<p>注：*为必填项。</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】 <strong>简要介绍作品：</strong>        本作品目标是做出一款小巧、便携、低功耗、多功能、兼容性强、高性价比且具有高端工业级别的气体检测灵敏度和分辨率的气体监测设备。目前暂定的兼容大部分工业级电化学的4系传感器，可以检测的气体有氧气、甲醛（ETO类）、可燃气、VOCs(可选)、CO、H2S、NH3等等。        产品的外形尺寸初步定为直径在25mm高仅为30mm的圆柱状，含0.42寸OLED显示屏，可以实时显示当前的气体浓度值，设备内部不含电池而是采用USB-A口直接引出，可以用单节18650充电宝或普通手机电源适配器（普遍为5V输出）等直接供电。        由于产品目标是做出兼容性的气体监测仪，而一个设备只能装配一种气体传感器，但是可以通过更换传感器的采集电路板去适配不同的工业级别的气体传感器。这样，通过更换不同的气体传感器，并用专业的高精度且固定浓度的检测气体进行传感器的标定。设备的检测能力能够达到和日本理研、美国霍尼维尔、英国PPM以及德国西门子、美国华瑞等企业所产设备同级别的水平。然而成本和价格几乎是上述企业价格的10分之一，这样该产品尽量做到商用或家用可以接受的范围内。</p> <p>【请在竞赛阶段填写 ↓】 <strong>一、作品详情</strong>        本作品是一款可以采用工业级甚至军工级别的4系气体传感器来监测身边的气体，目前主要针对CO气体、氧气浓度、可燃气体（甲烷为主）、甲醛气体、ETO气体等，为设计依据。而设备的大小为主要设计亮点所在，和工业级别一样的传感器，但是采用了非常小的设计外观，非常紧凑的硬件结构和电路。最终的设备大小十分MINI，只是比工业级别的4系传感器略大一点，外观尺寸大约在直径为25mm高为30mm的圆柱状（包含了后期外围的塑料外壳厚度），而且设备还集成了0.42寸的OLED显示，外观上只有一个按键和显示屏功能联动，功能简洁易用。采用USB-A口的方式，可以直接插单节的18650充电宝或者手机的充电器或者电脑等设备任何标准的USB-A口供电。       由于该作品突出的几个亮点分别为：工业级别的气体检测、外形体积非常小 、便携且具备数据可视化、检测精度高、价格便宜、兼容性好。后期产品设计了外壳如果开模或者定型，不需要更换外壳的任何尺寸就可以适用检测多种的气体，既可以用于工业的场所，做成危险气体检测笔状的，或者是挂在胸前的便携式气体报警仪，亦可以为挂在安全帽上的气体安全监测仪等等。       目前市面上做气体检测的设备毕竟还是比较小众的，采用工业级别传感器的检测设备就更是少之又少。目前该领域用的大多数传感器都是出自霍尼韦尔、英国CITY、英国阿尔法、英国离子、中国的炜盛等等。就拿家用的甲醛检测仪为参考标准，某宝和某东上的产品种类很多，但是横向测评就会发现大部分都不靠谱，存在很多的偏差，尤其是和英国的PPM、美国的霍尼韦尔等这样的企业所出的便携式设备进行比对。PPM和霍尼韦尔的便携设备使用的就是自家产的4系工业级别的传感器。但是他们出产的成型设备价格都很高，显示界面又很不人性化，单调简单。而只是采购工业级别的传感器配合我做的配套硬件，其成本只是比传感器的价格高一点，国外传感器的价格普遍是成品便携式设备价格的10分之一到5分之一。这样设计出该产品就有了很大的存在意义。        这次本产品的运算核心选型的是STM32单片机里STM32F051K8U6。当然做产品首先考虑的还是运算需求的主频，该型号MCU体积小巧，性能强劲，存储空间和RAM也相对充裕，功耗低但主频不算很低，M0的内核比M3的内核在功耗控制上更加具有优势，在国内的出货量大，同封装的芯片在STM32上还容易找到可以升级的空间，最重要的是它除了串口、IIC、SPI、12位的ADC等必须具备的功能外在这个封装级别里还含了DAC功能的管脚，后期我想对产品功能进行拓展时有很大的潜力。综上所述选型STM32F051K是为产品打下了一个非常重要的基础。</p> <p><strong>二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题</strong> 1. 针对工业级别的气体传感器的驱动电路的设计；（受行业所限，气体检测行业是个小众的领域，气体传感器的驱动都是模拟电路，所以电路的元器件选型和阻容值的数据根据的都是多年在该领域做产品的经验来设计。） 