任务介绍

题目要求：设计一个能实时显示锂电池电压和剩余电量的模块（建议使用带电荷泵计量的芯片）

1. 使用4位数码管显示
2. 支持3.7V锂电池
3. 具备低电量报警功能
4. PCB尺寸建议控制在50mm×30mm范围内
5. 主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

请注意：PCB设计工具需用KiCad（官方邮件赠送了课程），或最终提交的文件需是KiCad文件，详见大赛主页阶段1要求和项目提交内容。

模块介绍

根据任务要求本次我选用的是STM8S003F3P6TR和MAX17048G+T10芯片设计了一款移动电源电量显示模块，本电路模块是一套基于STM8S003F3P微控制器的多功能显示与监控系统，集成了电池电量检测、数码管显示、蜂鸣报警、LED指示等功能，适用于便携式设备、仪器仪表等场合。主要设计目标是实现对电源状态的实时监控、数据可视化显示以及异常状态的声光报警。

主要功能与架构说明：

1. 主控单元
2. • U1（STM8S003F3P）：负责系统的核心控制，包括数据采集、处理、显示驱动和报警逻辑。
2. 电源管理
3. • U3（ME6211C33M5）：3.3V LDO稳压器，为主控及外设提供稳定电源。
   • VBUS输入：通过J2端子输入，适配多种供电场景。
3. 电池电量检测
4. • U2（MAX17048G+T10）：高精度锂电池电量计，通过I2C与主控通信，实时监测电池电压和剩余电量。
   • 相关分压电阻（R2、R3）：用于电池电压采样。
4. 显示模块
5. • U4（CA56-12CGKWA）：四位共阳数码管，用于显示电量、电压或其他状态信息。
   • U5（MAX7221）：数码管驱动芯片，简化主控与显示的接口，支持多位数码管动态显示。
5. 声光报警
6. • BZ1（蜂鸣器）+ Q1（SS8050）：主控通过三极管驱动蜂鸣器，实现异常报警。
   • D2（LED）：状态指示灯，配合主控用于电量低、充电等状态提示。
6. 接口与调试
7. • J1：主控编程与调试接口（含SWIM、NRST等）。
   • J2/J3：电源输入与外部连接端子。
7. 外围保护与滤波
8. • D1（1N4148W）：为蜂鸣器回路提供反向保护。
   • C1~C8：多处去耦与滤波电容，提升系统抗干扰能力。

典型应用流程：
外部供电经LDO稳压后为主控和外设供电，主控通过I2C读取电池电量信息，并将数据通过MAX7221驱动数码管显示。当检测到电量过低或其他异常时，主控控制三极管驱动蜂鸣器报警，同时点亮LED指示。

STM8S003F3P6TR芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/stmicroelectronics/STM8S003F3P6TR/4357536

MAX17048G+T10芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/analog-devices-inc-maxim-integrated/MAX17048G-T10/3758921

MAX7219CWG+T芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/analog-devices-inc-maxim-integrated/MAX7219CWG-T/1514450

LTC-4727JR芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/liteon/LTC-4727JR/408224

