2011年全国大学生电子设计竞赛
基于自由摆的平板控制系统(B题）
【本科组】
2011年9月3日
摘要
本系统以单片机为控制核心，采用增量旋转编码器实时采集自由摆旋转角度及方向，通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。此外，为方便实验和调试，专门设计了独立的单片机角度显示电路。本设计以旋转编码器的脉冲触发单片机的中断来控制平板角度的调整，这种外部事件驱动的程序设计方法能够及时响应摆杆角度的变化，避免了复杂的定时采样程序设计，总体程序设计简洁，响应时间快，控制精度高。在激光笔瞄准时采用了查表法，避免了单片机进行复杂三角函数运算造成的舍入误差对实验精度的影响，从而达到了在一个周期里电机精确旋转一周；平板角度调整速度快，8枚硬币滑动小无跌落；实时控制激光笔保持静态水平误差在1cm以内；动态控制误差在2cm 以内的实验效果。
关键字：外部事件驱动程序设计旋转编码器平板精确控制
目录
1系统方案分析 (1)
1.1.1控制器选用 (2)
1.1.2控制系统方案选择 (2)
1.2 角度测量模块的论证与选择 (2)
1.3 步进电机及其驱动模块的论证与选择 (2)
2 系统理论分析与计算 (3)
2.1 自由摆平板控制系统的分析 (3)
2.1.1自由摆平板系统模型建立 (4)
2.1.2角度测量原理分析 (5)
2.1.3平板角度的分析 (5)
2.2角度测量的计算 (7)
2.2.1单位脉冲转过角度计算 (7)
2.2.2编码器可行性计算 (7)
2.3 步进电机模块的论证分析 (7)
2.3.1步进电机节拍数与螺旋码盘输出脉冲之间关系 (7)
2.3.2步进电机最大空载启动频率分析与计算 (7)
3电路与程序设计 (8)
3.1电路的设计 (8)
3.1.1系统总体框图 (8)
3.1.2整体电路原理图 (9)
3.1.3 显示子系统框图与电路原理图 (9)
3.2程序的设计 (10)
3.2.1程序功能描述 (10)
3.2.2具体的程序分析设计 (12)
4测试方案与测试结果 (13)
4.1测试方案 (13)
4.2 测试条件与仪器 (13)
4.3 测试结果及分析 (14)
4.3.1测试结果(数据) (14)
4.3.2测试分析与结论 (16)
5.实验总结 (16)
参考文献 (17)
附录1：电路原理图 (18)
附录2：源程序 (21)
附录3：主要元器件清单 (22)
基于自由摆的平板控制系统 （B 题）
【本科组】
1系统方案分析
系统设计任务为一种基于自由摆的保持平板平衡的控制系统。基本要求是保持平板上硬币的平衡滑动小或滑落少，进一步的要求是让平板上激光笔射在靶纸上的光斑偏移量尽可能小。在实时控制时，对自由摆的摆角、摆速及摆动方向的测量十分关键，平板角度的控制精度和相应速度也直接决定着最终的控制效果。据此，本系统采用以单片机为核心的自由摆控制系统主要由以下几个功能模块构成：
1、单片机控制模块
2、角度测量获取模块
3、平板平衡控制模块
4、电机驱动模块
5、角度值显示模块 系统框图如图一所示。
图一 系统组成框图
单片机控制 角度测量 获取
平板平衡 控制
驱动
角度值显示
1.1 主控制器件的论证与选择
1.1.1控制器选用
我们选用STC89C51单片机作为控制核心，它具有8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
1.1.2控制系统方案选择
方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统
在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。
方案二：自制单片机印刷电路板
自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。
方案三：采用单片机最小系统。
单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。
1.2 角度测量获取模块的论证与选择
方案一：采用加速度传感器
加速度传感器采用模拟量输出，需要放大电路及A/D完成角度的测量，由于在传输回路中模拟信号易受干扰，测量结果容易产生误差，通过数字滤波等技术虽然能够在一定程度上消除干扰造成的误差，但是，滤波运算增加了CPU的负荷。
方案二：采用电位器作为角度传感器
自由摆系统的角度测量也可采用可变电阻器。精密的可变电阻器具易获得、价格低廉、重复性高、分辨率高、高频响应特性好、易使用等特点。但是可变电阻器也是模拟信号输出，需要A/D信号的转换，增加系统复杂性，而且安装要求较高，带来了硬件设计的不便。
方案三：采用增量式光电旋转编码器
光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。旋转编码器具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。此外旋转编码器安装较为方便，接口电路较为简单，能够减少系统硬件电路的工作量。
综合以上三种方案，我们选择方案三。最终我们选择了欧姆龙的1000线高精度旋转编码器E6B2C它测量精度高，分辨率达到了0.36°。
1.3 步进电机及其驱动模块的论证与选择
