Ирримат

Это своеобразный журнал разработки программно-аппаратного комплекса для автоматического полива комнатного растения. Данные будут добавляться по мере продвижения работ.

Предыстория

Чуть больше года назад я собрал простенькое устройство, которое замеряет уровень влажности грунта в цветочном горшке и включает водяную помпу, если эта самая влажность достигает некоторого минимального уровня. Устройство выводит данные об уровне влажности на встроенный дисплей, управляется маленькой пяти-позиционной кнопкой (джойстик) и питается от обычного 5-вольтового источника питания (такого как зарядка от телефона).

Мне также понравилась идея такого корпуса устройства, которое является просто подставкой под горшок. Датчик влажности устанавливается в грунт, трубка подачи воды крепится на краю горшка. Помпа находится в воде, внутри контейнера с водой.

В течение года устройство исправно выполняло свою функцию, но буквально в новогодние праздники случилась небольшая авария. Я обнаружил, что сигнальный светодиод (он включается, когда нужен полив) постоянно светится. В ходе изучения причин выяснилось, что вышел из строя (сгорел) порт микроконтроллера (а там используется отладочная плата Arduino), который открывает транзистор, через который подается питание на помпу. При этом, насколько я понимаю, базовая защита от индукционных бросков у меня в виде диода (параллельно помпе) есть.

Случившееся стало для меня поводом разобраться в причинах поломки получше, а также учесть этот и, скорее всего иные имеющиеся, недостатки как схемотехники, так и программной реализации устройства.

Короче говоря, я решил переделать устройство. При этом я решил отказаться от использования Arduino в пользу микроконтроллеров ST - давно хотелось попробовать.

Я написал начальные требования к будущему устройству:

Питание от сменных батарей типа АА (4 шт.) или аккумуляторов типоразмера 14500 (4 шт.), или аккумуляторов типоразмера 18650 (2 шт.);
Питание от внешнего источника 5 В (например, бытовых зарядных устройств для сотовых телефонов и т.п.);
Автоматическое переключение питания на батареи или аккумуляторы при отключении внешнего источника питания;
Автоматический режим заряда аккумуляторов при подключении внешнего источника питания;
Индикация при помощи светодиода (красный, мигание) во время заряда аккумуляторов;
Индикация при помощи светодиода (зеленый, свечение) во время работы от внешнего источника, после окончания заряда аккумуляторов;
Индикация при помощи светодиода (синий, мигание) о необходимости полива в режиме ручного полива или при нехватке воды в контейнере;
При работе от батарей или аккумуляторов индикация питания отсутствует;
Автоматическое измерение влажности почвы с установленным интервалом;
Автоматический контроль уровня воды в контейнере перед каждым включением помпы;
Включение помпы только при достижении нижней границы установленного минимального уровня влажности почвы и при достаточном объеме воды в контейнере;
Сохранение значений настроек режимов работы в энергонезависимой памяти (см. "Требования к ПО");
Управление работой и настройками при помощи 5-позиционного джойстика (см. "Требования к ПО");
Вывод информации о работе на графический дисплей при нажатии на кнопку джойстика и отключение дисплея через настраиваемое время (см. "Требования к ПО");
Включение/продление подсветки дисплея при нажатии на кнопки джойстика (см. "Требования к ПО").

Далее, я буду вести записи в форме журнала по датам.

08.02.2026

На сегодняшний день у меня есть микроконтроллер STM32L431CCT6, на базе которого я начал разработку схемы устройства.

Я нашел документ (далее - AN4555), описывающий основные требования к разработке устройств на базе указанного микроконтроллера. Используя этот документ совместно с другим (далее - Datasheet), изучаю, как правильно обеспечить питание.

Цепи питания

Выяснил, что имеются цепи питания:

V_DD/V_SS ("силовая" часть, питание основных цифровых узлов микроконтроллера);
V_DDA/V_SSA (питание узлов обработки аналоговых сигналов: АЦП, операционные усилители и т.п.);
V_BAT (резервное питание для обеспечения работы некоторых узлов при потере основного источника).

В AN4555 я нашел базовую схему обвязки, которую решил использовать.