原理图和PCB模块介绍

一、原理图模块介绍

1. 电源管理与分配
2. • VBUS输入（J2）：外部电源输入端，通常为5V。
   • LDO稳压（U3, ME6211C33M5）：将VBUS降压至3.3V，供主控、显示、传感等电路使用。
   • 去耦电容（C1~C8）：分布在各芯片电源脚附近，抑制电源噪声，提升系统稳定性。
2. 主控单元
3. • STM8S003F3P（U1）：负责数据采集、处理、显示控制、报警逻辑等核心功能。
   • 编程/调试接口（J1）：包含SWIM、NRST等信号，便于固件烧录和调试。
3. 电池电量检测
4. • MAX17048（U2）：通过I2C与主控通信，实时检测电池电压和剩余电量。
   • 分压电阻（R2、R3）：用于电池电压采样，确保输入电压在芯片允许范围内。
4. 显示模块
5. • 数码管（U4, CA56-12CGKWA）：四位共阳数码管，显示电量、电压等信息。
   • 数码管驱动（U5, MAX7221）：SPI接口，简化主控与数码管的连接，支持多位动态显示。
5. 声光报警
6. • 蜂鸣器（BZ1）+ 驱动三极管（Q1, SS8050）：主控输出信号驱动三极管，控制蜂鸣器报警。
   • LED指示（D2）：状态指示灯，配合主控用于电量低、充电等状态提示。
   • 保护二极管（D1, 1N4148W）：为蜂鸣器回路提供反向电流保护。
6. 外围电阻/电容
7. • 上拉/下拉电阻（R1、R4、R5、R6、R7、R8、R9）：用于信号稳定、限流等。
   • 滤波电容（C2、C5、C6等）：提升电源和信号的抗干扰能力

原理图

二、PCB模块布局介绍

1. 电源与地线布局
2. • 电池输入端（J2、J1）和LDO（U3）靠近板边，便于外部接线和散热。
   • 3.3V电源通过宽铜线分配到主控、显示、检测等模块，确保供电稳定。
   • 地线采用大面积铺铜，减少地回路干扰。
2. 主控与信号线
3. • 主控芯片（U1）居中布局，便于与各功能模块的信号连接，减少走线长度。
   • SWIM、NRST等调试信号引出至J1，方便调试。
3. 显示与驱动
4. • 数码管（U4）靠近PCB一侧边缘，便于面板开窗显示。
   • 数码管驱动芯片（U5）紧邻数码管，减少高频信号走线长度，降低干扰。
4. 电池检测与报警
5. • 电量检测芯片（U2）靠近电池采样输入，减少采样误差。
   • 蜂鸣器（BZ1）和驱动三极管（Q1）靠近板边，便于声音外放和散热。
5. 去耦与滤波
6. • 各芯片电源脚附近均布置去耦电容，优先靠近芯片放置。
   • 关键信号线（如I2C、SPI）适当加宽并远离高噪声区域。
6. 接口与外设
7. • J1、J2、J3等接口均布置在PCB边缘，便于外部连接和维护。

PCB

3D效果图

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

1. 供电电压范围
2. • 外部输入（VBUS）：4.5V ~ 5.5V
   • 板载LDO输出：3.3V（±2%）
2. 功耗
3. • 静态功耗：< 1mA（主控待机，显示关闭）
   • 工作功耗：< 50mA（数码管全亮，蜂鸣器工作）
3. 电池检测
4. • 支持单节锂电池（2.5V ~ 4.2V）电量检测
   • 电压检测精度：±1%（MAX17048典型值）
   • 电量分辨率：1%
4. 显示功能
5. • 四位共阳数码管，绿色高亮
   • 可显示电压、电量百分比、错误码等
   • 刷新率：> 100Hz（无闪烁）
5. 报警功能
6. • 蜂鸣器声压级：≥ 85dB @ 10cm
   • LED指示：高亮0402封装，状态可编程
6. 接口特性
7. • I2C通信速率：最高400kHz（MAX17048）
   • SPI通信速率：最高10MHz（MAX7221）
   • 支持SWIM单线调试
7. 环境适应性
8. • 工作温度：-20℃ ~ +70℃
   • 存储温度：-40℃ ~ +85℃

管脚定义板上设置及标识

1. STM8S003F3P（U1）

2. MAX17048（U2）

3. MAX7221（U5）

4. CA56-12CGKWA（U4）

eZ-PLM上新建物料和项目的截图

使用了eZ-PLM系统上传了自己的工程文件，方便保存记录各个版本，也可随时查阅，系统里查阅不到的物料也支持手动添加。

物料添加展示图

项目详情图

心得体会

本次设计一个能实时显示锂电池电压和剩余电量的模块，这次配着MCU单片机芯片，画PCB注意的地方会更多，希望下次继续加油！！