共创芯未来 | 基于STM32及车规MCU Stellar 的一等奖嵌赛作品集锦（1）

2万 · 2024-9-13 09:45

【导语】从本期开始，向大家介绍全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛全国总决赛中，基于STM32产品系列的一等奖作品。

本期文章共展示9个作品，包含MPU应用方向、数字电源、汽车车规MCU应用赛题方向。

1基于非侵入式BCI的注意力训练仪

参赛方向：MPU应用方向 团队名称：从容应队

随着现代社会人们对综合医疗的需求不断增长，注意力缺陷的诊断和治疗逐渐受到广泛关注。本作品完成了嵌入式基于脑电信号的注意力训练仪的开发，致力于改善儿童注意力障碍。

本项目基于神念科技的 TGAM 模块采集脑电原始信号，通过 HC-05 蓝牙通讯模块将数据传入单片机中，主要使用小波算法解析脑电波信号提取出 beta 和theta 两种小波，再使用 beta，theta 频段能量计算认知专注度的公式(Pope et al., 1995)得到两种小波能量比值，作为注意力评估参数。之后通过使用虚拟串口与注册虚拟字符设备的方法实现 STM32MP157 的 M4内核和 A7 内核的异核通信，利用注意力水平参数驱动屏幕上 QT 界面飞机动画中飞机的高低从而实现了注意力水平的可视化反馈。
本项目主要优点如下：1.低功耗：TGAM 脑电采集模块、HC-05 蓝牙通讯模块及 STM32MP157 单片机等硬件模块，皆具备功耗低、造价便宜的特点；2.易携带：作品整体小巧，属于小型医疗器械，快捷方便易携带；3.准确评估：使用轻量准确算法分别提取 4-8Hz 与 12-32Hz 的 beta 与 theta 波从而解析注意力水平参数，保证注意力水平参数提取的准确性与解析速率；4.评价体系闭环：通过在动画结束后对注意力水平参数的监测，以注意力水平参数为主要判断依据，出示评分结果，实现数字评价体系的闭环。

主要创新点

在基于低功耗便携式脑电信号采集设备的前提下，改进数据处理算法达到更高的注意力水平提取能力；
通过 Qt 界面的设计，在视觉上更直观感受到自己的注意力水平的高低，以实现注意力水平的可视化反馈，从而不断以量化的标准去要求提高自己的注意力水平。

▲ 作品展示

2暖意醇香-智能暖饮售卖机

参赛方向：MPU应用方向 团队名称：三分之一
本作品是一款创新性暖饮解决方案——“暖意醇香-智能暖饮售卖机”，旨在通过融合人工智能（AI）、物联网（IoT）与数字化支付技术，重塑暖饮市场的零售格局。

本项目构建一套集成 STM32MP157 微处理器的智能售卖系统，利用 Qt 收银终端提供个性化交互界面，辅以轻量级人脸识别算法与基于支付宝 API 的移动支付，实现了自助式结算流程。通过充分利用 STM32MP157 双核处理器架构部署部署 YOLOv5n 算法，识别暖饮并监测其零售状态，确保高效补货与维护，充分结合片内 Cortex®-M4 内核实现温度闭环控制。此外，借助 Linux 服务器高效管理用户与销售数据，保障了暖饮品质与安全。

在用户端，该系统通过刷脸识别、自助选购与自动结算的“三步走”流程，配以友好界面与语音提示，提供了一流的购物体验。对于商家而言，基于 Flask 框架、MySQL 数据库与视图功能的后台管理系统，实现了销售数据的精细化分析，优化了库存管理与营销策略，降低了运营成本，解决了决策数据缺失的问题。

主要创新点

硬件资源的高效利用：项目充分利用了 STM32MP157 微处理器的先进架构，实现了 Qt 收银终端对整个系统的集成控制，确保了各功能模块的高效协同运作，最大化了硬件性能；
边缘部署识别模型：采用 YOLOv5n 目标检测算法，将模型推理直接部署在设备端，相较于传统的 PC 端深度学习算法，显著提升了实时响应速度与识别精度，为系统提供了稳定可靠的物体识别能力；
优化的用户体验设计：基于 Linux 服务器高效运行销售信息和会员信息数据库，确保与收银终端的可靠数据传输。通过简化操作流程至人脸登录、取饮、支付三个步骤，并辅以个性化语音提示，本项目实现了极为便捷的用户交互，极大提升了用户体验的流畅度与满意度；
经济高效的数据管理：基于 Linux 服务器的高效数据库管理系统，确保了销售信息与会员数据的安全存储与快速检索，实现了与前端收银终端的无缝数据传输，降低了数据处理成本，提升了整体运营效率。

