evan.liu 056790e8d1 硬件设计文档：MotherCup 电路设计/原理图验证报告 + YF30137 数码屏 DWG

2026-09-06 20:13:44 +08:00

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母乳杯（MotherCup）制冷杯硬件电路设计

基于国民技术 N32WB031（QFN32）BLE SoC，参考 nations-tec/N32WB031_STB_V1.3 开发板原理图及《N32WB03x 系列芯片硬件设计指南 V1.4》《N32WB03X 系列用户手册 V1.5》。固件侧对齐 mcm-ddc-ble（USART1=PB6/PB7，BLE 低时钟用内部 LSI，不使用外部 32.768K 晶振）。

1. 需求 → 方案映射

#	需求	实现方案
1	电源充电可控	Type-C 5V → 高边 P-MOSFET 开关（GPIO 控制）→ TP4056 充电 → 锂电池；GPIO 可关断充电
2	采样制冷片温度	10K NTC(B3950) + 10K 分压 → PB8（ADC 直接检测 0~3.6V）
3	制冷片 PWM 控制	PB4 = TIM3_CH1 → N-MOSFET（低边）开关 TEC，PWM 调占空比
4	留出 UART	PB6(USART1_TX)/PB7(USART1_RX)，4 针排针引出（3V3/TX/RX/GND）
5	进入 Download 模式 IO	PB3 作 BOOT 拉低按键（复位时按住 → 引导程序进 download 模式）
6	SWD 口	PA4(SWDCLK，10K 下拉)/PA5(SWDIO，10K 上拉)，4 针排针引出
7	三个 7 段数码管（IO 控制）	3 位共阴数码管，8 段 + 3 位选 = 11 个 IO 直接动态扫描驱动

2. 系统框图

                        ┌─────────────────────────────────────────────────┐
 USB Type-C(5V,VBUS) ──┤ D1(SS34) ────────────── VSYS(≈4.7V)             │
                        │   │                        │                     │
                        │   └─ Q2 P-MOS ─ TP4056 ── BAT+ (锂电 3.7V)      │
                        │         ↑gate                     │             │
                        │   CHG_EN(PB0)→Q3 N-MOS 控制      D2(SS34)──┘    │
                        │                                        │        │
                        │                        ┌───────────────┴─────┐  │
                        │                        │ VSYS ── LDO3.3V ── VCC_3V3 (MCU/外设) │
                        │                        │ VSYS ── TEC+ ──[TEC]── TEC- ── Q1 NMOS ─ GND │
                        │                        │                          ↑gate=TEC_PWM(PB4) │
                        └────────────────────────┴──────────────────────────────────────────┘

 N32WB031:
   PA0/PA1 ── 32MHz 晶振(XO32MM/XO32MP)
   PA4/PA5 ── SWD
   PB6/PB7 ── USART1 TX/RX
   PB8     ── NTC 温度采样(ADC)
   PB4     ── TEC PWM(TIM3_CH1)
   PB0     ── CHG_EN(充电使能)
   PB3     ── BOOT 下载模式按键
   PA2/PA3/PA6/PB1/PB2/PB5/PA0/PA1 ── 8 条段选 SEG_A..DP
   PB9/PB10/PB11 ── 3 条位选 DIG1..3

3. N32WB031 引脚分配（关键）

芯片引脚号见 STB 原理图 QFN32 封装（33 个焊盘，含底部 GND 大焊盘）。

3.1 固定/系统引脚

引脚	名称	电路连接
29	XO32MM_OUT	32MHz 晶振 Y2（8pF，±10ppm），C15=10pF
30	XO32MP_IN	32MHz 晶振 Y2，C16=12pF
22	VCC	3.3V；C13=1uF + C5=0.1uF（近脚）+ C4=10uF
28	VCCRF	直连 VCC（R3 去掉）；C9=1uF
8	VDD_FLASH	仅退耦，不外接电源；C1=2.2uF + C2=0.1uF
24	VDCDC	C6=1uF；与 23(SWITCH) 间串 L3=4.7uH 功率电感
23	SWITCH	经 L3(4.7uH) 接 VDCDC（DCDC 供电模式）
27	VDCDCRF	直连 VDCDC；C38=1uF
26	VDD_PA	RF 偏置；L1=1.6nH + C18=1uF + C10=47pF
25	RFIOP	天线匹配：C12=1.2pF/C8=1.2pF/L2=1nH/C14=10pF + ANT
33	VSS	底部大焊盘，9 过孔接地
3	RESET	10K 上拉到 3.3V + 100nF 到 GND + 复位按键