步进电动机的驱动电路可采用配套的高性能步进电机驱动器ZD-6209-V2。ZD-6209-V2高性能步进驱动器具有集成度高可靠性好抗高频干扰强，并且接口采用超高速光耦隔离等特点。能够对整步、半步、四细分、八细分、十六细分可调；输出电流线行可调支持脱机、使能、锁定等功能。
最终选定的步进电机型号为42BYG250-48。该电机为两相步进电机，它的步距角仅为1.8°扭矩为0.50N/m，有较高的空载启动频率，在十六细分后能实现0.225°的步距
角能够满足本系统的控制要求。
2系统理论分析与计算
2.1 自由摆平板控制系统的分析
2.1.1 自由摆平板系统模型建立
（1）建立自由摆运动模型，由于系统是由轻杆和步进电机等组成，相较于步进电机，轻杆质量很小，可以近似认为旋转臂重心在平板附近，平板沿半径为L 的弧长自由摆动。示意图如图二
图二 自由摆模型示意图
①在最低位置时平板将达到最大速度，因此在不计空气阻力及固定点摩擦力的情况下利用能量守恒定律有：2()(1cos )v l
mg m
θ-=，得出()lg(1cos )v θ=-
在θ不超过60°，l=1.0m 的情况下。计算得v=2.236m/s ，由角速度与线速度之间
的关系，得出ω= v
l
=2.236rad/s=128/s
②自由摆周期计算 根据单摆的周期计算公式
2l g
T π
=；
得单摆周期T=1.986ms
（2）使硬币不滑落的模型分析
在自由摆在一个小角度时摆动时，自由摆运动模型便是一个化为物理单摆模型。因在实际中自由摆臂质量集中在端点的电机上，受力分析如图三所示。
图三 硬币受力模型
硬币受到重力mg ，板的支持力合外力方向垂直与摆臂，大小为F 合。
根据单摆的物理规律平板随自由摆摆臂运动的加速的a 方向将始终垂直与摆臂，为保证平板上硬币不会滑落平板需要保证硬币在沿平板方向上没有分力的作用，也就是硬币与平板是没有摩擦力的。也即平板对硬币力的作用方向始终在垂直于平板方向上， 当摆角30°-45°之间时，经过推算，硬币会受到平板沿平板方向上微弱的分力作用，但是考虑到两者之间的摩擦力作用，静摩擦力要远大于沿平板方向分力作用，是不会使硬币发生位移。因此只要保持平板与摆臂的垂直就能保证硬币不会滑落。 自由臂开始运动时平板保持水平位置，而要保证硬币不从平板上滑落则需要平板尽快保持与自由臂垂直，因此在放开平板时需要让平板带动硬币尽快达到与自由臂垂直位置。
2.1.2 判断正反转原理分析
角度测量模块由高精度旋转编码盘构成，编码盘转轴随自由摆旋转臂转动，当旋转臂摆过一个角度后旋转编码盘将输出一串脉冲通过对脉冲的计数可以算出转臂摆过的角度。
旋转编码的输出信号A 、B 时序图如图四所示。 当转轴正转时A 相输出脉冲超前B 相输出脉冲，反转时则相反。通过单片机检测A 、B 相输出脉冲的相位关系可以精确地判断自由摆臂的正反转。
正转反转A 相B 相A 相
B 相
A 相超前
B 相A 相滞后B 相
图四 旋转编码器判断正反转
2.1.3 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析
对于基础部分，为使硬币不从平板上滑落，需要保持平板始终垂直与自由摆臂垂直，而在初始时刻，平板保持水平，与自由摆臂夹角达到30-45°左右，为保证硬币不滑落，需要在自由摆开始摆动时刻步进电机控制平板尽快达到与自由摆臂垂直位置。而在以后的摆动过程中，保持平板方向不变便能满足硬币不滑落的要求。
对于发挥部分,由图五可知，在摆杆在靠近平板位置： AB=2sin(θ/2) AM=1.5m 有正弦定理有：
2
sin() 1.5sin()
2sin()
2θ
αθ
α=
+
所以：
2223tan()ABM ABM θθθ
∠∠（cos()+sin()）=4sin()tan()
得出：
2
2
23sin()
=
4sin()3cos()
ABM θ
θθ
∠-tan()
转过角度：
=2
ABM θ
βπ+-∠
当摆杆在远离平板位置时，同理：
2
2
23sin()
=
4sin()3cos()
ABM θ
θθ
∠+tan()
转过角度：
2
ABM θ
β=∠+
图五 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系
根据上述公式，可以算出旋转编码器脉冲数与步进电机转动脉冲数对应关系，几个主要的对应关系如表一所示。
0c m
A
B
M
激光笔
2.2 角度测量的计算
2.2.1 单位脉冲转过角度计算
根据旋转编码器的精度指标，旋转一周为360°，每一个脉冲为旋转0.36°，通过获取旋转编码器的脉冲数目n ，从而得到旋转角度值是n*0.36°。
旋转编码器的脉冲式送到单片机的外部中断口，从而记录脉冲的数目。 2.2.2 编码器可行性计算
根据单摆的可能出现的最大角速度计算系统中可能的最小脉冲周期
T=
max
1/
ωθ，其中θ为编码器分辨率，为0.36°。
计算得T=2.8ms ，而采用12M 晶振的单片机对脉冲计数的周期仅为1μs ，远远小于T ，因此采用该编码器能够满足系统要求。
2.3 步进电机模块的论证分析
2.3.1 步进电机步进数与螺旋编码盘输出脉冲之间关系
由于步进电机步进角为1.8°，旋转编码盘分辨率为0.36°，可以求得每一个步进角将对应5个旋转编码器输出脉冲。我们所采用的是步进电机十六细分下的，所以最后的送给电机的单个步进角对应脉冲数N=5*16.
