艾思科技物联网智能硬件水族箱系统研发
概述
在经过上一版本(以下称为1.0版本,本次研发版本称为2.0)的研发和试用之后,出现了诸多的问题.与硬件外壳过大,外壳内部线路过多,后期维护性低及稳定性差,外设在安装过程中不方便,软件部分没有自动调结等问题.本身升级主要针对这几方面进行重新设计,研发.研发的过程需要解决很多的难点,本文档主要记录主要的难点解决过程,并汇报工作进度,还有哪些问题正在解决.
线路问题解决
在1.0版本中,线路过多一直是影响可靠性,维护性,实用性的一大问题.如下图,仅是外壳内部的线路照片:
从图上看出内部线路过多.接头的牢固性很差.而且内部与外设接口使用防水的圆形接口,此接口没有固定,在拨插接口时不太方便.
为解决这一问题.2.0版本将研发主控板(树莓派3b)的应用扩展板.此扩展板主要把接口集成到一起.外设与主控板通过一条排线连接.
扩展板设计第一次尝试
设计扩展板最初想使用直接使用”洞洞板”焊接完成.此方便的优点是,价格便宜,随意性较高.
由于洞洞板的主要目的就是为了集成接口元器件,同时为解决在1.0版本中,接口无法固定,插拨不方面的问题,本次使用USB的接口作为了主接口
焊接完成后如下图
但是缺点也非常明显,比如:
无法进行定制,原器件的针脚间距必须是2.54mm矩形间距.对于复杂的元件件无法胜任.
USB接口最多只支持到4芯线,而我们的外设最多要支持到6芯线.
USB依然存在拨插太紧,操作不方便的问题.而且此线路板在和外壳固定时不方便固定.
以上解决办法,可以少量减少外壳内线路数量,但是我们计算减少后的数量还是过多.对于后期维护还是不够友好.
由于以上缺点,此方便中止.再寻救其它解决方案
扩展板设计第二次尝试
为增强拨插的”友好性”,我们试验了多种接口方式.
端子接口:
接线端子由不需要焊接,接线数量丰富等优点.但是拨插依然过”紧”,每次拨出时都要费很大力气,当达到6芯接口时有时用手甚至无法拨出,要借助工具才能拨出.这不紧降低友好性,极大可能在实际操作性会将线路拨断.
同时端子的针距不是2.54mm,无法在洞洞板上完成焊接,故此方案被放弃
MicroUSB:
MicroUSB的优点是拨插容易.能支持到6芯线.但线序在实际操作中不容易确定.更重要的是如果单买这种USB口,它的针角过小,基本无法通过手动焊接完成.上图中的带小扩展板的又会将整体护展变的太过零碎.大大降低了系统的稳定性.固此方案也被中止.
失败总结
为确定最优的接口方案,试用了不至以上几种接口,如TYPY-C,电源接口,音频接口.杜邦排线接口等.但都不是很理想.经过失败,我们总结出一个重大的限制是出在”洞洞板”上.由到洞洞板的洞孔间距是2.54mm,这使很多可用的接口无法焊接而弃用.最终我们决定自已设计线路,自主制作线路板.
线路板第二次尝试
选择新的接口方式:使用4芯及6芯电话线接口.
与树莓派接口使用40针排线接口
其它辅助接口使用杜邦接口,根据实际使用情况进行物理截取,本例中使用一个5针,一个10针.5针用来接两路电路,10针用来接8路继电器.
扩展版在原理上较为简单.使用EAGLE8.2.1进行设计原理图与bcd图.
第一版原理图:
第一版BCD图
图纸的完成只是困难的第一步(而且第一版的图纸有致命错误),怎么样把图纸转化为线路板对于手工制作来说才是真正的难点.
手工制作线路板的方式大概有三种:
感光板法
热转印法
PCB雕刻机法
前两种方法经过研究学习,步骤过于复杂,掌握难度较大故选择第三种方法.但是当实操雕刻机时,相对于前两种方法,雕刻机的难度虽把动手的困难转移到操作软件上,难过还是要比想象中多的多
PCB雕刻机实拍
将EAGLE制作的BCD图转化为雕刻机G代码(刀路图)
使用雕刻软件控制雕刻机雕刻
但是经历了次次断刀,简化BCD图(双层变单层)等等最终还是以失败告终.
以上是失败过程:
雕刻视频(双击播放),切刀过深失败:
切刀深度过深,作废覆铜板
下刀太浅报废覆铜板
一边深一边浅作废覆铜板
扩展板制作失败总结
经过以上种种试验,最终以失败告终,主要有两个最大技术难点.一是雕刻精度无法达到要求.二是覆铜板不平造成的雕刻深度时大时小.为节约研发成本放弃自已制作扩展板.采用第三方代工制作.虽然在时间和调试性受限,但第三方上能很好出来成品.
第一版成品失败
未焊接线路板
焊接后
在第一版中出现了以下问题:
4芯电话母座与6芯电话母座针角问题不能焊接在同侧
40针排线没有做镜象,不能与电话母座焊接到两侧
由于电压取值错误(本应取5V电压,实取3V电压),使主控板树莓派烧掉两块
烧坏的树莓派
第二版成品
外壳设计展望
在完成扩展板设计与制作之后,将进行外壳重新设计,此次外壳有望达到理解的尺寸.控制电源接口也将重新选择.
新的电源接口
购买的外壳制作机器,激光雕刻机,会为制作更复杂外壳带来很多方便.在前期的测试过程中没有什么问题.
总体总结及其它
目前为止,扩展板焊接已经完成.进行周边设备接入测试工作.
周边设备,电源V转5V进行升级,新的转化模块:
对应参数:负载电流得以提升.
水位传感器采用带耳设计,方便磁铁固定(还未验证)
软件部分在硬件重新设计之后将会很快完成,工作量并不会太大.
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