Насколько я понимаю, керамические конденсаторы на 100 нФ между пинами V_DD и V_SS нужны в качестве буферов, сглаживающих возможные высокочастотные помехи. Это обуславливает, в том числе, их емкость. Эти конденсатоты надо будет не забыть установить как можно ближе к пинам, а лучше на обратной стороне под микроконтроллером. Кстати, именно такую рекомендацию дает разработчик микроконтроллера в AN4555: "These capacitors need to be placed as close as possible to, or below, the appropriate pins on the underside of the PCB.".

Единый для всей цепи V_DD/V_SS керамический конденсатор на 4.7 мкФ здесь играет роль более грубого фильтра, снижающего влияние низкочастотных помех. Для этого он имеет большую емкость и низкое сопротивление. Нужно не забыть установить этот конденсатор на плате непосредственно перед всеми керамическими конденсаторами на 100 нФ в упомянутой цепи.

Также, в AN4555 сказано о том, что в цепь V_DDA/V_SSA следует добавить, кроме керамического конденсатора еще дроссель (ИИ посоветовал, например, BLM18PG121SN1) для снижения влияния электромагнитных помех и еще один конденсатор на 10 мкФ перед ним.

Еще раз: керамический конденсатор рекомендуют устанавливать на каждую из цепей питания: "In addition, each power supply pair should be decoupled with filtering ceramic capacitors (100 nF) and a Tantalum or ceramic capacitor of about 10 μF connected in parallel on the STM32L4/STM32L4+ Series devices.".

BOOT0

Почитав раздел про загрузку, решил использовать по-умолчанию загрузку с основной флэш-памяти (что естественно, т.к. там размещается прошивка), но на всякий случай решил оставить опциональное включение режима встроенного загрузчика.

Почти всегда устройство будет загружаться с прошивки (флэш-память), значит по-умолчанию пин BOOT0 будет подтянут к земле. В случае необходимости можно подать на пин логическую 1, чтобы перейти в режим загрузчика.

14.02.2026

Посмотрел Datasheet на мой микроконтроллер с целью выписать все пины, имеющие "служебное" назначение (питание, сброс, внешнее тактирование и т.п.). Получилась следующая табличка:

Номер	Идентификатор
1	V_BAT
3	PC14-OSC32_IN
4	PC15-OSC32_OUT
5	PH0-OSC_IN
6	PH1-OSC_OUT
7	NRST
8	V_SSA/V_REF-
9	V_DDA/V_REF+
23	V_SS
24	V_DD
27	PB14 (SWCLK)
28	PB15 (SDWIO)
35	V_SS
36	V_DD
44	PH3/BOOT0
47	V_SS
48	V_DD

С пинами V_DD, V_SS, V_DDA, V_SSA и BOOT0 я вроде бы разобрался выше.

NRST

Пару слов про NRST. И в AN4555, и в Datasheet есть схемы подключения этого пина. А в Datasheet даются электрические характеристики и меры защиты пина. Вот такая схема, например:

В документе AN4555 сказано: "A system reset is generated when one of the following events occurs:... A low level on the NRST pin (external reset)". Буквально, это означает, что при низком уровне на пине выполняется сброс (один из вариантов сброса, на самом деле).

Примечание: конденсатор около кнопки RESET рекомендуют устанавливать как можно ближе к пину NRST.

SWD

В AN4555 сказано, что для SWD следует использовать пины PA13 (SWDIO) и PA14 (SWCLK). Кроме этого, на разъем для программирования нужно подвести линию NRST. Рекомендуемая схема из документа:

OSC32 (LSE)

Можно присмотреться к такому резонатору. Каждый вывод резонатора подключается к соответствующему пину и также через конденсатор на землю:

OSC (HSE)

Такой резонатор в аналогичном корпусе. Схема тоже отличается только номиналом конденсаторов и наличием резистора:

15.02.2026

V_BAT (дополнение)

Решил систематизировать информацию об этом пине и всем "аппаратном", что с ним связано. Буду рассматривать уже известные документы - Datasheet и AN4555, а также посмотрю, где еще встречаются сведения.

Вообще, для резервного питания можно использовать либо батарейку, либо ионистор, иногда именуемый суперконденсатором.

Сначала рассмотрим Datasheet. Среди общих возможностей микроконтроллера упоминатеся: "200 nA in VBAT mode: supply for RTC and 32x32-bit backup registers". Потребление 200 наноампер при поддержке работы RTC и регистров резервирования (пока назову так).