2.3.2 步进电机最大空载启动频率分析与计算
右侧
左侧
编码器脉冲数 自由摆臂度数
平板调整角度
8细分步进电机对应脉冲数
16细分对应脉冲数
编码器脉冲数 自由摆臂度数
平板调整角度
8细分步进电机对应脉冲数
16细分对应脉冲数 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 1 0.36 0.360642 2 3 1 0.36 0.006296 2 4 2 0.72 0.722811 3 6 2 0.72 0.012619 3 6 3 1.08 1.086526
5 10 3 1.08 0.018967 5 10 … …… …… …… …… …… …… …… …… …… 84 30.24 38.00478
169 338 84 30.24 0.5956 152 304 … …… …… …… …… …… …… …… …… …… 125 45 65.25342
290 580 125 45 0.917334 234 468 … …… …… …… …… …… …… …… …… …… 167 60.12 98.49769
438 876 167 60.12 1.2582 320 640 … ……
...... ...... ...... ...... ...... ...... (172)
61.92 102.4797 455 911 172 61.92 1.299339
331 662
ω=128°/s，根据自由摆运动模型可知，平板在最低位置处角速度达到最大值，max
ω=256°/s，由于步进电机为保证系统的可靠，要求步进电机最大启动速度能达到2max
ω/1.8=142.3Hz，而我们选用的步步进角为1.8°，因此可以算出空载启动频率f=2max
进电机空载启动频率远高于该频率，因此我们选用的步进电机能符合系统要求。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图，如图六所示。
图六系统总体框图
3.1.1电路原理图见附录1
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述
主程序根据不同的要求设定不同的控制模式，在各个模式间切换。根据设计要求，我们把程序归为几个模式，由按键切换模式。具体分配如下：
模式一对应为基本要求一，即平板跟随自由摆旋转一周误差不超过45°；
模式二对应为基本要求二和基本要求三，即保持硬币在平板上的平衡，不让硬币掉落；
模式三对应发挥部分一和发挥部分二，对激光笔入射位置的调整以及保持激光笔入射位置的固定与平衡；
3.2.2具体的程序分析设计
（1）主程序分析设计
主程序流程图如图五所示，主程序由两个按键控制三个模式的选择。当系统启动时，S1按下选择模式一，S2按下选择模式二；若S1和S2都未按下，那么执行模式三。
图七主程序流程图（2）模式一的分析论证
模式一程序流程图，如图八所示。
图八模式一程序流程图
因为自由摆的周期是固定的，我们计算为2s一个周期，所以需要控制电机转动在2s内旋转360。采用定时器定时，在十六细分下，发每个脉冲的周期为625us。定时器定时即为625us。3200脉冲电机旋转一周，此时，每旋转一周，记录旋转周数的变量加一，到五周后，程序执行结束。
（3）模式二的角度测量中断服务判断程序的分析论证
模式二的角度测量中断服务判断程序，如图九所示。
进入中断程序后，我们需要确定的是左右侧的方向标志。设定两个定时器分别为T1和T2。T1为左侧的计数器，T2为右侧的计数器。判断当T2大于零而且T1等于零时，表明平板往右摆，置右摆标志位为一。判断当T1大于零而且T2等于零时，表明平板往左摆，置左摆标志位为一。对应的计数器加一后，开始查表，找到对应的电机脉冲数，送给电机，从而控制电机转动。
图八模式二角度测量中断服务程序流程图
（4）模式二程序分析与设计
选择模式二后，摆杆缓慢拉到一定的角度，同时单片机获得旋转编码器所送来的脉冲并记录下来，拉到一定角度后摆杆停止，此时，单片机就获得了最后的角度值。
按键开始后，单片机根据获取的角度值，换算为电机的转动脉冲数，发给电机，电
机立即开始转动，保持平板对摆杆的垂直。最后，电机锁定，避免电机的抖动。
此时程序执行结束。
模式二的程序流程图，如图九。
图九模式二程序流程图
（5）模式三的左右侧中断服务判断程序的分析论证
与模式二的中断服务程序相同，对左右侧判断是一样的方法。相对于模式三的特殊性，在获取角度之后，换算为电机的脉冲数，还应该计算此次的脉冲数与前一次的脉冲数的差值，也就是计算出脉冲数的增量值，是电机转动的是一具增量变化的，这样就能达到电机的转动是跟随角度脉冲变化的快慢以及大小而跟这变化。达到最终的实时控制，保持激光笔在靶纸上光斑的位置恒定。
图十模式三中断服务程序流程图
（6）模式三分析与设计
选择模式三后，摆杆开始拉动摆杆，单片机内部立即根据旋转编码器的A通道和B 通道的脉冲相位关系，判断出平板摆动位置在中心线的左右侧。判定之后，θ3（反转标志位）的值或θ4（正转标志位）的值对应增加，记录下旋转编码器的脉冲数。再通过计算，转换为电机的转动脉冲数。
如果开始按键S3按下，那么所计算的电机旋转脉冲发给电机，电机立即转动对应地调整平板位置，使激光笔找着最初入射靶纸上的位置或者是保持靶纸上激光笔的光斑入位置尽可能保持不变。
模式三的程序流程图，如图十一。
图十一模式三的程序流程图
3.2.3部分源程序见附录2
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
（1）硬件测试
采用数字万用表对电路板连接情况测试。
(2）软件仿真测试
通过信号发生器产生周期方波，单片机最小系统对方波信号计数并显示脉冲数。通过比较显示信息与数字示波器显示频率比较。
（3）系统误差测试
系统误差按照系统要求分别测试在一个周期内平板旋转角度、当放一枚硬币时自由摆在30°和45°起始位置摆动时，硬币摆动一周初始位置偏离的距离及自由摆在45°和60°起始位置摆动时，八枚硬币滑落平板的个数。
发挥部分分别测量角度在30°-60°之间各角度下，激光笔光线偏离中心线的距离。
4.2 测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。单片机显示脉冲数与信号发生器产生相同时间显示脉冲数
相符。
测试仪器：量角器、米尺、数字万用表（DT9205）、游标卡尺，铅垂。
4.3 测试结果及分析
（1）多次测量在一个摆动周期内平板转动角度