3.2 功能引脚分配

引脚	功能	方向	复用/说明
PA4 (5)	SWDCLK	—	10K 下拉（硬件指南要求）
PA5 (6)	SWDIO	—	10K 上拉（硬件指南要求）
PB6 (16)	USART1_TX	输出	AF4
PB7 (17)	USART1_RX	输入	AF4
PB8 (9)	NTC_ADC（制冷片温度）	模拟输入	ADC 直接检测，0~3.6V，360KΩ
PB4 (14)	TEC_PWM	输出	TIM3_CH1（AF2），接 N-MOSFET 栅极
PB0 (4)	CHG_EN（充电使能）	输出	高=充电使能，经 Q3 控制 Q2 P-MOS 栅极
PB3 (13)	BOOT_DL（下载模式按键）	输入	按键到 GND，10K 上拉；复位时按住=进 download
PA2 (1)	SEG_A	输出	数码管段 A
PA3 (2)	SEG_B	输出	数码管段 B
PA6 (7)	SEG_C	输出	数码管段 C
PB1 (11)	SEG_D	输出	数码管段 D
PB2 (12)	SEG_E	输出	数码管段 E
PB5 (15)	SEG_F	输出	数码管段 F
PA0 (31)	SEG_G	输出	数码管段 G
PA1 (32)	SEG_DP	输出	小数点 DP
PB9 (10)	DIG1（位选 1）	输出	经 NPN 驱动数码管第 1 位阴极
PB10 (18)	DIG2（位选 2）	输出	经 NPN 驱动数码管第 2 位阴极
PB11 (20)	DIG3（位选 3）	输出	经 NPN 驱动数码管第 3 位阴极
PB12 (19)	备用	—	预留（可作充电状态 LED / 蜂鸣器）
PB13 (21)	备用	—	预留

引脚占用：外设共 15 个 IO + SWD/UART 4 个 = 19；芯片 GPIO 共 21（PA0~~PA6 7 个 + PB0~~PB13 14 个），剩余 PB12、PB13 两个 IO 备用。PA0/PA1 为独立 GPIO（32MHz 晶振在专用 29/30 脚），可放心作段选。

4. 各功能模块电路

4.1 电源输入 + 充电（电源充电可控）

 VBUS(5V) ──┬── D1(SS34) ────────────► VSYS
             │
             └── Q2(AO3401 P-MOS) 源极
                      │漏极
                      ├── TP4056 VCC(4) ──┬─ BAT(5) ──► BAT+ (锂电 3.7V)
                      │                    ├─ PROG(2) ── Rprog=1.2K → GND  (≈1A 充电电流)
                      │                    ├─ TEMP(1) ── GND  (不使用温度检测)
                      │                    ├─ CHRG(7) ── LED_RED  (充电指示，可选)
                      │                    ├─ STDBY(6)── LED_GREEN(充满指示，可选)
                      │                    └─ CE(8) ── GND (常使能，使能由 Q2 控制)
                      │
             Q2 栅极 ──┬── R_pu 10K → VBUS
                        └── Q3(2N7002 N-MOS) 漏极
                                │栅极 ← Rg 10K ← CHG_EN(PB0)
                                │源极 → GND

 BAT+ ── D2(SS34) ─────────────► VSYS   (电池供电通路，与 VBUS 二选一/自动切换)

 VSYS ── C_bulk 100uF + C 100nF → GND
 VSYS ── U_LDO(ME6211C33) ──► VCC_3V3 ── C 1uF + C 100nF → GND

要点：

充电可控：CHG_EN 高电平 → Q3 导通 → Q2(P-MOS) 栅极拉低 → Q2 导通 → 充电开启；低电平 → Q2 关断 → 切断充电（可在大电流制冷时关断充电，保护弱 USB 电源）。
D1/D2 肖特基 OR-ing：插 USB 时系统走 5V（≈4.7V），拔掉后自动切到电池（≈3.4V），无切换死区。
TP4056 为 1A 线性锂电充电器；充电电流 I = 1000 / Rprog，Rprog=1.2K ≈ 0.83A（保守，避免与 TEC 抢电）。
VCC_3V3 用低压差 LDO（ME6211C33，dropout≈40mV@100mA）；电池低压到 3.2V 时 MCU 仍可工作（N32WB031 VCC 1.8~3.6V）。