▲ 作品展示

3智能腹内压体外感知系统

参赛方向：MPU应用方向 团队名称：魔法工厂

本作品设计并实现了智能腹内压体外感知系统，从而更好的检测腹内压强变化并实时控制输尿管软镜**结石手术中注入**内水流流速。系统采用 STM32MP157 作为主控芯片，主控芯片向医用蠕动泵发送 PWM 信号，蠕动泵通过输尿软管将生理盐水注入**内，**内压强数据通过体外压力传感器测量。主控芯片通过片内 ADC 采集压力传感器的电压值，将得到的数据进行算法分析处理，最终反控输出给蠕动泵的脉冲频率大小。

系统为患者提供了线上挂号服务，患者成功预约后等待系统语音叫号即可。系统设计了操作简单的人机交互界面实现了智能手术、智能床灯、智能录制、系统设置等功能，同时，系统还搭载了智能语音助手，医疗人员可以语音唤醒智能助手，通过对话的方式来完成上述功能。另外，医疗人员在手术过程中可选择是否将采集到的腹内压强数据保存至本地数据库或上传至云服务器，以便后续的数据管理和分析。

主要创新点

腹内压体外感知与控制：**结石手术过程中，在体外通过压力传感器感知腹内压强，结合算法分析，通过边缘计算控制注入**内水流流速；
手术的无菌控制：采用智能语音模块，实时实现医务人员无接触控制系统功能；
人机交互：UI 界面简洁明了，功能丰富，方便医务人员轻松上手；
数据管理：手术过程中采集的腹内压强数据可保存至本地数据库和上传到云服务器，以便后续分析处理；
在线预约：患者可通过线上挂号 APP 软件根据自身需求进行相关医疗服务预约，同时支持实时查看自身预约情况。

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2024-9-13 09:51 上传

▲ 系统实物

4新能源汽车锂电池EIS监测系统

参赛方向：汽车车规MCU应用 团队名称：Loong的传人
锂电池的安全，在新能源车高速发展的今天，受极大关注。资料显示，锂电池不同频率下的阻抗与电池运行状态有着很强的耦合关系。通过测量锂电池的电化学阻抗图谱能够洞悉电池状态，预测安全问题。

区别于传统的 EIS 测量方案为电化学工作站测量法，本作品是一款在线式 EIS 检测系统，可为现有 BMS 系统提供更加丰富的电池数据。整个系统由意法半导体新推出的车规级 MCU Stellar E1驱动。得益于Stellar E1丰富的通讯接口与强大的浮点运算能力，作品实现了各种测量模块的控制与采样电路对电池阻抗的分析。
测量结果以学校的电化学工作站的数据为参考，作品具有高精度，高稳定性的特点。其低成本高精度实时在线检测的各种优点，具有大规模装载在新能源汽车的潜能。

主要创新点

在线实时监测：无论电池处于什么工作状态，无需将其取出至电化学工作站，可实现实时测量；
高效信号分离：针对锂电池阻值小、直流偏置大的特点，采用 ADCDAC-加法器-仪表放大器-ADC-MCU 电路结构，精准分离和检测交直流信号；
物联网远程控制：通过物联网技术，用户可以在网页端实时控制测量程序，评估电池健康状态和测量内阻，实现智能化管理。

▲ 作品展示

5新能源汽车无线充电桩

参赛方向：数字电源 团队名称：我为MI汽车代言

为实现电动汽车无线充电功能，本作品基于 STM32G474，自制无线线圈和三维平台，搭建一套由 DC-DC 变换器组成的电动汽车无线充电桩系统。DC-DC变换器包括原边逆变器和副边整流桥，原边逆变器采用移相控制和 PI 算法进行调节，副边整流桥采用不控整流方案，贴合实际应用中的低成本和简便性。整个系统采用 SS 补偿结构，并匹配谐振网络参数，实现恒定电流输出。同时本项目还搭建一套三维平台进行 X、Y、Z 三轴移动模拟电动汽车无线充电场景，三维平台上放置发射线圈，采用机器视觉控制，可对接收线圈位置的自动追踪和校准，实现高效率的无线电能传输（WPT），并模拟对电动汽车进行无线充电。

