程
   • 打印過(guò)程中，我密切監(jiān)控打印機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，確保打印過(guò)程順利進(jìn)行。經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的打印，外殼終于完成。
4. 后處理
   • 打印完成后，我使用砂紙對(duì)外殼進(jìn)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(duì)外殼進(jìn)行了噴漆處理，使其外觀更加美觀。
     
     

六、Portable Watch成品展示

經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程，Portable Watch 終于完成了。以下是成品的展示和功能測(cè)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(jiǎn)潔大方，佩戴舒適。
• 屏幕：屏幕顯示清晰，色彩鮮艷，能夠準(zhǔn)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(cè)試

• 日歷功能：能夠準(zhǔn)確地顯示日期和星期，方便日常查看。
• 心率檢測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
• 環(huán)境溫濕度檢測(cè)：能夠?qū)崟r(shí)顯示環(huán)境的溫度和濕度，為用戶(hù)提供舒適的環(huán)境信息。
• 藍(lán)牙通信：與手機(jī)連接穩(wěn)定，能夠接收手機(jī)的通知信息，如短信、電話等。
• 抬腕亮屏：當(dāng)抬起手腕時(shí)，屏幕自動(dòng)點(diǎn)亮，提升了用戶(hù)體驗(yàn)。

通過(guò)以上詳細(xì)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(kuò)展性的智能穿戴設(shè)備。希望這篇博文能夠激發(fā)更多人的創(chuàng)造力和動(dòng)手能力，一起探索智能硬件的無(wú)限可能。

希望你喜歡這個(gè)項(xiàng)目，并在構(gòu)建過(guò)程中找到樂(lè)趣！如果你有任何問(wèn)題或需要幫助，歡迎在評(píng)論區(qū)交流。

作者：Svan.

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