Portable Watch：基于STM32的便携智能手表

Notice：项目在之前开发的基础上进行了修改耗时很多，希望大家喜欢，谢谢！！！

置顶、实物图展示

在当今数字化时代，智能穿戴设备逐渐成为我们生活中不可或缺的一部分。智能手表以其小巧便携、功能丰富的特点，受到了广大消费者的喜爱。作为一名硬件爱好者和开发者，我决定自己动手制作一款智能手表——Portable Watch。今天，我将与大家分享这款智能手表的设计和制作过程，希望能激发更多人的创造力和动手能力。

一、项目背景

随着智能手表市场的不断发展，市面上的智能手表虽然功能丰富，但往往价格昂贵，且功能定制性较低。我希望通过自己的努力，设计一款功能强大、成本低廉且高度可定制的智能手表。于是，Portable Watch 项目应运而生。这款智能手表不仅具备了市面上主流智能手表的常见功能，还为用户提供了高度的定制性和扩展性。

二、项目功能

2.1、项目硬件框架

• 主控使用STM32F411CEU6，操作系统使用FreeRTOS，图形库使用的LVGL。
• 传感器部分：手势识别使用6轴MPU6050；心率血氧使用的是EM7028；
• 海拔测量用的气压计SPL06-001；
• 电子指南针使用LSM303DLHC；
• 蓝牙芯片KT6368A，可以无线升级。

1. 电源部分：手表使用的是3.7V锂电池，通过TPS63020提供3V3电源，充电口留了两个焊盘，用来接触磁吸充电口。
2. 蓝牙部分：KT6368A。
3. 计算器：当时做带浮点数的计算器做得很烦，字符串处理很麻烦。现在这个计算器是通过一个数字栈和一个符号栈实现的，具体看代码。
4. NFC部分(现已删除)。用的是RC522和一张UID卡组成的，可以自行复制外部IC卡，然后也可以被外部读卡器读写：
   

2.2、项目软件框架

1. 正常运行模式

在正常运行模式下，Portable Watch 的所有功能模块都处于工作状态，包括屏幕显示、传感器数据采集、蓝牙通信等。这种模式适用于用户需要使用手表的所有功能时。

2. 睡眠模式

睡眠模式是为了在用户不频繁使用手表时降低功耗而设计的。在这种模式下，MCU 进入 STOP 模式，但 MPU6050 传感器仍然保持工作状态，用于记录步数。

3. 关机模式

关机模式是 Portable Watch 的最低功耗状态。在这种模式下，TPS63020 的使能引脚被关闭，3V3 供电被切断，只有 Vbat 供电维持 RTC 的工作。

通过优化唤醒机制、传感器功耗和蓝牙模块的使用，实现了高效的功耗管理。最初，我尝试使用 MPU6050 的运动中断功能来唤醒手表，但发现需要较大的抖动幅度才能触发中断，于是改为使用 RTC 定时中断，定时检测手势状态，如有抬腕动作则唤醒手表，从而提高了用户体验。对于 MPU6050 传感器，我通过修改初始化代码、关闭不必要的功能模块以及使用低功耗模式运行，有效降低了其功耗，确保在睡眠模式下仍能记录步数。在蓝牙模块方面，我最初使用了 KT6328A，其待机功耗很低，但在后续版本中改为使用 KT6368A，可以在不使用时完全关闭蓝牙，进一步降低功耗。功耗测试结果显示，在 3V3 供电的情况下，运行模式下功耗为 70-80mA，睡眠模式下约为 1mA，而关机模式下基本不耗电，只有 RTC 在工作。需要注意的是，如果电源接到 Vbat 端经过 DCDC 供电，实际功耗将取决于 DCDC 的效率。这些优化措施不仅延长了电池的续航时间，还提升了手表的整体性能和用户体验。

