关键词：STM32F103、HHC1000、PGA116、AD8606、气敏传感器、PCB设计、加热控制、N20电机

1. 项目背景

本项目设计了一块基于 STM32F103C8T6 的 8 路 HHC1000 微热板气敏传感器 PCB，同时集成 4 路 N20 直流电机驱动，适合做多通道气体检测、传感器阵列标定和小型移动平台验证。

设计目标包括：

• 8 路 HHC1000 传感器采集；
• 8 路加热器独立 PWM 控制；
• 12 位 ADC 采集；
• 4 路 N20 电机正反转与调速；
• USB-C 供电；
• SWD 调试、BLE 扩展、蜂鸣器和状态指示；
• 2 层 PCB，控制成本和打样难度。

2. 系统总体架构

USB-C 5V
  │
  ├─ 0.5A PTC → 电源开关 → +5V
  │                         ├─ RT9013 → 3.3V（MCU/模拟/加热）
  │                         └─ LD1117S18 → 1.8V（传感器测量偏置）
  │
STM32F103C8T6
  ├─ 8× HHC1000
  │    └─ RS_OUT → RC → AD8606 跟随 → PGA116 → PA1 ADC
  ├─ 8× 加热器
  │    └─ 3.3V → 130Ω → HHC1000 加热丝 → SI2302 低边 PWM
  ├─ 4× RZ7899
  │    └─ 4× N20 电机
  └─ USB / SWD / BLE / 蜂鸣器 / LED

核心信号链：

HHC1000 → RC 滤波 → AD8606 → PGA116 → STM32 ADC

核心加热链：

STM32 PWM → 100Ω 栅极电阻 → SI2302 → HHC1000 加热丝

核心电机链：

STM32 PWM + DIR → RZ7899 → N20 电机

3. 电源设计

3.1 输入与保护

• 输入接口：USB-C；
• CC1/CC2 各接 5.1kΩ 下拉，作为 USB-C Sink；
• 输入串联 0.5A PTC；
• 滑动开关控制整板 5V 通断；
• 5V 给 3.3V LDO、1.8V LDO 和 RZ7899 电机驱动。

3.2 3.3V 电源

• LDO：RT9013-33GB；
• 输出：3.3V；
• 主要负载：STM32、AD8606、PGA116、加热器、RZ7899 逻辑；
• 输入输出加 10uF 和 100nF 去耦。

3.3 1.8V 电源

• LDO：LD1117S18TR；
• 输出：1.8V；
• 主要用途：8 路 HHC1000 测量电极偏置，以及 1.8V 指示灯；
• 输入输出加 10uF 和 100nF。

注意：1.8V 不是给加热器供电，加热器使用 3.3V 经限流电阻供电。

4. STM32 最小系统

主控采用 STM32F103C8T6：

• ARM Cortex-M3，72MHz；
• 64KB Flash，20KB SRAM；
• 12 位 ADC；
• 4 个定时器，最多 16 路 PWM；
• 2 个 SPI、2 个 I2C、3 个 USART、USB 2.0；
• LQFP-48 封装。

板载资源：

• 8MHz 高速晶振；
• 32.768kHz RTC 晶振；
• 复位按键；
• BOOT0/BOOT1 跳线；
• SWD 调试接口；
• USB-C；
• BLE 模块接口；
• 蜂鸣器；
• 状态 LED。

5. 8 路传感器采集电路

5.1 传感器接口

每个 HHC1000 使用 4 个端子：

• 1.8V：测量电极偏置；
• HEAT_IN：加热正端；
• HEAT_OUT：加热负端；
• RS_OUT：传感电极输出。

8 路传感器分布在 PCB 四周，共 32 个单排针接口。

5.2 模拟前端

每路信号经过：

RS_OUT → 对地负载电阻 → RC 滤波 → AD8606 单位增益跟随 → PGA116

• R25/R26/R28~R32/R36：传感器负载电阻；
• C19~C29：传感器滤波电容；
• AD8606：双路精密运放，用作高阻缓冲；
• PGA116：8 选 1 可编程增益放大器；
• PGA116 输出 PA1_VOUT 接到 STM32 的 PA1 ADC。

5.3 PGA116 接口

PGA116 信号	STM32 引脚
CS	PB12
SCLK	PB13
DOUT	PB14
DIN	PB15
VOUT	PA1

PGA116 通过 SPI2 配置通道和增益，8 路传感器共用一个 ADC 输入，减少 MCU 引脚占用。

6. 8 路加热控制

6.1 加热电路

每路加热器使用：

• 3.3V 加热轨；
• 130Ω 串联限流电阻；
• HHC1000 加热丝；
• SI2302 N 沟道 MOSFET 低边开关；
• 100Ω 栅极电阻；
• 10kΩ 栅极下拉。