Отдельные разделы посвящены:

V_BAT operation
V_BAT battery voltage monitoring
V_BAT monitoring characteristics
Таблица 39: Current consumption in VBAT mode
Таблица 78: V_BAT monitoring characteristics
Таблица 79: V_BAT charging characteristics

Общее описание

В общем описании сказано, что "...A V_BAT input allows to backup the RTC and backup registers." - вход V_BAT позволяет резервировать питание RTC и регистров резервирования. Это я уже видел ранее :)

Диаграмма 1

Тут указано напряжение V_BAT: от 1.55 до 3.6 В. Дополнительно нарисован функциональный модуль, который может быть запитан от этого источника. В этот модуль, если я правильно понимаю, входят внешний тактовый резонатор на 32КГц, RTC, AWU (пока не знаю, что это) и регистры резервирования. Также данный функциональный модуль связан с шиной APB1 и сигналами OSC32_IN, OSC32_OUT, RTC_TS, RTC_TAMPx, RTC_OUT. Далее, наверное, я лучше пойму, что это значит.

Параграф 3.9.1 "Схемы источников питания"

В списке схем снова приводятся общие сведения: "VBAT = 1.55 to 3.6 V: power supply for RTC, external clock 32 kHz oscillator and backup registers (through power switch) when VDD is not present." (напряжение V_BAT от 1.55 до 3.5 В, питает RTC, внешний тактовый резонатор и регистры резервирования, при отсутствии питания через V_DD).

Схема 2 "Обзор источников питания"

Здесь изображен V_BAT, активирующийся при помощи некоего "Low voltage detector" и питающий так называемый "Backup domain" (пусть будет "Область резервирования"), в который входят "LSE crystal 32 K osc, BKP registers, RCC BDCR register, RTC".

Таблица 5 "Функциональность, зависящая от режима работы".

Тут приводятся сведения о том, какая периферия будет функционировать в определенных режимах работы микроконтроллера. В частности, есть режим VBAT, про который сказано, что:

Backup Registers: функционируют полностью
Low Speed External (LSE): функционирует опционально, по-умолчанию отключено
RTC / Auto wakeup: функционирует опционально, по-умолчанию отключено
Число RTC Tamper pins: The SRAM clock can be gated on or off (что бы это ни значило)

Параграф 3.9.5 "V_BAT operation"

Вывод V_BAT позволяет запитать резервную область от внешней батареи, внешнего суперконденсатора (ионистора) или от V_DD, когда нет внешней батареи и внешнего суперконденсатора. Вывод V_BAT обеспечивает питанием RTC, LSE и резервные регистры. В режиме VBAT доступны три контакта для защиты от несанкционированного доступа (anti-tamper detection).

V_BAT активируется автоматически, когда V_DD отсутствует.

Встроенная внутренняя схема зарядки аккумулятора V_BAT может быть активирована при наличии питания от V_DD.

Примечание

Когда микроконтроллер питается от V_BAT, внешние прерывания и сигналы RTC не выводят его из режима работы VBAT.

Параграф 3.11 "Тактирование и запуск"

Контроллер тактовой частоты распределяет тактовые сигналы, поступающие от различных генераторов, на ядро и периферийные устройства. Он также управляет синхронизацией в режимах с низким энергопотреблением и обеспечивает устойчивость тактовой частоты. Он оснащен, в числе прочего, LSCO (low speed clock output или низкоскоростной тактовый выход). LSCO выводит LSI или LSE во всех режимах с низким энергопотреблением, вплоть до режима ожидания. LSE также может выводиться на LSCO в режиме выключения. LSCO недоступен в режиме VBAT.

Параграф 3.15 "Аналого-цифровой преобразователь" (ADC)

Если я правильно понял, тут сказано, что пин VBAT можно использовать как вход АЦП: "5 internal channels: internal reference voltage, temperature sensor, VBAT/3, DAC1_OUT1 and DAC1_OUT2".

Параграф 3.5.3. Мониторинг напряжения батареи V_BAT

Встроенная аппаратная функция мониторинга позволяет измерять напряжение батареи V_BAT с помощью внутреннего канала АЦП ADC1_IN18. Поскольку напряжение V_BAT может быть выше, чем V_DDA, и, следовательно, находиться за пределами входного диапазона АЦП, вывод VBAT подключается к делителю на 3. Как следствие, преобразованное цифровое значение составляет одну треть от напряжения V_BAT.