2.3、项目功能介绍

Portable Watch 拥有众多实用且强大的功能，几乎涵盖了目前市面上主流智能手表的所有功能，具体如下：

• 日历功能：用户可以方便地查看日期、星期等信息，方便日常安排。
• 计算器功能：内置简易计算器，满足基本的数学计算需求。
• 秒表功能：提供精准的计时功能，适合运动或日常计时使用。
• NFC 功能：支持 NFC 功能，可用于门禁卡、公交卡等场景，实现无接触式支付和身份识别。（在做）
• 蓝牙无线升级：通过蓝牙与手机连接，实现手表软件的无线升级，方便功能更新和修复。
• 与手机传信息：可以接收手机的通知信息，如短信、电话、社交媒体消息等，让用户不错过任何重要信息。
• 抬腕亮屏：当用户抬起手腕时，手表屏幕自动点亮，方便查看信息，提升用户体验。
• 心率检测：内置心率传感器，实时监测用户的心率数据，为健康监测提供支持。
• 环境温湿度检测：配备温湿度传感器，实时检测周围环境的温度和湿度，为用户提供舒适的环境信息。
• 指南针功能：内置指南针模块，帮助用户辨别方向，适合户外探险和旅行。
• 海拔测量：能够测量当前所处位置的海拔高度，为户外运动和旅行提供重要的参考数据。
• 游戏功能：支持玩2048游戏。
  
  
  这些功能的集成，使得 Portable Watch 不仅是一款实用的智能穿戴设备，更是一个功能强大的个人健康和生活助手。

三、项目特点

• 高定制性：用户可以根据自己的需求和喜好，对智能手表的硬件和软件进行定制。无论是添加新的功能模块，还是修改界面设计，都可以轻松实现，满足个性化的需求。
• 成本效益：通过精心设计和优化，Portable Watch 的成本得到了有效控制。在较低的成本下，用户可以实现功能丰富的智能手表制作，降低了入门门槛。

四、制作步骤

（一）电路设计

1. 需求分析与方案确定

   • 在开始电路设计之前，首先要明确 Portable Watch 需要实现的功能。根据功能列表，我们需要考虑如何将众多功能集成到一个紧凑的电路板上。
   • 例如，对于心率检测功能，我选择了光电容积脉搏波传感，并设计了相应的信号处理电路，以准确地采集和处理心率信号。
   • 对于环境温湿度检测，我选用了集成的温湿度传感器芯片 ，它具有体积小、精度高、易于集成等优点。
   • 考虑到与手机的通信功能，我设计了蓝牙模块的电路，确保其能够稳定地与手机进行数据传输，实现信息同步等功能。
   • 同时，我合理规划了电源管理电路，为手表提供稳定的供电，确保各个模块的正常工作，并且要考虑电池的续航能力和充电电路的设计。

2. 原理图绘制

   • 使用专业的电路设计软件，根据功能需求绘制原理图。
   • 以微控制器（MCU）为核心，连接各个功能模块。例如，将心率传感器的输出引脚连接到 MCU 的 ADC 输入引脚，以便对心率信号进行模数转换和处理。
   • 对于蓝牙模块，要正确连接其电源引脚、通信引脚（如 UART 或 SPI 接口）等，确保其与 MCU 的通信顺畅。
   • 在绘制原理图时，要注意各模块之间的电气连接关系，避免出现短路、干扰等问题。同时，要为每个模块分配合适的电源和地线，确保电路的稳定工作。
     
     

3. PCB 布局与布线

   • 根据原理图进行 PCB 布局设计。由于 Portable Watch 的体积较小，因此需要在有限的空间内合理安排各个模块的位置。
   • 可以将 MCU 放在 PCB 的中心位置，然后围绕 MCU 布局其他功能模块，如传感器模块、蓝牙模块、电源管理模块等。
   • 在布线时，要遵循良好的布线原则，尽量减少信号线的长度和交叉，以降低信号干扰。对于高速信号线，如蓝牙模块的通信线，要采用适当的阻抗匹配和屏蔽措施，确保信号的完整性。
   • 对于电源线和地线，要设计足够宽的线宽，以满足电流的需求，并且要尽量减少电源线和地线的长度，降低电源阻抗，提高电源的稳定性。
     
     

（二）程序设计

1. 开发环境搭建

   • 根据所选用的微控制器（MCU），搭建相应的开发环境。例如，如果使用的是 STM32 系列的 MCU，可以使用 Keil MDK 或 STM32CubeIDE 等开发工具。
   • 安装所需的编译器、调试器等工具，并配置好开发环境的参数，如目标芯片型号、时钟设置等。
   • 同时，要熟悉开发环境中提供的各种库函数和工具，如 HAL 库、标准外设库等，这些库函数可以大大简化程序的开发过程。