测试方法：在最低点处保持平板水平，将摆杆拉至最高点，启动电机开始转动8圈后停止，同时让单摆自由摆动8个周期后到达最高点时停止，用量角器测出平板偏离水平的角度。
测量
1 2 3 4 5 6 7 8
次数
平板偏
52°63°49°54°51°59°58°64°
离水平
的角度
平均
6.5°
7.9° 6.1° 6.8° 6.6°7.2°7.2°
8.0°
误差
误差分析：该测试方法通过多次测量求均值降低了测试时的系统误差，较为准确的测试出了实验的误差。
（2）1枚硬币滑离中心位置的距离(cm)
测试方法：将摆杆推至一个角度（30°-45°），在水平的平板上放置1枚硬币，
并在白纸上标记其轮廓，启动系统后，观测硬币滑动的距离。
次数 1 2 3 4 5 6 7 8
角度30°33°35°39°40°41°43°45°
滑动距
0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 0.7 0.8 离（cm）
误差分析：由实验测试结果可以看出，当摆杆起始角度由30°到45°逐渐增大时，
硬币滑离中心位置的距离越大（在实验允许的误差之内），这符合理论分析的结果且符
合实际生活规律，达到了预期的实验效果
（3）8枚硬币最底层硬币滑离中心位置的距离及硬币跌落数目
测试方法：将摆杆推至一个角度（45°-60°），在水平的平板上放置1枚硬币，
并在白纸上标记其轮廓，启动系统后，观测8枚硬币最底层硬币滑离中心位置的距离及
硬币跌落数目。
次数 1 2 3 4 5 6 7 8
角度45°48°49°52°53°56°57°60°
滑动距
0.3 0.4 0.5 1.2 0.6 0.8 2.8 1.0 离（cm）
跌落数
0 0 0 1 0 0 1 0
目
误差分析：由实验测试结果可以看出，当摆杆起始角度由45°到60°逐渐增大时，
最底层硬币滑离中心位置的距离越大，当硬币发生跌落时，相应的最底层硬币滑离中心
位置的距离也很大，这一结果符合理论分析的结果。
（4）摆杆停留在固定角度（30°-60°）时激光笔瞄准情况
测试方法：在平板上固定激光笔，摆杆停留在固定角度时启动电机，带动平板上的激光笔转动，激光笔光斑离标记中心线处的距离记录如下：
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 角度30°34°40°43°48°51°56°60°光斑偏
1.2 0.9 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.4 离量
（cm）
完成时
3 3
4 4
5 5 5
6 间（s）
误差分析：由实验测试结果可以看出，当摆杆偏转角度增大时，激光笔距离标记中心线近，光斑偏离量小，但电机需要旋转的角度大，所需的时间长。
（5）摆杆自由摆动时激光笔瞄准情况
测试方法：在平板上固定激光笔，将摆杆推至（30°-60°）处，使光斑指向标记处，启动电机并释放摆杆，观测激光笔随摆杆自由摆动过程中光斑偏离标记处的最大距离。
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 右侧释
30°32°38°43°45°50°56°60°放时起
始角度
最大偏
1.0 1.0 1.3 1.3 1.4 1.5 1.7 1.9 离距离
（cm）
左侧释
放时起
30°35°37°45°48°52°57°60°始角度
最大偏
1.2 1.2 1.3 1.5 1.5 1.6 1.8
2.0 离距离
（cm）
误差分析：由实验测试结果可以看出，当摆杆偏转角度增大时，对应的光斑偏离标记中心线增大。且摆杆从左边释放时的误差比从右边同样高度处释放的误差大，因屏在右边，所以这一实验结果是可以接受的。
4.3.1 测试分析与结论
根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
（1）在一个周期内平板旋转角度误差基本在15°以下，完全能满足设计要求。
（2）在摆动一个角度硬币偏离中心位置的距离30°时误差基本保持在5%以内，在45°时偏离中心位置距离变大，但是也都能满足设计要求。
（3）在放置8枚硬币后摆动一个角度,硬币很少滑落。总体来看，控制系统能够达到设计要求。
（4）在30°到60°之间均匀取角度测量激光笔光线与中心线的距离。测量结果偏距均在要求2cm内。
综上所述，本设计基本达到设计要求。
5.总结
此次基于自由摆的平板控制系统设计，以单片机为控制核心，采用1000线增量型旋转编码器实时采集自由摆旋转角度及方向信息，并通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。达到了在一个周期里电机精确旋转一周；平板角度调整速度快，8枚硬币滑动小无跌落；实时控制激光笔保持静态水平误差在1cm以内；动态控制误差在2cm以内的实验效果。总结该设计的实现过程，具有以下三个方面的优点：首先，采用1000线增量型光电旋转编码器，输出信号A、B为高低电平的数字脉冲信号，可直接与单片机管脚相连，无需额外附加驱动电路，精简了整体硬件电路设计。实验中可根据光电旋转编码器输出脉冲触发单片机外部中断的快慢，判断摆杆的旋转速度，根据光电旋转编码器输出脉冲的多少，判断摆杆的旋转角度，根据光电旋转编码器输出信号A、B 的相位关系，判断摆杆的旋转方向。因而该设计方案具有角度值精确度高，旋转方向判别稳定可靠，硬件电路接口简单的优点。
其次，采用高性能步进电机及配套的步进电机驱动器，该步进电机最小步进角为1.8度，且可对步进电机进行四细分、八细分、十六细分可调控制，进而实现步进电机的微小精确控制。此外，该步进电机具有较短的响应时间，经理论计算可完全满足平板保持动态水平的实时性要求。再者，该步进电机驱动器具有脱机功能，可实现步进电机的锁定，从而使步进电机转动到指定角度后能够稳定保持在这一位置，增强了控制的稳定性。最后，该步进电机具有较大的带负载能力，保障了在带动平板转动的过程中稳定而可靠。
再次，在该设计的程序编写方面，用光电旋转编码器输出信号产生脉冲数，直接计算出摆杆的角度，再由摆杆角度计算出步进电机需要转动的角度，再由步进电机转动角度计算出步进电机的步进数，人为的算出光电旋转编码器输出信号脉冲数与步进电机步进数的对应关系后，建立起两者的关系数组，单片机直接查表即可输出对步进电机的步进数控制量，极大的减少了单片机进行复杂的三角函数运算的时间，且有效的降低了单片机进行复杂的三角函数运算的舍入误差，提高了实验的精度。