Параграф 3.23. RTC и резервные регистры

RTC - это независимый таймер/счетчик. Он поддерживает следующие функции:

Функция метки времени, которая может использоваться для сохранения значения календаря. Она может быть активирована/деактивирована событием на пине, событием на пине защиты от несанкционированного доступа или переключением в режим VBAT.

RTC и 32 резервных регистра подключаются через коммутатор, который получает питание либо от источника питания V_DD, если таковой имеется, либо от вывода VBAT.

RTC работает в режиме VBAT и во всех режимах с низким энергопотреблением, когда он синхронизирован с LSE. При синхронизации с LSI, RTC не работает в режиме VBAT, но работает во всех режимах с низким энергопотреблением, кроме режима выключения (Shutdown).

Рисунок 12. Распиновка STM32L431Cx в корпусе LQFP48

Ну, тут просто сказано, что пин VBAT - это пин 1.

Таблица 15. Определение пинов STM32L431xx

Здесь тоже все понятно: VBAT явояется пином типа S (относится к подсистемам питания - supply).

Рисунок 18. Схема питания

На ней нет новой информации. Указано допустимое напряжение, коммутатор и питаемые компоненты, которые уже не раз упоминались.

Рисунок 19. Схема измерения потребления тока

На схеме указаны точки, которыми следует воспользоваться для измерения потребления тока. А так как в разных режимах работы потребление будет разным, нужно сверяться при этом с значением I_{DD_ALL} в таблицах с 26 по 38.

Таблица 19. Характеристики напряжения

Напряжение внешнего питания (включая V_DD, V_DDA, V_BAT): минимальное -0,3; максимальное - 4 В.

Все контакты основного питания (V_DD, V_DDA, V_BAT) и заземления (V_SS, V_SSA) всегда должны быть подключены к внешнему источнику питания в разрешенном диапазоне.

таблица 22. Общие условия эксплуатации

В очередной раз тут можно увидеть требования по напряжению для V_BAT: от 1.55 до 3.6 В.

Таблица 39. Потребляемый ток в режиме VBAT

А вот в этой таблице много справочного материала для соблюдения условий функционирования устройства. Приводятся значения потребления тока резервной областью при условии использования RTC и без него, при разных температурах. Например, в условиях комнатной температуры, при выключенном RTC и резервной батарее на 3 В, потребление должно быть от 5 до 12.5 наноампер. А вот при включенном RTC и тех же прочих условиях, потребление уже составит от 316 наноампер.

Параграф 6.3.24 Характеристики мониторинга V_BAT

Таблица 78. Характеристики мониторинга V_BAT

Символ	Параметр	Мин.	Тип.	Макс.	Ед.изм.
R	Резистор для V_BAT	-	39	-	кОм
Q	Коэффициент при измерении VBAT	-	3	-	-
Er	Ошибки Q	-10	-	10	%
t_{S_vbat}	Время дискретизации АЦП при считывании VBAT	12	-	-	мкс

Таблица 79. Характеристики зарядки V_BAT

Символ	Параметр	Условие	Мин.	Тип.	Макс.	Ед.изм.
R_BC	Резистор для зарядки батареи	VBRS = 0	-	5	-	кОм
R_BC	Резистор для зарядки батареи	VBRS = 1	-	1.5	-	кОм

В последней таблице указано значение, как я понял, бита VBRS, который отвечает за использование внутреннего сопротивления на 5 или 1.5 кОм для зарядки батареи. Если бит установлен, то зарядка будет идти быстрее.

Больше в Datasheet про VBAT ничего нет.

Теперь посмотрим, что есть в AN4555.

Параграф 2.1 "Источники питания"

Общие сведения:

напряжение V_BAT от 1.55 до 3.6 В
V_BAT служит источником питания для RTC, внешнего генератора тактовой частоты 32 кГц и резервных регистров, когда V_DD отсутствует.

На рисунках 1 и 2 (Power supply overview: STM32L4 Series, Power supply overview: STM32L4+ Series) приведены общие схемы для VBAT - коммутатор и питаемые модули.

Параграф 2.1.6 "Область резервирования"

Для сохранения содержимого резервных регистров и обеспечения функции RTC при выключенном V_DD вывод V_BAT может быть подключен к дополнительному резервному питанию, подаваемому от батареи или другого источника.