2. 功能模块编程

   • 对于每个功能模块，编写相应的驱动程序。例如，对于心率传感器模块，要编写代码来初始化传感器，配置其工作模式，并实现数据的读取和处理。
   • 在初始化传感器时，需要根据传感器的 datasheet 设置其寄存器参数，使其进入正常工作状态。然后，通过 MCU 的 ADC 模块读取传感器输出的模拟信号，并将其转换为数字信号。
   • 对于温湿度传感器模块，同样要编写初始化代码，配置其通信接口（如 I2C 或 SPI），并实现数据的读取和解析。例如，对于 DHT11 传感器，需要按照其通信协议，通过单总线接口发送指令，读取传感器返回的温湿度数据，并进行相应的数据处理，将其转换为实际的温湿度值。
   • 对于蓝牙模块，要编写代码实现其与手机的配对、连接和数据传输功能。这通常涉及到蓝牙协议栈的配置和使用，以及数据的编码和解码等操作。
   • 在编写功能模块的代码时，要注意代码的可读性和可维护性，合理地组织代码结构，使用清晰的函数命名和注释，以便后续的调试和修改。
     

3. 系统集成与调试

   • 将各个功能模块的代码进行集成，形成一个完整的系统程序。在集成过程中，要注意各模块之间的通信和协作关系，确保它们能够正常地协同工作。
   • 例如，在实现抬腕亮屏功能时，需要将加速度传感器模块与屏幕驱动模块进行协同工作。当加速度传感器检测到手腕的抬动动作时，通过中断等方式通知 MCU，然后 MCU 控制屏幕驱动模块点亮屏幕。
   • 使用调试工具对系统程序进行调试，检查各模块的功能是否正常，是否存在错误或异常情况。可以通过设置断点、观察变量值等方式来定位和解决问题。
   • 在调试过程中，要注意观察程序的运行状态和资源使用情况，如内存占用、CPU 使用率等，确保程序的稳定运行。对于发现的问题，要及时进行修复和优化，以提高系统的性能和可靠性。
     

（三）电路焊接

1. 材料与工具准备

   • 准备好所需的电子元件，如微控制器（MCU）、传感器模块、蓝牙模块、电阻、电容、电感等。
   • 同时，准备好焊接工具，如电烙铁、焊锡丝、助焊剂、镊子、剪刀等。选择合适的电烙铁功率和焊锡丝直径，以保证焊接的质量和效率。
     

2. 焊接顺序与技巧

   • 按照一定的顺序进行焊接，通常先从较小的元件开始，如电阻、电容等，然后再焊接较大的元件，如芯片、模块等。
   • 在焊接时，要注意焊接的温度和时间控制。温度过高或时间过长可能会损坏元件，而温度过低或时间过短则可能导致焊接不牢固。
   • 例如，在焊接电阻时，要将电烙铁的温度调节到合适的范围，然后将焊锡丝放在电阻的引脚和 PCB 焊盘的连接处，当焊锡熔化后，迅速将电阻的引脚和焊盘连接在一起，并保持焊点的光滑和饱满。
   • 对于芯片等较大的元件，要先在焊盘上涂上适量的助焊剂，然后将芯片的引脚对准焊盘，用烙铁轻轻加热焊盘，使焊锡熔化并流入引脚和焊盘之间的缝隙，形成良好的电气连接。
   • 在焊接过程中，要注意保持手的稳定，避免焊接过程中元件的移动，同时要注意焊接的质量，确保焊点无虚焊、短路等现象。
     

3. 焊接后的检查与清理

   • 焊接完成后，要对焊接好的电路板进行检查。可以使用放大镜或显微镜观察焊点的质量，检查是否存在虚焊、短路等情况。
   • 同时，要检查元件的安装是否正确，引脚是否连接到正确的焊盘上。对于发现的问题，要及时进行修复和调整。
   • 然后，使用酒精或专用的清洁剂对电路板进行清理，去除焊接过程中残留的助焊剂和污渍，以防止这些残留物对电路的性能产生影响。清理后，要将电路板放置在通风干燥的地方晾干。
     