本系统在阻感性负载下进行测试，实现了 600W 非接触式能量传输，整体效率达到 90%。系统应用移相控制，使系统在输入电压和负载大小变化时，输出负载调整率小于 0.5%，稳定 10A 恒流输出。三维平台能根据接收线圈进行自动调整，可实现 1mm 内误差的精准定位。

主要创新点

自研磁耦合式无线线圈结构用于无线电能传输，提高了无线电能传输的效率；
采用移相控制算法实现恒定电流输出，提高系统效率；
使用 WIFI 通讯进行 WPT 原副边的数据传输，实现整体系统的控制；
开发搭建的三维运动平台模拟汽车无线充电场景，进行无线线圈的精准定位，实现高效率能量传输。

▲ 作品展示

2万 · 2024-9-13 09:58

6单相光储逆变器
参赛方向：数字电源 团队名称：CC_Mode
随着“碳计划”的不断推进，以及人们日益增长的户外活动需求，本作品基于STM32G474RET6 作为主控，使用锂电池、光伏作为能源供应，可以作为户外电源提供 220V 交流电输出，同时具有并网功能，可以向电网提供能量，带 Type-c 接口。该电源支持光伏 MPPT 进行输入充电，可为户外活动及办公等提供能源供应。

光伏 MPPT 控制模块和逆变电源控制模块均基于 STM32G474，与手机端APP 采用蓝牙互通。在光伏输入情况下可对太阳能电池实现最大功率点跟踪并充电，同时可在手机 APP 端查看电池充放电状态；在输出的情况下可对逆变输出的 220V 进行电压电流双闭环，显著提高输出带载的稳定性与安全性。输出状态可以在逆变器面板屏幕与手机端 APP 进行查看，同时可以使用手机 APP 端对逆变器进行例如工作时间、最大功率限制、过载保护等功能的设定与控制。逆变器快充接口支持多种快充协议，可以为手机、平板电脑等充电。

主要创新点

采用同步 BUCK 结构与 HRTIM 相结合创新方案，可自动降压匹配不同供电输入，支持 23V~50V 直流电源输入，支持两串 36 伏光伏输入；自动电压电流双闭环，为电池端稳定充电，同时提高了系统的适配性与通用性；
采用充电电流环鲁棒控制算法，实现充电电流稳定可调，同时具备很高的效率，在 30℃下可以无散热运行；
逆变部分拓扑采用 H 桥式加工频变压器的结构，大大减少输出电压与并网电流的奇次谐波，可带感性、容性负载，有极高的适用范围；
整个系统由手机端 APP 控制，界面设计友好，控制精确，方便用户的使用；
整个系统可以实现能量自给自足，同时体积非常小，方便携带与部署到户外用电场景，结合太阳能板可以实现日间的能量不间断供应。

▲ 作品展示

7混合式家庭储能模拟系统

参赛方向：数字电源 团队名称：赛博顶真

混合式家庭储能系统是即可逆变为家用负载供电、也可逆变并网的新型光储能充系统，可合理利用电网电能与光伏电能储能，提高电网的韧性和稳定性，可广泛应用于城市或偏远山区等不同地区的家用储能场景。

混合储能系统具有多种工作模式，各种模式的智能切换控制与系统的高效率和小型化是系统开发的重要关注点和难点，本作品针对此需求提出了解决方案，采用STM32H750为主控，设计了模拟系统，加以验证。

在 AC-DC 变换器部分，采用图腾柱电路结构，以宽禁带氮化镓器件作为图腾柱结构的快速桥臂，用低内阻硅基 MOS 管作为慢速桥臂，利用氮化镓功率器件无反向恢复损耗的特点，突破了传统硅基 MOS 在图腾柱结构快速桥臂上的劣势，大幅提高工作频率和功率密度，且在低速桥臂上使用成本更具优势的硅基 MOS，实现了性能与成本的综合兼顾，采用双闭环控制，根据锁相环给出的相位，在根据 PI 电压外环的结果，利用 PR 控制器控制电流内环。电池与母线的连接通过隔离式 DC-DC 变换器双有源桥，可实现母线与电池侧的电气隔离和宽电压范围的电池充放电，可适应一定电压范围的不同电池组。MPPT 部分采用 Boost 拓扑，利用电导增量法实现最大功率控制。