以上三方面的优点是该设计方案得以取得良好的实验结果的有力保障。同时，该设计方案也存在不足和有待完善之处。如查表法虽提高了运算速度和实验精度，但在程序修改上比较麻烦和不便。
参考文献
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2013年全国大学生电子设计竞赛综合测评题 综合测评注意事项 （1）综合测评于2013年9月16日8：00正式开始，9月16日15：00结束。 （2）本科组和高职高专组优秀参赛队共用此题。 （3）综合测评以队为单位采用全封闭方式进行，现场不能上网、不能使用手机。 （4）综合测评结束时，制作的实物及《综合测评测试记录与评分表》由全国专家组委派的专家封存，交赛区保管。 波形发生器 使用题目指定的综合测试板上的555芯片和一片通用四运放324芯片，设计制作一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的波形产生电路。给出设计方案、详细电路图和现场自测数据波形（一律手写、3个同学签字、注明综合测试板编号），与综合测试板一同上交。 设计制作要求如下： 1、同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ中的一种波形，每通道输出的负载电阻均为600欧姆。 2、四种波形的频率关系为1：1：1：3（3次谐波）：脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ输出频率范围为8kHz—10kHz，输出电压幅度峰峰值为1V；正弦波Ⅱ输出频率范围为24kHz—30kHz，输出电压幅度峰峰值为9V；脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真（使用示波器测量时）。 频率误差不大于10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。脉冲波占空比可调整。 3、电源只能选用+10V单电源，由稳压电源供给。不得使用额外电源。 4、要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ和电源的测试端子。 5、每通道输出的负载电阻600欧姆应标示清楚、置于明显位置，便于检查。 注意：不能外加555和324芯片，不能使用除综合测试板上的芯片以外的其他任何器件或芯片。 说明： 1、综合测评应在模数实验室进行，实验室应能提供常规仪器仪表、常用工具和电阻、电容、电位器等。
2013年全国大学生电子设计竞赛 简易旋转倒立摆及控制装置（C题） 【本科组】 摘要： 通过对该测控系统结构和特点的分析，结合现代控制技术设计理念实现了以微控制器MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。通过采集的角度值与平衡位置进行比较，使用PD算法，从而达到控制电机的目的。其工作过程为：角位移传感器WDS35D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D采样后反馈给主控制器。控制器根据角度传感器反馈信号进行PID数据处理，从而对电机的转动做出调整，进行可靠的闭环控制，使用按键调节P、D的值，同时由显示模块显示当前的P、D值。 关键字： 倒立摆、直流电机、MC9S12XS128单片机、角位移传感器WDS35D、PD算法
目录 一、设计任务与要求 (4) 1 设计任务 (4) 2 设计要求 (4) 二系统方案 (5) 1 系统结构 (5) 2 方案比较与选择 (5) （1）角度传感器方案比较与选择 (5) （2）驱动器方案比较与选择 (6) 三理论分析与计算 (6) 1 电机的选型 (6) 2 摆杆状态检测 (6) 3 驱动与控制算法 (7) 四电路与程序设计 (7) 1 电路设计 (7) （1）最小系统模块电路 (7) （2）5110显示模块电路设计 (8) （3）电机驱动模块电路设计 (9) （4）角位移传感器模块电路设计 (9) （5）电源稳压模块设计 (9) 2 程序结构与设计 (10) 五系统测试与误差分析 (11) 5.1 测试方案 (11) 5.2 测试使用仪器 (11) 5.3 测试结果与误差分析 (11) 6 结论 (12) 参考文献 (12) 附录1 程序清单（部分） (13) 附录2 主板电路图 (18) 附录3 主要元器件清单 (19)
1994～2009全国大学生电子设计竞赛历届题目一览 第一届（1994年）全国大学生电子设计竞赛题目 题目一简易数控直流电源 题目二多路数据采集系统 第二届（1995年）全国大学生电子设计竞赛题目 题目一实用低频功率放大器 题目二实用信号源的设计和制作 题目三简易无线电遥控系统 题目四简易电阻、电容和电感测试仪 第三届（1997年）全国大学生电子设计竞赛题目 A题直流稳定电源 B题简易数字频率计 C题水温控制系统 D题调幅广播收音机* 第四届（1999年）全国大学生电子设计竞赛题目 A题测量放大器 B题数字式工频有效值多用表 C题频率特性测试仪 D题短波调频接收机 E题数字化语音存储与回放系统 第五届（2001年）全国大学生电子设计竞赛题目 A题波形发生器 B题简易数字存储示波器 C题自动往返电动小汽车 D题高效率音频功率放大器 E题数据采集与传输系统 F题调频收音机 第六届（2003年）全国大学生电子设计竞赛题目 电压控制LC振荡器（A题） 宽带放大器（B题） 低频数字式相位测量仪（C题） 简易逻辑分析仪（D题） 简易智能电动车（E题） 液体点滴速度监控装置（F题） 第七届（2005年）全国大学生电子设计竞赛题目 正弦信号发生器（A题） 集成运放参数测试仪（B题） 简易频谱分析仪（C题）
单工无线呼叫系统（D题） 悬挂运动控制系统（E题） 数控直流电流源（F题） 三相正弦波变频电源（G题） 第八届（2007年）全国大学生电子设计竞赛题目音频信号分析仪（A题）【本科组】 无线识别装置（B题）【本科组】 数字示波器（C题）【本科组】 程控滤波器（D题）【本科组】 开关稳压电源（E题）【本科组】 电动车跷跷板（F题）【本科组】 积分式直流数字电压表（G题）【高职高专组】 信号发生器（H题）【高职高专组】 可控放大器（I题）【高职高专组】 电动车跷跷板（J题）【高职高专组】 第九届（2009年）全国大学生电子设计竞赛题目光伏并网发电模拟装置（A题）【本科组】 声音导引系统(B题)【本科组】 宽带直流放大器（C题）【本科组】 无线环境监测模拟装置（D题）【本科组】 电能收集充电器（E题）【本科组】 数字幅频均衡功率放大器（F题）【本科组】 低频功率放大器（G题）【高职高专组】 LED点阵书写显示屏（H题）【高职高专组】
