一、任务简介
设计一款数字温湿度传感器采集模块，通过数字接口输出环境温度和湿度数据。
基本要求：
- 集成数字温度或环境传感器；
- 支持 I2C、SPI 或 1-Wire 等数字接口；
- 板载 3.3V/5V 供电及去耦电容；
- 提供 MCU 接口及上拉电阻；
- 板载工作指示 LED；
- 主要器件可在 DigiKey 购买。
本设计采用 SHT40 温湿度传感器，通过 I2C 与 MCU 通信；输入电压为 5V，经 RT9193-33GB 稳压至 3.3V 供电；配置电源指示 LED 和必要去耦电容。
二、方案介绍
图1：方案框图
模块采用 SHT40 作为核心器件，通过 4Pin 接口引出：
- +5V
- SDA
- SCL
- GND
工作流程：
外部 5V 输入
→ RT9193-33GB 输出 3.3V
→ SHT40 采集温湿度
→ I2C 输出数据
相比模拟传感器，SHT40 直接输出数字数据，无需 ADC，电路简单、抗干扰能力强。
三、模块介绍
1. 器件选择
主要组成如下：
1）SHT40 温湿度传感器（Digikey 链接：SHT40-AD1B-R2 Sensirion AG | 湿度、湿敏传感器 - DigiKey）
采集环境温度和湿度，通过 I2C 输出数据。
2）RT9193-33GB 稳压器（Digikey 链接：RT9193-33GB Richtek USA Inc. | 稳压器 - 线性低压差（LDO）稳压器 - DigiKey）
将 5V 转换为 3.3V。
3）H1 接口
引出 +5V、SDA、SCL、GND。
4）C1~C4 去耦电容
用于电源滤波和稳定供电。
5）I2C 上拉电阻
为 SDA、SCL 提供上拉。
6）LED + R1
用于电源状态指示。
2. 功能说明
模块具备以下功能：
- 5V 电源输入；
- 板载 3.3V 稳压；
- 温湿度采集；
- I2C 数字通信；
- 标准 4Pin 接口；
- 电源指示；
- 传感器热隔离布局；
- 电源去耦滤波。
MCU 通过 I2C 发送测量命令并读取温湿度数据。
3. 应用领域
适用于：
- 温湿度采集实验；
- 环境监测系统；
- 智能家居；
- 仓储与机房监控；
- 数据记录仪；
- 自动控制系统；
- 物联网节点。
四、原理图和 PCB 模块介绍
1. 原理图模块说明
图2：原理图
原理图包括：
- 电源输入
- 稳压电路
- SHT40 传感器
- I2C 接口
- LED 指示电路
1）电源输入电路
H1 接口定义：
1 脚：+5V
2 脚：SDA
3 脚：SCL
4 脚：GND
2）稳压电路
采用 RT9193-33GB：
- VIN 接 5V
- VOUT 输出 3.3V（VCC）
- C1、C2 用于输入输出滤波
VCC 为 SHT40 和 I2C 上拉电阻供电。
3）SHT40 传感器电路
连接关系：
- VDD → 3.3V
- VSS → GND
- SDA → MCU SDA
- SCL → MCU SCL
C3（10 μF）和 C4（100 nF）用于本地去耦。
4）I2C 通信接口电路
SDA、SCL 通过约 4.7 kΩ 电阻上拉至 3.3V，保证 I2C 总线正常工作。
5）电源指示电路
LED 与 R1 串联接入电源。
模块上电后 LED 点亮，用于状态指示。
2. PCB 正面设计说明
图3：PCB正面
PCB 采用双层结构：
- 底部：4Pin 接口
- 中部：稳压与指示电路
- 顶部：SHT40 采集区域
主要器件布局：
- SHT40：顶部独立区域
- RT9193：中部稳压区
- C1、C2：LDO 附近
- C3、C4：传感器附近
- LED、R1：电源区域
- H1：底部接口
3. PCB 设计说明
图4：2D效果图（左：正面；右：背面）
图5：3D效果图
布局原则：
- SHT40 远离热源；
- 传感器区域开槽隔离；
- 减少热量传导；
- 去耦电容靠近器件；
- LDO 输入输出电容紧邻芯片；
- 接口集中于底部；
- 丝印标识清晰；
- I2C 走线短且规整；
- 电源区域分区明确；
- 避免传感器下方大面积铺铜。
该布局有助于提高温湿度测量准确性和响应速度。
五、性能指标和管脚定义
1. 主要性能指标
项目 | 参数说明 |
|---|---|
模块类型 | 数字温湿度采集模块 |
核心传感器 | SHT40 |
测量参数 | 温度、湿度 |
通信方式 | I2C |
输入电压 | 5V |
工作电压 | 3.3V |
稳压芯片 | RT9193-33GB |
MCU 接口 | 4Pin 排针 |
接口信号 | +5V、SDA、SCL、GND |
电源指示 | LED |
PCB 类型 | 双层 PCB |
适用平台 | STM32、ESP32、Arduino 等 |
2. 输入接口管脚定义
管脚 | 名称 | 功能 |
|---|---|---|
1 | +5V | 电源输入 |
2 | SDA | I2C 数据线 |
3 | SCL | I2C 时钟线 |
4 | GND | 电源地 |
3. SHT40 引脚连接说明
引脚 | 连接方式 | 功能 |
|---|---|---|
SDA | MCU SDA | 数据通信 |
SCL | MCU SCL | 时钟通信 |
VDD | 3.3V | 电源输入 |
VSS | GND | 电源地 |
EP | 按封装要求处理 | 固定/接地 |
4. 电源网络说明
电源网络 | 来源 | 用途 |
|---|---|---|
+5V | 外部输入 | LDO 输入、LED |
3.3V(VCC) | RT9193 输出 | SHT40 与 I2C 上拉 |
GND | 外部输入 | 公共地 |
六、心得体会
本设计完成了基于 SHT40 的数字温湿度采集模块，实现了温湿度测量、I2C 通信、5V 转 3.3V 供电及电源指示功能。
设计过程中重点考虑了稳压供电、I2C 通信、去耦滤波以及传感器热隔离布局。通过将 SHT40 放置于 PCB 边缘并采用开槽隔离，有效减小了板载热源对测量结果的影响。
通过本次设计，加深了对数字传感器、电源设计及 PCB 布局优化的理解，也认识到环境传感器设计中热管理的重要性。后续可增加测试点、优化开槽结构及可选上拉电阻，以进一步提升模块兼容性和可维护性。
john
枫雪天金L