Вывод V_BAT обеспечивает питание блока RTC, LSE и пинов PC13-PC15, что позволяет RTC работать даже при отключенном основном источнике питания. Переключение на питание V_BAT осуществляется при отключении питания, с помощью встроенного блока управления сбросом.

Во время задержки при запуске VDD (tRSTTEMPO) или после обнаружения сбоя PDR (Power Down Reset - сброс при выключении питания) переключатель питания между V_BAT и V_DD остается подключенным к V_BAT.

На этапе запуска, если V_DD устанавливается за время, меньшее чем tRSTТЕМПО (значение tRSTТЕМПО приведено в техническом описании), и V_DD > V_BAT + 0,6 В, в V_BAT может подаваться ток через внутренний диод, подключенный между V_DD и выключателем питания (V_BAT).

Если источник питания или аккумулятор, подключенный к выводу V_BAT, не может поддерживать подачу такого тока, настоятельно рекомендуется подключить внешний диод низкого напряжения между этим источником питания и выводом V_BAT.

Если не используется внешняя батарея, рекомендуется подключить V_BAT к V_DD с помощью керамического разделительного конденсатора емкостью 100 нФ.

Когда резервная область подключается к V_DD, доступны следующие контакты:

PC13, PC14 и PC15 могут использоваться в качестве выводов GPIO или могут быть сконфигурированы для RTC или LSE (см. раздел Reference manual: Функциональное описание RTC).
PA0/RTC_TAMP2 и PE6/RTC_TAMP3 (на моем корпусе нет такого), если они сконфигурированы RTC в качестве контрольных контактов.

Примечание: В связи с тем, что аналоговый коммутатор может передавать только ограниченное количество тока (3 мА), использование пинов PC13-PC15 в режиме вывода ограничено: частота должна быть ограничена 2 МГц при максимальной нагрузке 30 пФ, и эти операции ввода-вывода не должны использоваться используется в качестве источника тока (например, для питания светодиода).

Доступ к резервной области

После перезагрузки системы резервная область защищена от возможных нежелательных операций записи. Чтобы разрешить доступ к резервной области, выполните следующие действия:

Включите синхронизацию интерфейса питания, установив биты PWREN в регистре включения периферийных синхронизаторов APB1 (RCC_APB1ENR1).
Установите бит DBP в Power control register 1 (PWR_CR1) для включения доступа к резервной области.
Выберите источник синхронизации RTC в реестре управления резервной областью (RCC_BDCR).
Включите синхронизацию RTC, установив бит RTCEN в регистре управления резервной областью (RCC_BDCR).

Программирование я тут особо глубоко пока не рассматриваю, поэтому не буду разбирать эти нюансы.

Зарядка батареи VBAT

При наличии V_DD можно заряжать внешнюю батарею от V_BAT с помощью внутреннего сопротивления.

Зарядка V_BAT осуществляется либо через резистор 5 kΩ, либо через резистор 1,5 kΩ, в зависимости от значения бита VBRS в регистре PWR_CR4. Зарядка аккумулятора осуществляется путем установки бита VBE в регистре PWR_CR4. Он автоматически отключается в режиме VBAT.

Параграф 2.2 "Схемы питания"

Схема питается от стабилизированного источника питания VDD.

Вывод V_BAT может быть подключен к внешнему аккумулятору для сохранения содержимого резервной области. При наличии V_DD можно заряжать внешний аккумулятор от V_BAT с помощью внутреннего резистора сопротивлением 5 kΩ или 1,5 kΩ. Если не используется внешняя батарея, рекомендуется подключить V_BAT к V_DD с помощью керамического разделительного конденсатора емкостью 100 нФ.

Параграф 2.4.4 Сброс резервной области

Резервная область имеет два специфических режима сброса.

Сброс генерируется при возникновении одного из следующих событий:

Программный сброс, запускаемый установкой бита BDRST в регистре управления резервной областью (RCC_BDCR).
Включение питания V_DD или V_BAT, если оба источника питания ранее были отключены.

Сброс резервной области влияет только на генератор LSE, RTC, резервные регистры и управляющий регистр резервной области RCC.

Вывод сегодняшнего дня

Вот такая схема обвязки "служебных" пинов у меня получается:

Если я правильно понимаю изложенную выше информацию, то пин VBAT "обвязан" достаточно правильно. И таким образом все "служебные" контакты микроконтроллера вроде как могут уже быть размещены на плате. А значит, далее, можно переходить к проектированию функциональной части устройства.