2. 兼容不同4系传感器的电路设计思路和可靠可更换的插接结构\,只需要根据传感器来绘制模拟电路的驱动板就可以，下板带屏幕的为主板或叫基础板，主板只需要根据不同传感器编写好驱动程序和标定拟合算法就可以，不需要更改任何的硬件，只需要根据传感器更换配套的软件程序； 3. 紧凑的结构里还要包含对OLED屏的驱动，OLED屏幕也为低功耗屏和小米手环2代选用的是同款型号，保证亮度和整体的低功耗性； 4. OLED屏的驱动和显示内容的设计，屏幕的显示是亮点，只有更人性化的界面才能吸引关注，这里界面做了几版不同传感器的显示界面，不过后期还需要很多的优化； 5. 针对4系工业级别气体传感器的信号采集系统，只有信号足够的稳定才有好的精确度； 6. 对传感器采集上来的数据进行高精度的拟合线性算法，针对目标检测气体选用精度高的气体样本来标定传感器，标定过程和算法决定整套设备的精准度； 7. 气体量程的选型和标定传感器所需要的气体浓度值，监测的气体浓度值存在不同的单位和量程，有%VOL、ppm、umol/mol、mg/m3、%LEL等等单位，互相之间是可以换算的，针对客观环境真实的需求最重要，比如甲醛类国标要求安全值在0.1mg/m3，所以设备的监测精度就需求很高，量程一般控制在0\~10mg \,精度在0.01mg/m3； 8. 设备针对不同气体的标定程序编写和后期维护检测的逻辑分析； *9. 未来可拓展方向，数据的上传和边缘计算统计，和手机或者平台的链接，电路上可以添加蓝牙或者微型的WIFI芯片，后期需要扩展的话可以可以继续拓展功能。</p> <p><strong>三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点</strong> 1. 本次产品的硬件采用的是STM32F051K8的主控芯片，这款单片机在本产品上用到了串口、ADC、IIC、外部中断和普通IO等功能，后期扩展还预留出DAC功能。所以设计到的部分都需要根据硬件的电路去对单品机做初始化的驱动处理，还有后期的控制逻辑乃至传感器的线性拟合算法等等都是需要在MCU的源码里去实现的，逻辑控制的效率要高且还有控制在一个比较合理的主频上，因为需要做低功耗的处理，使产品在能耗和功能上都能满足的前提下尽可能的去优化； 2. 设计到传感器的感知算法和针对独特传感器的模拟采集电路的灵活切换，在非常小的空间上采用双层板精选高难度布线，采用双层板是为了降低整体的成本，大部分器件采用的还是0603的封装，为了是我还可以手工焊接来更换器件，方便测试。使之成为一款具备工业级性能的消费级产品，比较考验画板和布线的合理性，既要考虑模拟电路的走线，还要考虑防干扰等，保证信号的稳定性很重要，因为传感器大多都是微弱的电流信号； 3. 显示界面的编辑和布局。因为是和小米手环2代所采用的一样的OLED屏幕，功耗比较低的同时，亮度还比较高，且其点阵数高达72×40，能显示的内容可以设计的相对丰富一点。所有的程序显示等都是直接存储到单片机内部的FLASH里，这里就体现出STM32F051K8U6的存储空间的相对优势了，一般的16K、32K的单片机显然是不够用的，同样RAM也会需求比较多，因为刷新的缓存比较多。本产品充分的发挥出了STM32F051K8U6的优越性能和高性价比，在满足所有功能下还能为后期更新升级功能留下空间，这点真的很重要； 4. 由于产品具备很强的兼容性，但又不能一次把能兼容的传感器都做了，毕竟不同的工业级别的传感器的驱动电路都是不一样的，这里就先设计出了能支持相对较多的4系电化学传感器模拟电路采集板，如低浓度的CO、H2S、NH3、ETO、甲醛等气体只需要通过采集电路板上的两、三处电阻值就都可以适配了； 5. 本产品的设计受限于时间有限，在工作之余去设计OLED屏的显示外观编写软件，编写MCU的驱动和逻辑算法比较吃力。产品的外壳方案目前还没有完全设计好，目前只能是以电路的形式出现，不过也可以看清产品大概的外观轮廓是个什么样子的了。