HHC1000 加热器参数：

• 室温电阻：45±5Ω；
• 典型工作电压：1.5V；
• 最大工作电压：1.8V；
• 最大工作电流：19mA。

6.2 当前工作点

3.3V + 130Ω 时：

• 冷态电流约 18.9mA；
• 热态加热器电压约 1.25~1.40V；
• 对应温度约 200~250℃。

这个工作点比 1.5V 典型值略低，但仍在安全范围内，适合先做功能和响应验证，后续可通过恒流驱动或调整限流电阻提高温度。

6.3 需要确认的地方

当前工程中：

• R14 = 56Ω；
• R38/R41~R46 = 130Ω；
• 8 路电阻值不一致。

如果 R14 接 3.3V，冷态电流会达到约 32.7mA，超过 19mA，存在损坏风险；如果 R14 实际接 1.8V，则通道 1 温度会明显低于其他 7 路。建议最终统一 8 路加热电阻和供电方式。

7. 4 路电机驱动

采用 4 片 RZ7899 双 H 桥驱动 4 个 N20 电机：

电机	PWM	方向
M1	PB8 / TIM4_CH3	PA4
M2	PB9 / TIM4_CH4	PA5
M3	PB7 / TIM4_CH2	PA0
M4	PB6 / TIM4_CH1	PA10

每个电机有 IN1/IN2 两个控制输入：

• IN1=PWM，IN2=0：正转调速；
• IN1=0，IN2=PWM：反转调速；
• 两个都为 0：滑行；
• 两个都为 1：刹车。

建议 PWM 频率 20kHz，减少电机啸叫。

8. 关键芯片总结

芯片	作用	关键点
STM32F103C8T6	主控	72MHz，12 位 ADC，16 路 PWM
PGA116	8 选 1 可编程增益放大	SPI 控制，增益 1~128
AD8606	双路精密运放	8 路高阻缓冲
HHC1000	微热板气敏传感器	45Ω 加热丝，1.8V/19mA 上限
RZ7899	双 H 桥电机驱动	4 个 N20 电机
RT9013-33	3.3V LDO	MCU/模拟/加热供电
LD1117S18	1.8V LDO	传感器测量偏置
SI2302	N 沟道 MOSFET	8 路加热低边开关

9. PCB 设计要点

• 2 层板，尺寸约 93×100mm；
• 四个 N20 电机布置在板子四角；
• 8 组传感器沿板边分布；
• 顶层和底层铺 GND；
• 每个电机驱动旁放 10uF+100nF；
• 每个加热器附近放 100nF；
• PGA116 和 MCU 附近加强地过孔；
• 模拟信号远离电机和加热 PWM 走线；
• VDDA 通过磁珠和 1uF+100nF 滤波；
• USB-C、SWD、BLE、BOOT 接口放在板边，方便调试。

10. 调试顺序建议

1. 先只焊电源，测 5V、3.3V、1.8V；
2. 焊 STM32 最小系统，确认 SWD 能识别；
3. 用已知电压测试 PGA116 和 ADC；
4. 用 45Ω 功率电阻代替 HHC1000，测试加热 PWM 和电流；
5. 用已知电阻代替传感器，标定 RS_OUT 和 PGA 增益；
6. 最后接 HHC1000 和电机，逐步增加负载。

11. 当前版本待优化项

• 59 个阻容尚未赋值，BOM 还没闭环；
• R14 与其余 7 路加热电阻不一致；
• 0.5A PTC 和开关对 4 个电机余量偏小；
• 3.3V LDO 承担约 200mA 负载，需要关注温升；
• PA1_VOUT、`PA3_ADC_R` 等模拟走线偏长；
• U18/U1 旋转角度、BT1 板边距离等 DFM 项可继续优化；
• 建议增加测试点、fiducial 和关键信号丝印；
• 如果下一版继续提高气体测量稳定性，建议评估 4 层板方案。

12. 总结

这套板子的整体架构是完整的：

• HHC1000 负责加热和传感；
• AD8606 做高阻缓冲；
• PGA116 做 8 选 1 和可编程增益；
• STM32 做 ADC、PWM 和通信；
• RZ7899 驱动 4 个 N20 电机；
• 3.3V/1.8V LDO 分别负责系统和传感器偏置。

当前最适合的定位是：8 路气敏传感器阵列 + 4 轮移动平台的硬件验证板。在完成阻容赋值、加热电阻统一、电源余量和模拟走线优化后，可以进一步提高系统稳定性和测量一致性。