主要创新点

快慢桥式 AC-DC，兼顾性能与成本；
并网/PFC 软过零算法，消除过零电流尖峰；
光伏电池最大功率点跟踪，PFC 电路自动根据跟踪母线电压，补足剩余；
功率，实现恒电流电池充电；
自动判断 AC 侧电压，判断可工作模式；
隔离式电池充放电，充电电流可设定；
运用氮化镓宽禁带器件。

▲ 作品展示

8多场景光伏并网变换器

参赛方向：数字电源 团队名称：油盐都进队

本作品是一款用于模拟家用、工用等多场景的光伏逆变器并网系统，结合了 UPS 技术和逆变 PSC 变流器并联技术，既能在网侧为负载供能的场景下同时将盈余能量存入 UPS 系统中，减少能量浪费并提升安全稳定性，也能在网侧负荷大的情况下将光伏发电能量送入电网，缓解电力系统供电压力，创新性地实现了单变流器能量双向流动。

本系统基于STM32H750开发，分为光伏发电 MPPT 模块、蓄电池储能模块和变流器运行模块。光伏发电模块模拟光伏电池工作状态，用MPPT 算法追踪最大功率点。蓄电池储能模块根据工况进行充放电，实现 UPS不间断电源。双向变流器模块将前级能量经过多变流器大功率并联并反馈至电网，或从电网取能为负载供电；既能在单一逆变器故障情况下保证供电系统正常工作，也能在单负载需求较低的情况下将过余能量充分利用给其余高需求负载。这一创新性设计将在高稳定性和高功率性前提下实现光伏电池的多场景应用，促进太阳能新能源的更广泛应用。

主要创新点

加入 MPPT 算法，追踪最大功率点，实现光伏电池的最大功率输出；
加入中间储能电池，实现 UPS；
加入变换器的并联，提升整个电力系统的稳定性、可靠性与灵活性；
加入四象限变流器，可将多余电能输送到电网，又可从电网汲取电能；
加入显示屏，对负载电压、网侧电能输电、取电情况等参数进行实时显示；
加入矩阵键盘，通过键盘对系统参数进行控制调节；
加入 NFC 模块，实现用户调节功能。

▲ 作品展示

9新能源智能微网系统

参赛方向：数字电源 团队名称：哆啦追梦

本项目基于新能源光伏发电，构建模拟新能源智能微网系统，实现与上级电网灵活耦合的微网系统。该新能源智能微网系统适用范围广，可为用户提供可靠高效的电能供应，最大化拾取光伏功率，实现对太阳能能源的充分利用。

本系统基于STM32G474开发，由两套分布式光伏发电系统并联组成。每一套分布式光伏发电系统由前级 BOOST 与后级逆变器构成，BOOST 变换器实现最大功率点跟踪，以保证模拟光伏板输出最大功率，逆变器输出正弦交流电给负载或者并网。两套光伏发电系统并联在一起，共有三种供电方式：离网供电、带负载并网自动分配供电、直接并网供电。

主要创新点

预留 USB 虚拟串口，在调试时 PC 电脑可以用上位机观察波形，具有传输实时性好、失真度低、带宽高等特点，便于调试电路；
采用两级式光伏发电系统，前级 BOOST 使用电导增量法使其工作于最大功率点，后级逆变采用直流电压外环将电压稳定于 40V，同时电流内环跟踪目标电流，具有较好的鲁棒性、精确性与动态响应速度；
功率电路、控制电路、测量电路与驱动电路采用隔离方案，将强电和弱电进行分离，以保证系统的安全可靠；
分布式光伏发电系统可拓展，将多个系统并联以增大系统容量。

▲ 作品展示

*免责声明：本文所有视频及作品简介均来自2024第七届全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛应用赛道学生提交的参赛作品展示，由学生自行制作。意法半导体展示获奖作品内容仅为展示参赛者作品，为开发者带来更多创意启发，并已征得主办方同意。意法半导体不承担作品展示内容或视频字体的相关法律责任。如有异议，请联系STM32客服沟通（微信号：STM32_01）。