4.2 制冷片 TEC PWM 控制

 VSYS ── C1 100uF ── GND
 VSYS ──┬─────────────► TEC+ (制冷片正极)
        │
        └── D_fw(SS34) 阴极
             │阳极 ─────────► TEC- (制冷片负极)
 TEC- ──┬── Q1(AO3400/IRLML6344 N-MOS) 漏极
        │          │栅极 ← Rg 22Ω ← TEC_PWM(PB4)
        │          │栅极 ── R_pd 10K → GND
        │          │源极 → GND
        └── C2 100uF(可选，平滑 PWM) ── GND

要点：

低边 N-MOS 开关：PB4 输出 PWM（TIM3_CH1），占空比 0~100% 调节制冷功率。
Q1 需耐压≥20V、导通电阻低、栅极阈值≤2V（3.3V 逻辑直接驱动）。AO3400/IRLML6244/SI2300 均可，按 TEC 峰值电流（1~3A）选型。
D_fw 续流肖特基（SS34）跨 TEC，泄放导线/接线电感反峰，保护 MOS。
C2（100uF）可选：平滑 PWM 纹波、降低 TEC 热冲击（推荐加，PWM 频率 10~50kHz）。
若需更平滑直流（延长 TEC 寿命），可在 Q1 与 TEC 间串 10~22uH 电感 + 大电容做 LC 滤波，代价是体积。

4.3 制冷片温度采样（NTC）

 VCC_3V3 ── R_ref 10K(1%) ──┬──► PB8(NTC_ADC)
                            │
                           NTC 10K B3950
                            │
                           GND
                    PB8 ── C_filt 100nF ── GND  (抗噪)

要点：

分压点电压 V = 3.3 × R_NTC / (R_ref + R_NTC)。10K/10K 在 25℃ 时为 1.65V，全温区落在 0~3.6V，配合 PB8 直接检测（输入阻抗 360KΩ，分压源内阻 ~5KΩ，无精度损失）。
NTC 推荐 10K B3950（如 NCP18XH103F03RB / 常规 10K 3950 玻璃封装，贴制冷片铝板或冷面）。
固件用查表（Steinhart-Hart 或 B 值公式）换算温度；app_info.c 现有内部温度/电压 ADC 逻辑可复用，新增 PB8 单端采样通道。

4.4 三数码管显示（IO 直接动态扫描）

 8 条段选（MCU 输出，各串 330Ω 限流）：
   SEG_A(PA2) ── 330Ω ── DS1/DS2/DS3 的 A 阳极并联
   SEG_B(PA3) ── 330Ω ── ... B
   SEG_C(PA6) ── 330Ω ── ... C
   SEG_D(PB1) ── 330Ω ── ... D
   SEG_E(PB2) ── 330Ω ── ... E
   SEG_F(PB5) ── 330Ω ── ... F
   SEG_G(PA0) ── 330Ω ── ... G
   SEG_DP(PA1)── 330Ω ── ... DP

 3 条位选（MCU 输出 → NPN 基极 → 共阴阴极到地）：
   DIG1(PB9) ── 1K ── Q_d1(MMBT3904) 基极，集电极→DS1 公共阴极，发射极→GND
   DIG2(PB10)── 1K ── Q_d2 ... → DS2 公共阴极
   DIG3(PB11)── 1K ── Q_d3 ... → DS3 公共阴极

要点：

共阴数码管（3 位，如 0.36/0.56 英寸红色共阴）。段选由 MCU 直接拉高（每段 ~4mA），位选经 NPN（MMBT3904）灌电流（最多 8 段×4mA≈32mA，NPN 足够）。
动态扫描：每位点亮 1/3 周期（如 2~3ms），三位轮询，刷新率 ≥100Hz 无闪烁。
显示内容例：温度 37.5（第 2 位点 DP），或 25℃。段码表由固件按 SEG_A..DP 位序生成。
若希望少占 IO，可改用 74HC595（3 线）或 TM1650（2 线 I2C）驱动，但用户要求「IO 管脚控制」，本方案用 11 个 IO 直驱。

4.5 UART / SWD / Download 模式接口

UART（4P 排针）：3V3 | PB6_TX | PB7_RX | GND，460800 8N1（与固件一致）。外部用 3.3V TTL USB-UART 小板。
SWD（4P 排针）：3V3 | PA4_SWDCLK | PA5_SWDIO | GND；板上 PA4 加 10K 下拉、PA5 加 10K 上拉。
Download 模式（按键）：PB3 串 10K 上拉到 3.3V，按键一端接 PB3、另一端接 GND。
- 复位/上电时按住该键（PB3=低），Bootloader 检测后进入 download 模式（UART 升级）。
- 需固件配合：Boot/src 引导代码增加「复位后读 PB3，低电平则进入 download」分支（当前 Boot V1.01.00 仅靠 USART1 2s 回车窗口 / 无有效镜像进入，需补这一条 GPIO 判定）。

