一、任务介绍

设计一款集成数字温度（或环境）传感器的采集模块，通过数字接口直接读取传感器值，为后续测量或控制系统提供数据源。基本要求：

1. 至少集成一种数字温度传感器（DS18B20、BME280、SHT30 等）
2. 数字通信接口（I2C/SPI/1-Wire 至少一种）
3. 板载3.3V或5V供电，含去耦电容
4. 提供MCU接口（含必要的上拉电阻）
5. 板载工作指示LED

请注意：设计所用的主要器件需在DigiKey官网上有货且正常售卖

二、方案介绍

1. 整体功能流程

外部 3.3V 电源输入后，分为四路供电：

• SHT30 传感器芯片（带片旁 0.1μF 去耦电容滤除电源噪声）
• I2C 总线 10kΩ 上拉电阻（SDA/SCL 线上拉至 VDD，满足 I2C 开漏电平规范）
• 电源指示 LED（串联 5.1kΩ 限流电阻，上电常亮）
• 4P MCU 对外接口排针（引出 VDD、GND、SDA、SCL）

2. 板上资源框图

资源框图

3. 方案亮点

1. SHT30 单芯片实现温湿度同步采集，测量精度高、出厂校准；
2. 纯 3.3V 单电源设计，完美匹配 STM32、ESP32、51 单片机等主流 MCU；
3. 集成 I2C 上拉电阻，无需主控额外增加，接线极简；
4. 小型化 PCB，结构紧凑，便于嵌入设备外壳；
5. 硬件电路极简，焊接、调试门槛低。

三、模块介绍

模块 1：温湿度传感核心模块

核心芯片：SHT30-ARP-B2.5KS（Sensirion 盛思锐）

1. 功能：高精度数字温湿度传感器，内置 ADC 与出厂校准寄存器，通过 I2C 总线输出补偿后的温度、相对湿度数据；内置硬件复位引脚，低功耗待机模式；工作电压 2.4~3.6V，适配 3.3V 系统。
2. 关键参数：测温 - 40~125℃，精度 ±0.3℃；测湿 0~100% RH，精度 ±3% RH；I2C 最高 1MHz 通信速率。
3. DigiKey 商品链接：https://www.digikey.com/en/products/detail/sensirion-ag/SHT30-ARP-B/5872249
4. 外围配套：VDD 引脚并联 100nF 陶瓷去耦电容，抑制电源高频干扰。

模块 2：I2C 总线匹配模块

器件：10kΩ 0402 贴片电阻（R2、R3）功能：I2C 总线标准上拉电阻，将 SDA、SCL 信号线电位拉至 3.3V，保证总线空闲时为高电平，实现开漏通信；选用 10kΩ 阻值适配短距离板载通信。

模块 3：电源指示模块

器件 1：红色 LED NCD0402R1 功能：模块上电点亮，直观判断 3.3V 供电是否正常，快速排查供电故障。

器件 2：5.1kΩ 限流电阻 R4 功能：限制 LED 导通电流，防止过流烧毁，稳定发光亮度。

模块 4：电源滤波器件

器件：100nF (0.1μF) 陶瓷电容 C2 功能：紧贴 SHT30 电源引脚，滤除电源纹波、抑制高频噪声，提升传感器读数稳定性。

模块 5：MCU 对外接口模块

器件：4P 2.54mm 直插排针 H2 功能：引出 VDD、GND、SDA、SCL，直插 MCU 开发板，无需额外飞线。

四、原理图和PCB模块介绍

1. 原理图设计说明

原理图分为 4 个独立功能单元：

1. 对外 MCU 接口单元（H2）
   4 引脚定义：1-VDD、2-GND、3-SDA、4-SCL，作为模块与主控的通信桥梁。
2. I2C 上拉单元（R2、R3）
   SDA、SCL 分别通过 10kΩ 电阻上拉至 3.3V VDD，总线电平符合 I2C 协议规范。
3. SHT30 传感核心单元（U1、C2）
4. • 引脚 1 (RH)=SDA、引脚 4 (T)=SCL；引脚 2/3/7/8/9 全部接地；
   • 引脚 6 (nREAET) 直接接 VDD，硬件保持传感器不复位；
   • 引脚 5 (VDD) 接 3.3V，并联 100nF 去耦电容至 GND；
   • EP 焊盘接地，增强散热与抗干扰。
4. 电源指示单元（R4、LED1）
   VDD 经 5.1kΩ 限流电阻接入红色 LED 阳极，阴极接地，上电常亮。