     

（四）程序烧录

1. 烧录工具与接口准备

   • 根据所选用的微控制器（MCU），准备相应的烧录工具。例如，对于 STM32 系列的 MCU，可以使用 ST-Link 烧录器。
   • 检查烧录器与电脑的连接是否正常，确保烧录器能够正常工作。同时，要将烧录器的接口连接到电路板上的相应接口上，如 SWD 接口或 JTAG 接口。
     

2. 烧录操作与验证

   • 打开开发环境中的烧录工具，选择正确的烧录文件（如 .hex 文件或 .bin 文件）和目标芯片型号。
   • 点击烧录按钮，开始将程序烧录到 MCU 中。在烧录过程中，要观察烧录工具的状态指示，确保烧录过程顺利进行。
   • 烧录完成后，要对烧录结果进行验证。可以通过开发环境中的调试工具，如读取 MCU 的内存、寄存器等信息，来检查程序是否正确烧录到 MCU 中。
   • 同时，可以对 Portable Watch 进行简单的功能测试，如点亮屏幕、读取传感器数据等，以验证程序的正常运行情况。如果发现程序运行异常，需要重新检查烧录过程和程序代码，找出问题并进行修复。
     

五、Portable Watch外壳的3D打印

（一）外壳设计

1. 建模软件选择
   • 我选择了 Fusion 360 作为建模软件，它功能强大且易于上手，非常适合进行复杂的产品建模。
2. 尺寸测量与规划
   • 首先，我测量了电路板的尺寸，确保外壳能够完美地包裹电路板。同时，我考虑了手表的佩戴舒适性，设计了符合人体工程学的外壳形状。
3. 细节设计
   • 在设计外壳时，我添加了必要的开口和槽位，以容纳屏幕、按钮、传感器等部件。同时，我设计了表带连接孔，方便安装表带。

（二）3D打印

1. 打印机准备
   • 我使用了一台普通的 FDM 3D打印机，打印材料选择了 PLA 塑料，因为它具有良好的机械性能和易于打印的特点。
2. 打印参数设置
   • 根据外壳的尺寸和形状，我设置了合适的打印参数，如层高、填充密度等。为了确保外壳的强度和精度，我选择了较高的填充密度和较低的层高。
3. 打印过程
   • 打印过程中，我密切监控打印机的运行状态，确保打印过程顺利进行。经过几个小时的打印，外壳终于完成。
4. 后处理
   • 打印完成后，我使用砂纸对外壳进行了打磨，以去除表面的毛刺和不平整部分。然后，我使用喷漆对外壳进行了喷漆处理，使其外观更加美观。
     
     

六、Portable Watch成品展示

经过一系列的设计和制作过程，Portable Watch 终于完成了。以下是成品的展示和功能测试：

（一）外观展示

• 外壳：3D打印的外壳完美地包裹了电路板，外观简洁大方，佩戴舒适。
• 屏幕：屏幕显示清晰，色彩鲜艳，能够准确地显示各种信息。
• 按钮：按钮布局合理，操作方便，能够轻松地切换各种功能。

（二）功能测试

• 日历功能：能够准确地显示日期和星期，方便日常查看。
• 心率检测：实时监测心率数据，数据准确可靠。
• 环境温湿度检测：能够实时显示环境的温度和湿度，为用户提供舒适的环境信息。
• 蓝牙通信：与手机连接稳定，能够接收手机的通知信息，如短信、电话等。
• 抬腕亮屏：当抬起手腕时，屏幕自动点亮，提升了用户体验。

通过以上详细的制作步骤和成品展示，我们可以看到 Portable Watch 不仅是一款功能丰富的智能手表，还是一款具有高度定制性和扩展性的智能穿戴设备。希望这篇博文能够激发更多人的创造力和动手能力，一起探索智能硬件的无限可能。

希望你喜欢这个项目，并在构建过程中找到乐趣！如果你有任何问题或需要帮助，欢迎在评论区交流。

作者：Svan.

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