#第三届立创大赛#金属大气腐蚀监测仪 - 立创电子设计大赛

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第三届立创电子设计大赛

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一、作品简介 1.作品的整机外观图片或焊接组装好的PCBA图片 （1）户外用的腐蚀监测仪（含太阳能板+GPRS模块） <img title="点击查看大图" src="//" alt=""> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/3gccopYdO2fcjZUS0oDNZaCbYHYAR5jb1gNYcHsZ.png" alt="" width="638" height="282"> （2）实验室检测设备（不带太阳能板+GPRS模块） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/sNVZpOWZWkpRKLix32K8W8ZTkgE2SNz5spnvnDmu.png" alt="" width="235" height="251"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/zUfLUIraM4L7PZygzssBLuYxJPtGjg4EnF9Qi5R2.png" alt="" width="236" height="250"> 2.作品的研究背景、目的和功能、市场应用前景； 说明：报名时打算做个腐蚀监测仪，的确也做出来了（如上两图），一直忙着没更新进度。临近截止日期，看了别人家的作品，感觉工具类作品比较火（估计容易晋级），于是在最后一周时间把监测仪改成实验室用的数据采集与记录工具。 （1）研究背景 作为一名电气类的研究生，主要工作就是看文献、做实验、分析数据和写报告。许多实验都没有一个通用的平台，要么花高额费用定制，要么自己拿通用的工具和设备搭建。 对于信号采集和输出，最常用的是万用表和示波器。这两个工具的数据存储功能太弱，前者一般是提供一个串口（或者红外），后者是U盘或CF卡，不能自动保存数据，需要手动操作。有些实验耗时很长（比如腐蚀，一做就是三五天起），人工记录数据不太可行。接上电脑收数据虽然可行，但并行性差，要是五六组实验在不同地点同时开展，每个地方配一台电脑成本太高。 （2）开发目的 基于STM32F103搭建一套数据采集与记录设备，能够实现直流电压和电流检测，留有接口可接入温湿度传感器、压力传感器等，数据能够在本地实时显示、自动存储且易于导出为txt或excel格式，数据能上传至网络方便在手机或电脑上查看。锂电池或充电宝供电，兼容开关电源。 大概解释下，许多实验是探索可行性，不要求数据采样精度很高，能反映变化趋势即可，但最好能同时监测多个物理量，用于研究多因素影响。单片机上不需要控制，不需要复杂的算法，简单的滤波即可，但一定要能保存数据，U盘类的介质，拷出来可直接扔到Matlab里计算和画图。数据上传网络的目的是偶尔查看数据有没异常，实验设备是否出现问题，适用于办公室和实验室不在同一地方而能满足看文献和做实验两不误的需求。锂电池供电一是方便，二是安全（比如10kV的高压实验）。 （3）市场前景 这个设备成本一两百块钱，跟万用表差不多，科研院所从不缺买万用表的材料费。 当然，做这工具主要是为解决研究生日益增长的数据需求与检测设备落后的数据输出能力之间的矛盾提供一个成本和技术门槛两低的解决方案。 3.作品在创新性、趣味性、实用性甚至公益性方面，有哪些亮点可体现？ （1）创新点 作品定位为科研工具，采用近几年新兴、易用而廉价的技术解决传统的数据检测与记录问题。 （2）趣味性 有待开发。 （3）实用性 从此不用盯着万用表记数据。 （4）公益性 最大的贡献可能是给科研工作者提供一个数据采集与自动记录的解决方案。 二、系统构架图 用流程图或思维导图等形式，描述您的作品的组成构架，即方案图。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/JYXyG5qtrnJ1WBXTrzj8hhRZaVjHLuBRQdABJjy6.png" alt="" width="492" height="430"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> 三、硬件部分的描述 硬件部分是方案的一种实施方式，是针对金属大气腐蚀监测的应用场景。 1.附上原理图&PCB实物图的图片或者源文件（官方建议大家尽量用源文件上传），如果是图片，请确保图片是清晰可辨的； 由电流传感器、低噪声运放、模数转换芯片、温湿度传感器、嵌入式控制器、实时时钟芯片、GPRS模块、存储单元和电源模块共九部分组成，系统结构如下图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/PvZqluGwyee0sheSimKedARFhj5cWvSai1VuzJ4p.png" alt="" width="563" height="422"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> 电流检测 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/k6HNXLJHRJdfXKkgv4slfQwTUdzVJ1QstF7o0UNp.png" alt="" width="554" height="321"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> 电源模块 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/CWKFWIEej5HgRBoAva7opdKkbxoqLRvRcTqcGqeO.png" alt="" width="554" height="189"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> TF卡 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Ez2PqJrJn5Gh8rNH0oK0IjkLn95nNKtmg3xRgHW8.png" alt="" width="461" height="216"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> GPRS <img src="//image.lceda.cn/pullimage/1L9S2eXyH8K6BI42dQBDord139a69odSnm60oJGp.png" alt="" width="409" height="232"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> MCU及其它 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ae8VamOWPT6aCGaAcWpuR5erIXqyGLWhFvaZtyBz.png" alt="" width="554" height="443"> <img title="点击查看大图" src="//" alt=""> PCB正面<img src="//image.lceda.cn/pullimage/SHGICYemEBShBBRtzhIlXUEno6NYXoPm28O15PpS.png" alt="" width="522" height="329"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> PCB背面 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/sGqaSo364ieRuMQSTO5uIzIYkt18bTFujJW9nWaI.png" alt="" width="521" height="327"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> 2.用文字把该作品的实现原理、系统的工作过程大致讲解一下。 （1）实现原理：信号采集和数据存储与发送，没有控制功能。信号采集包括电流、温度、相对湿度，电流值对时间积分后得到电荷量。数据存储在TF卡上。数据通过GPRS模块发送至云服务器。此外，通过外接串口屏可实时显示数据。 （2）关键点：电流采样，nA~uA级电流且要实现零电阻测量。电流太小，霍尔器件不可行。经过理论计算，如果采样压降小于10mV，采样电路对电偶电池回路电流影响极小，误差在可接受范围内。于是直接用采样电阻+同相运放，两级电阻以实现测量范围的扩展。简单的模拟调理电路+加权递推平均滤波，调整滤波算法的参数，能实现比较好的滤波效果。 3.注明所用到的EDA工具软件名称并附上设计链接。 LC EDA https://lceda.cn/juanmyy/ACMCtrlV2_2-4b831eb1a8714b1cbabb59ad4f0ba4cc 四、材料清单（BOM列表) 主要器件和模块<img src="//image.lceda.cn/pullimage/oRHrMUpq1HfitfJyeO783iLCYS03VDtK0RT3pHhq.png" alt="" width="491" height="313"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> 五、软件部分的描述（选填） 如果您的作品涉及到软件，请列出作品对应的软件工作流程图，及关键部分的例程、源码（如果您想开源的话请上传全部源码）。 软件流程图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/4W6N4ERANmV5PUPgWjMjdLiQdoJ2cLSFjsnH83mK.png" alt="" width="606" height="443"><img title="点击查看大图" src="//" alt=""> 源码就不上传了，都是常用的模块和常用的串口。比如CH376把官方例程拷过来直接用，GPRS用的A6模块是透传方式，云服务器用的是中国移动的OneNet，对服务器的协议是EDP，官网上也都有例程。自己在阿里云上租了个服务器（学生价99元/年），从OneNet上读数据再转发到网页和微信小程序。服务器端没时间做，找朋友开发的，没跟他要代码。 为降低系统运行的功耗（电流采样不能停），我将MCU频率调成1M，平均功耗0.1W。1节18650电池3500mAh的能量大约是10Wh，持续供电4天。把GPRS模块去除，功耗降至0.06W，1节电池供电7天。 六、作品演示 请上传您的作品的功能演示到腾讯视频，并编辑到本楼（或附上视频链接）。按要求上传视频可获得10分，具体详见活动规则。 <a href="https://v.qq.com/x/page/t0762n4rjac.html" target="_blank">https://v.qq.com/x/page/t0762n4rjac.html</a> 七、总结 例如您在完成该作品过程中的一些体会、碰到的技术问题或调试经验、作品的未来规划，及对我们主办方的建议和意见等。 （1）STM32用1M的主频跑程序有点吃力，串口通信慢了很多。比如ADS1115的I2C，读一个通道大概1ms。计算如下： I2C_Start：17条指令（主要是操作IO口和判断，暂且估计耗时一个指令周期，1us），其余的I2C_Stop, Ack，NoAck，WaitAck大概是12。SendByte是89，ReceiveByte是67，Init是SendByte*4+12*5=416，Point是SendByte*2+12*3=170，Read=SendByte+ReceiveByte*2+12*5=372，读一个通道是Init+Point+Read=958，大概1ms。1ms是最顺利的情况，没考虑到I2C总线没准备好需要增加的检测延时。 其它模块，DS1302是0.5ms，串口屏是100ms（实测应该不止），TF卡实测是2~5s（时序没控制好），GPRS是1~10s（室内信号太差）。 （2）Deadline前再补充一点，跟电源相关。ME2159供电不足，GPRS经常丢数据，GPRS一发数据板子的采样就偏。换FP6291（两者管脚相同），完美解决所有问题。过程不细述，耗时一晚上。总的来说，遇到问题要么好好做下理论分析，要么找个好工具测试（手头只有一块万用表，连示波器都用不上的深有体会）。 <h3>更多项目详情见链接：http://club.szlcsc.com/article/details_23005_1.html </h3> <h3>本项目归立创社区“juanmyy”所有</h3>