原理图

2. PCB 设计说明

1. 板材与尺寸：FR-4 双层 PCB，小型方形板，尺寸约 10mm×10mm，贴片 + 直插混合工艺。
2. 布局规范
3. • 4P 排针 H2 统一布置在 PCB 左侧，方便外部接线；
   • SHT30 芯片放置 PCB 右侧区域，远离 LED 热源，降低自发热测温误差；
   • 去耦电容 C2 紧贴 SHT30 的 VDD 与 GND 焊盘，缩短电源回流路径；
   • R2/R3 上拉电阻紧邻 SDA/SCL 芯片引脚，减少信号走线长度；
   • LED 布置在左上角，便于视觉观察工作状态。
3. 布线规则
4. • 电源走线 (VDD) 加宽，降低压降；GND 大面积铺铜，完整地平面；
   • SDA/SCL I2C 信号线短直走线，无锐角拐角，远离电源回路；
   • 底层完整铺铜接地，单点回流，降低电磁干扰。
4. 工艺适配：0402 贴片电阻电容、DFN-8 贴片 SHT30、2.54mm 直插排针，支持手工焊接与 SMT 批量贴片。

PCB图

五、模块主要性能指标与管脚定义

1. 核心性能指标

2. 对外 MCU 排针 H2 管脚定义

3. SHT30 芯片管脚定义（板载 U1）

六、设计心得体会、意见与建议

（一）设计心得体会

1. 器件选型经验
   对比 DS18B20（仅测温、1-Wire 速率低）、BME280（气压传感器成本更高），SHT30 专为温湿度采集优化，精度更高、电路更简洁；设计前全部核对 DigiKey 库存，规避器件停产、断货风险，保证方案可落地采购。
2. I2C 总线设计要点
   初期仿真测试发现：若省略上拉电阻，MCU 读取数据会频繁乱码；本设计采用 10kΩ 上拉，适配板载短距离通信，若后续延长接线可更换 4.7kΩ 电阻提升驱动能力；上拉电阻必须紧邻传感器引脚，不可靠近外部排针，避免信号衰减。
3. 电源与信号完整性
   去耦电容紧贴 SHT30 电源引脚是关键，无电容时温湿度读数会出现随机跳变；完整地平面可大幅降低电磁干扰，在电机、开关电源附近使用时，测量稳定性显著提升。
4. PCB 布局优化心得
   LED 通电会产生微量热量，若紧贴 SHT30 会造成温度测量漂移，因此布局时将两者分区放置；SHT30 芯片开窗裸露，保证空气流通，还原真实环境温度。
5. 标准化设计价值
   统一 3.3V I2C 接口，兼容市面上绝大多数单片机、物联网模块；板载电源指示灯，调试时可快速定位供电故障，降低开发调试成本。

（二）改进意见与优化建议

硬件优化建议

1. 增加 ADDR 地址选择焊盘：预留 0Ω 电阻焊盘，可切换 I2C 地址 0x44/0x45，实现单总线挂载多片 SHT30；
2. 增加外部复位按键：在 nRESET 引脚增加上拉电阻与按键，方便硬件复位传感器；
3. 兼容 5V 供电拓展：新增 AMS1117-3.3 稳压电路，支持外部 5V 输入，拓宽供电场景；
4. 预留屏蔽罩焊盘：高电磁干扰工业场景可加装金属屏蔽罩，提升测量抗干扰能力。