5. BOM（关键器件）

位号	器件	参数/型号	封装	数量
U1	N32WB031	BLE SoC	QFN32	1
U2	TP4056	1A 锂电充电 IC	SOP8/ESOP8	1
U3	ME6211C33	3.3V 低压差 LDO	SOT23-5	1
Y2	32MHz 晶振	8pF, ±10ppm	1612(4P)	1
L3	4.7uH 功率电感	RDC≤250mΩ, 800mA	0805	1
L1	1.6nH 高频电感	SDCL1005C1N6STDF	0402	1
L2	1nH 高频电感	RF 匹配	0402	1
Q1	N-MOS	制冷片开关 AO3400/IRLML6244	SOT23	1
Q2	P-MOS	充电开关 AO3401	SOT23	1
Q3	N-MOS	充电开关驱动 2N7002	SOT23	1
Q_d1..3	NPN	位选驱动 MMBT3904	SOT23	3
D1,D2,D_fw	肖特基	SS34(3A/40V)	SMA	3
NTC	NTC 热敏	10K B3950 1%	0603/玻璃	1
R_ref	电阻	10K 1%	0402	1
Rprog	电阻	1.2K 1%	0402	1
段限流	电阻	330Ω	0402	8
位选基极	电阻	1K	0402	3
栅极/上拉	电阻	10K / 22Ω / 1K 若干	0402	~10
DS1..3	数码管	3 位共阴红色	0.36/0.56"	1(3位)
J	排针	2×4P UART+SWD、电池、TEC、NTC	2.54mm	若干
电容	退耦/滤波	见下表	0402/0603/0805	若干

退耦电容（按硬件指南最小系统）：1uF×4、0.1uF×12、2.2uF×1、4.7uF×1、10uF×5、10pF×2、12pF×2、47pF×1；另加电源 100uF 电解×1、100nF×若干。

6. 固件兼容性说明（重要）

项	现状	需要的改动
UART	已是 PB6/PB7 (AF4)	无
SWD	PA4/PA5	无（注意 PA4 下拉/PA5 上拉硬件接法）
32.768K 晶振	固件用内部 LSI，未用 LSE	本设计不焊 32.768K 晶振，PB8/PB9 复用为 ADC/位选
制冷片温度	固件现用内部温度/电压 ADC	新增 PB8 单端 NTC 采样 + 查表换算（`app_info.c` 扩展）
TEC PWM	无	新增 TIM3_CH1(PB4) PWM 输出 + 占空比控制命令（`appset` 增项）
充电使能	无	新增 PB0 GPIO 输出控制 CHG_EN
下载模式按键	Boot 仅 USART 窗口/无镜像进入	`Boot/src` 增 PB3 读引脚判定进入 download
数码管	无	新增定时器中断动态扫描 + 段码表（或复用 LED 任务）

7. PCB Layout 要点（摘自硬件指南 V1.4）

RFIOP(25)：走线短而直、50Ω、四周包地、下方不走线；天线周边 ≥3mm 净空；天线口建议加 TVS 防静电。
32MHz 晶振(29/30)：两条走线短且等长、四周包地；下方（尤其 VDCDCRF 走线）不走线；远离大电流/高速线。
芯片 GND：底部大焊盘，中心 0.6/0.4mm + 四周 8×0.5/0.3mm 共 9 个过孔接地。
电源：走线粗短，小电容近芯片脚；VDCDC(24) 与 SWITCH(23) 间的 4.7uH 电感贴近放置。
TEC 大电流：VSYS/TEC-/MOS 走线加宽（1A 每 1mm 线宽经验值），MOS 与肖特基尽量贴近 TEC 端子。

8. 待确认/可选

电池规格（容量/尺寸：软包 or 18650）→ 决定 TP4056 充电电流与结构。
TEC 规格（TEC1-03103 等）→ 决定 Q1 选型与是否加 LC 平滑。
数码管尺寸/颜色（0.28/0.36/0.56 英寸、红/白）→ 决定限流电阻与结构开窗。
是否显示 °C 符号/小数点（本设计已预留 DP 段）。
是否需要 充电状态灯（可占用备用 PB12/PB13 + TP4056 CHRG/STDBY）。

文档生成：基于 N32WB031 STB V1.3 原理图 + 硬件设计指南 V1.4 + 用户手册 V1.5（引脚 AF 表/ADC 通道/时钟）。

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