2011 年全国大学生电子设计竞赛实验报告 一、实验目的 1、熟练掌握各种常用实验仪器的使用方法。 2、熟悉LM324运放的典型参数及应用。 3、掌握PDF 资料的查询与阅读方法。 4、掌握电子设计与调试的基本流程及方法。 二、实验内容 设计要求： 使用一片通用四运放芯片LM324组成电路框图见图1，实现下述功能： 1. 使用低频信号源产生100.1sin 2()i U f t V =∏，f 0 =500Hz 的正弦波信号，加至 加法器输入端。 2. 自制三角波产生器产生T=0.5ms （±5%），V p-p =4V 的类似三角波信号1o u ，并加至加法器的另一输入端。 3. 自制加法器，使其输出电压U i2 = 10U i1+U o1。 4. 自制选频滤波器，滤除1o u 频率分量，得到峰峰值等于9V 的正弦信号2o u ，2o u 用示波器观察无明显失真。 5.将1o u 和2o u 送入自制比较器，其输出在1K Ω负载上得到峰峰值为2V 的输出电压3o u 。 方案论证与数值计算： 由于电源只能选用+12V 和+5V 两种单电源，由稳压电源供给，而
LM324N具有宽的单电源或双电源工作电压范围，单电源：3-30V,双电源：1.5V-15V,经过试验我们选择双电源供电，所以进行电源的搭建
三角波发生部分： 方案一： 三角波发生器电路按照由方波经过积分电路得到，需要两个放大器，不满足实验要求。 方案二： 利用RC充放电模拟三角波，通过两个电位器分别来调节周期和峰峰值至实验要求的值。达到合理利用现有资源高效达到要求的目的。因此我们采用方案二。题目要求三角波发生器产生的周期为T=0.5ms，Vpp=4V的类似三角波。我们由公式T=2*R14*C1*ln（1+2*R3/R15）另外运放1端输出电压设为U,则Uo1=（R15/(R15+R1））*U。选取电容为较常见的47nf , 计算得R1=2R14；R14=0-5K，所以取R1为0-10k；得到R15=0-10K; 加法器部分
光伏并网发电模拟装置（A 题） 【本科组】 一、任务 设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源U S 和电阻R S 模拟光伏电池，U S =60V ，R S =30Ω~36Ω；u REF 为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V ，频率f REF 为45Hz~55Hz ；T 为工频隔离变压器，变比为n 2:n 1=2:1、n 3:n 1=1:10，将u F 作为输出电流的反馈信号；负载电阻R L =30Ω~36Ω。 R L U S 图1 并网发电模拟装置框图 二、要求 1．基本要求 （1）具有最大功率点跟踪（MPPT ）功能：R S 和R L 在给定范围内变化时， 使d S 1 2 U U =，相对偏差的绝对值不大于1%。 （2）具有频率跟踪功能：当f REF 在给定范围内变化时，使u F 的频率f F =f REF ， 相对偏差绝对值不大于1%。 （3）当R S =R L =30Ω时，DC-AC 变换器的效率η≥60%。 （4）当R S =R L =30Ω时，输出电压u o 的失真度THD ≤5%。 （5）具有输入欠压保护功能，动作电压U d （th ）=（25±0.5）V 。 （6）具有输出过流保护功能，动作电流I o （th ）=（1.5±0.2）A 。 2．发挥部分 （1）提高DC-AC 变换器的效率，使η≥80%（R S =R L =30Ω时）。 （2）降低输出电压失真度，使THD ≤1%（R S =R L =30Ω时）。 （3）实现相位跟踪功能：当f REF 在给定范围内变化以及加非阻性负载时，
均能保证u F 与u REF 同相，相位偏差的绝对值≤5°。 （4）过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。 （5）其他。 三、说明 1．本题中所有交流量除特别说明外均为有效值。 2．U S 采用实验室可调直流稳压电源，不需自制。 3．控制电路允许另加辅助电源，但应尽量减少路数和损耗。 4．DC-AC 变换器效率o d P P η= ，其中o o1o1P U I =?，d d d P U I =?。 5．基本要求（1）、（2）和发挥部分（3）要求从给定或条件发生变化到电路 达到稳态的时间不大于1s 。 6．装置应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。 7．制作时应合理设置测试点（参考图1），以方便测试。 8．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、 主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。
电子设计大赛心得 XX年的全国大学生电子设计大赛终于落下帷幕，真的很庆幸自己得以参加这样的比赛。虽然最后失手的结果让人感到无比遗憾，但正如老师所说的，此前长达一年的技能学习对知识，心态的锻炼才是我们最大的收获，我会朝着自己所爱坚定地走下去。 一年的技能特训以来，尤其这个暑假里，在实验里的一幕幕依然仿佛在眼前，这将是令人难忘的，令人永远怀念的一段时光，因为在这段日子里，我们不懈地努力，全身心地投入。一个闷热，单调的夏天，却是充满回忆，收益匪浅的收获的季节。 时间过得好快，依然很怀念曾经一起努力的日子。和师兄姐，姐弟们的相互调侃，请教师兄，听老师说教，一起讨论算法，叫外卖一块吃，通宵攻关，小组篮球赛，一起焊电路，近乎争吵的讨论，为找器件走遍整个实验室，被师兄笑菜鸟，卷在台下跟电脑主机睡……这一幕幕仿佛在昨天。 一路走过来，从只知道些课本的理论知识之外一无所知的菜鸟开始，上培训课，请教老师、师兄，上网查资料，自己动手实践、摸索，到激动地喊出“我搞出来啦！”这是一个美妙的过程。在三人小组里，我的角色是负责软件的编写，在刚开始时遇到很大困难，特别是串口的初始化、中断的设置和文件配置上有很多不明白的地方，但在两位指导老师还有师兄的帮助下，查参考资料，自己尝试，甚至巩老师手把手的调教下，一点点地深入了解了其工作原理。我真诚地感激帮助我的老师和师兄们，在认真观察了他们的编写、调试程序和探寻答案的过程后，我真正感叹自己确是菜鸟一个，我简直难以抑制自己的兴奋—--这些经验我像是在信手拈来！在硬件方面，我常常参予到硬件的选择和焊接中去，和队友一起沟通讨论其工作原理以便编写程序，遇到问题时同队友们由软硬件两个方向推敲，从而找到问题所在。我愰然发觉，一些在课本上看起来很容易的内容其实一点不简单，同样地，一些很难的理论知识应用起来其实也不是那么难。