</p> <p><strong>四、作品材料清单</strong> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/FRTm5n2fXSjyUH2CQdchH7z5lFImQxxQOlJOoSpL.png" alt="image.png"></p> <p><strong>五、作品图片上传</strong>（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/CLdjMJqcHzw8FoHek0bWXlemhwnwmRtjE0yGKLs7.png" alt="image.png"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/3RYG283fVdq73dK7utLKghVGy4Vc2ketrSCAPlGc.png" alt="image.png"></p> <p>由于板子的尺寸直径比较小，外边缘的黄线表示PCB套装塑料外壳预计的外直径，板边缘只有24毫米的直径，两个板都是一样的尺寸而且是上下的插接的结构。</p> <p>电路板都是在嘉立创下的单，打的样，由于板子确实小了点，能打上LOGO的区域实在是太小了，器件布的太密的过，印出来后的LOGO 效果好像不太好，模糊了，下面的照片是PCB板焊接完成后的图片： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vDu3qXyt5iO2VWu4X9XIIrJPZCswx2YtW4PpxWHu.jpeg" alt="微信图片_20190916000118.jpg">  1.上板和下板（主板）还没有插接前的照片</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/9kmjuUw7NlbgGxIINcxCVUlXziBO5x5w9karqACH.png" alt="image.png"> 2.上板和下板还没有插接前的反面照片</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/ZEpsCOHBvXMUANW7icjbENU8KW3RGq0px3zWJuRy.png" alt="image.png"> 3.上板和下板插接后的照片</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/Bj49efAdQv5diiOUhNi0hVaNrNfzify7I61S9wUy.png" alt="image.png"> 4.插接后和多款4系传感器的照片</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/OxvJ8XKhS6UPpLgScfI17fqwxThe2ZzBgYxEJGCu.png" alt="image.png"> 5.上下插接并插上传感器后的正面照片</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/bZD36q85eYgPvQIcG64hAcaTlX7K2QQo6qcdwUaC.png" alt="image.png"> 6.上下插接并插上传感器后的底面照片</p> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/qz1T343cOFRSTmv6vSGLswx5dXnshuobRt3RohhB.png" alt="image.png"> 7.上下插接并插上传感器后的背面照片</p> <p><strong>六、演示您的作品并录制成视频上传</strong>（视频内容须包含：作品介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛）        具体的视频已经上传到腾讯视频了，手机拍的，大体能看清吧，毕竟时间还是太紧张了，平时上班加班也多，业余时间提起精神做下。目前确实还有不少需要改进的地方，比如外壳的问题，原本是想3D打印一个的，但由于做的设备很小，外壳预规划的厚度较薄，外壳打印的精度要求比较高，结果没做成，有点惋惜了。硬件部分算是调试完了，还有一些地方是可以优化的，当然最多的还是程序上，有很多可以去丰富的，比如用DAC驱动蜂鸣器去响，可以做个小音乐来报警。当然这些都需要时间和精力。        总之希望大家喜欢我的作品，再次感谢本次主办方立创杯的活动，感谢你们创造如此好的平台和机会，谢谢。 <a href="https://v.qq.com/x/page/g0929pwumhr.html" target="_blank">https://v.qq.com/x/page/g0929pwumhr.html</a></p> <p>七、开源文档。</p>