南京林业大学 第二组
简易小车（C题） 摘要：本设计以设计题目的要求为目的，采用STC单片机（STC12C5604AD）作为智能小车的控制和检测核心，实现小车的路线识别、快慢速行驶等功能，采用SRWF-501无线通信模块实现两辆小车的无线通讯，选择正确的行进路线超车等功能。采用反射式光电传感器(ITR200001-T)感知与木工板面颜色有较大差别的胶带边框作为引导。运用高电压大电流的全桥驱动芯片L298N作为电机驱动芯片，驱动电机采用直流减速电机，电机控制方式为单向PWM控制。整个电路设计简单，可靠性高。 关键词：智能控制光电检测无线通讯 PWM脉宽调制智能小车 Simple Intelligentized Electric Motors Automobile Abstract ：This design that focus on the competition task as the purpose, based on the single chip, STC12C5604AD, which is the center of controlling and detection of the intelligent car, to achieve the function of track identification and alterable speed. The design is used the wireless model SRWF-501 to realize two intelligent cars’ wireless communication and choosing the right movement track to overtake. To use the reflected photoelectric sensor and the rubber belt frame which has an obvious distinguish with the wood board as the guidance. The drive dynamo apply the style of direct current and ability of slowing down, the way of controlling dynamo is controlling of PWM. The whole circuit has a clear and simple design and also high quality. Key word: intelligently control, reflecting-infrared sensors, wireless communication ，PWM, intelligent automobile
2017年全国大学生电子设计竞赛 管道内钢珠运动测量装置（M题） 【高职高专】
摘要： 系统以STC15W4K61S4单片机为主控器，设计一款管道内钢珠运动测量装置。该装置可以获取管道内钢珠滚动的方向，以及倒入管道内钢珠的个数和管道的倾斜角度。并通过LCD12864液晶显示屏实时显示钢珠滚动方向、个数以及管道的倾斜角度。系统包括单片机主控模块、角度信号采集模块、磁力传感器模块、显
示模块、电源模块、采用稳压输出电源为系统提供工作电源。系统制作成本较低、工作性能稳定，能很好达到设计要求。 关键词:角度传感器、磁性接近开关、LCD12864 目录 1设计任务与要求 (1) 1.1设计任务 (1) 1.2技术指标 (1) 1.3题目评析 (1)
2方案比较与选择 (2) 2.1单片机选择 (2) 2.2角度测量选择 (2) 2.3 钢珠运动检测选择 (2) 2.4显示选择 (2) 2.5电源选择 (2) 3电路系统与程序结构设计 (3) 3.1系统硬件总体设计 (3) 3.2单片机最小系统模块设计 (3) 3.3角度传感器模块设计 (3) 3.4 磁性传感器模块设计 (4) 3.5显示模块设计 (4) 3.6电源模块设计 (4) 3.7程序结构与设计 (5) 4系统测试 (5) 5总结 (6) 参考文献及附录 (6)
1设计任务与要求 1.1设计任务 设计并制作一个管道内钢珠运动测量装置，钢珠运动部分的结构如图1.1所示。 1.2技术指标 1．基本要求 规定传感器宽度 w≤20mm，传感器1和2之间的距离l 任意选择。 （1）按照图1.1所示放置管道，由A 端放入2～10粒钢珠，每粒钢珠放入的时 间间隔≤2s，要求装置能够显示放入钢珠的个数。 （2）分别将管道放置为A 端高于B 端或B 端高于A 端，从高端放入1粒钢 珠，要求能够显示钢珠的运动方向。 （3）按照图1.1所示放置管道，倾斜角ɑ为10o～80o之间的某一角度，由A 端放入1粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角ɑ的角度值，测量误差的绝对≤3o。 2．发挥部分 设定传感器1和2之间的距离l 为20mm ，传感器1和2在管道外表面上安放的位置不限。 （1）将1粒钢珠放入管道内，堵住两端的管口，摆动管道，摆动周期≤1s ， 摆动方式如图1.2所示，要求能够显示管道摆动的周期个数。 （2）按照图1.1所示放置管道，由A 端一次连续倒入2～10粒钢珠，要求装置 能够显示倒入钢珠的个数。 （4）其他。 3.设计报告。 1.3题目评析 根据设计要求，对题目评析如下： 本题的重点： ① 传感器灵敏度的选择。 ② 用于钢珠运动检测的传感器选择 图1.1：管道内钢珠运动测量装置的结构图 图1.2：管道摆动方式
一：方案论证 1.系统总体设计方案 根据题目要求，总体设计方案如下：将交流电220V送进隔离变压器，一级输出18V交流电。通过整流滤波，将交流电转为直流电，进行DC-DC升压和降压。副DC-DC实现的降压值为5V，用于给单片机控制系统供电。通过键盘可以对主DC-DC升压的输出电压进行设定和步进调整，并由AD对输出进行采样，通过在单片机内预置的算法对输出进行补偿调整，同时从液晶屏上数字显示出电流和电压值。当开关稳压电源输出电流达到上限时，启动过流保护；当故障排除后，开关电源恢复正常工作。系统总体框图如图1.1所示。 图1.1 系统总体框图 2.主DC-DC升压电路设计方案 DC－DC升压电路采用自举式升压方式，如图1.2所示，当晶体管导通时，电感与电源接地端直接相连，形成回路。随着能量存储到电感的磁场中，流过电感的电流斜线上升，磁力线增强。 当晶体管截止时，磁场开始消失。随着它的减弱，会切割电感的导线，产生一个电压。由于磁场的运动方向与磁场建立时的方向相反，所以感应电压反向。从而实现升压的过程。 晶体管截止时电流方向 图1.2 自举式主DC-DC回路拓扑图 3.控制方法及实现方案 对主DC-DC升压转换器的控制方法采用硬件闭环控制为主、软件补偿和测量相结合的方法对DC-DC的输出进行精确控制。硬件控制采用国家半导体公司的LM2587-ADJ开关电源控制芯片组成对输出主回路的电压闭环控制，实现对系统
的粗调。软件控制选用STC12C5412AD 单片机作为系统控制器，系统的显示、按 键、A/D 、D/A 全部集中在核心控制板上，通过预置算法实现对系统的精调。 4.提高效率的方法及实现方案 1.降低二极管的损耗：二极管一般需要0.7V 的导通电压降。在输出电压为 21.6V 时，二极管要消耗一定的输出功率。而肖特基二极管的导通压降一般为 0.2V ～0.3V ，因此使用这类二极管这能够有效降低其上的功率损耗。 2.降低开关管的损耗：如果将开关管设计在外围电路中，极易由于设计参数 的问题导致开关管部分时间工作在线性区，会引起一定损耗。在设计中，选用 LM2587，它将开关管集成到芯片内部，参数由厂家整定，可以大大减少功耗。 3.减少铜损：铜损是由导线的寄生电阻和电感线圈引起的。实际设计中，选 用横截面积大的铜丝，并采取多股缠绕的方法，减少单位横截面积电阻。 4.减少铁损：引起铁损的原因有两个——磁滞损耗和涡流损耗。在实际操作 中，采用EI 型电感磁芯，并在连接处留有一定空隙。由于存在空气间隙，使之 不易产生磁滞和涡流。 二：电路设计与参数计算 1.主回路器件的选择及参数计算 题目中要求：18V 交流输入时，经转换后输入电压为21.6V （理论计算得出）， 负载端电压为30V~36V 。最大输出电流I omax 为2A ，主DC-DC 升压变换器效率 η≥70%(发挥部分要求达到η≥85%)。据此，在主DC-DC 升压回路中主要用来 实现DC-DC 变换器的器件为LM2587-ADJ 。LM2587-ADJ 内部有一个100kHz 的振荡器，内部开关电流额定值5A ，负载电压V load <65V ，输入电压需保持在 4V~40V ，变换器效率90%，理论上完全满足设计需求。 主DC-DC 回路电路图如图2.1所示，通过改变R 2和R 3的比值即可设定所需 负载电压值。 图2.1 主回路原理图 将反馈电压与内部参考电压1.23V 进行比较： V load =1.23V(1+32R R ) （2-1）
2011年全国大学生电子设计竞赛 LC谐振放大器（D题） 【本科组】
摘要 本次设计是以谐振放大器为核心，以实现微小高频信号不失真放大而进行的。本次设计针对的是小于5mV的15MHZ的信号，因此对于信号纯度的要求很高，因此我们选择制作PCB板和滤波电容来进行滤波以保证我们所处理的波是干净的少杂波的。而谐振放大器一般应用于小信号放大。为了进行微小信号的处理，需在设计前加一个衰减器，设计所用的衰减器是π形电阻网络，这种衰减网络可以有效保输入阻抗不变，并且电路简单易于实行，衰减倍数在40dB左右，然后经过差分电路进行选频放大，由于信号放大倍数不够，因此又在后级加了以AD603为核心的放大电路进行放大。设计完成以后，可以完成设计所要求基本的指标以及大部分发挥部分的指标。 关键词：LC谐振，放大，衰减，高频
目录 第一章系统方案论证 (1) 1.1 衰减器的论证与选择 (1) 1.2 LC谐振放大器的论证与选择 (1) 1.3 AGC的论证与选择 (1) 1.3 控制系统的论证与选择 (2) 第二章系统理论分析与计算 (2) 2.1 衰减器的理论分析与计算 (2) 2.1.1 理论计算 (2) 2.1.2 特性阻抗的理论计算 (2) 2.1.3 频带的理论计算 (2) 2.2谐振放大器的理论计算与分析 (2) 2.2.1 谐振放大器 (2) 2.2.2计算分析 (3) 2.3 AGC的理论计算与分析 (3) 2.3.1 AGC的计算 (3) 第三章电路与程序设计 (3) 3.1电路的设计 (3) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2LC谐振子系统框图与电路原理图 (4) 3.1.3电源 (4) 第四章测试方案与测试结果 (5) 4.1测试方案 (5) 4.2 测试条件与仪器 (6) 4.3 测试结果及分析 (6) 4.3.1测试结果(数据) (6) 4.3.2测试分析与结论 (7)
2015 年全国大学生电子设计竞赛 全国一等奖作品 设计报告部分错误未修正，软 件部分未添加 竞赛选题：数字频率计（F 题）
摘要 本设计选用FPGA 作为数据处理与系统控制的核心，制作了一款超高精度的数字频率计，其优点在于采用了自动增益控制电路（AGC）和等精度测量法，全部电路使用P CB 制版，进一步减小误差。 AGC 电路可将不同频率、不同幅度的待测信号，放大至基本相同的幅度，且高于后级滞回比较器的窗口电压，有效解决了待测信号输入电压变化大、频率范围广的问题。频率等参数的测量采用闸门时间为1s 的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生±1 个字的误差，有效提高了系统精度。 经过实测，本设计达到了赛题基本部分和发挥部分的全部指标，并在部分指标上远超赛题发挥部分要求。 关键词：FPGA 自动增益控制等精度测量法
目录 摘要 (1) 目录 (2) 1. 系统方案 (3) 1.1. 方案比较与选择 (3) 1.1.1. 宽带通道放大器 (3) 1.1.2. 正弦波整形电路 (3) 1.1.3. 主控电路 (3) 1.1.4. 参数测量方案 (4) 1.2. 方案描述 (4) 2. 电路设计 (4) 2.1. 宽带通道放大器分析 (4) 2.2. 正弦波整形电路 (5) 3. 软件设计 (6) 4. 测试方案与测试结果 (6) 4.1. 测试仪器 (6) 4.2. 测试方案及数据 (7) 4.2.1. 频率测试 (7) 4.2.2. 时间间隔测量 (7) 4.2.3. 占空比测量 (8) 4.3. 测试结论 (9) 参考文献 (9)
第一届（1994年）全国大学生电子设计竞赛题目A题简易数控直流电源 一、设计任务 设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。其原理示意图如下： 二、设计要求 1．基本要求 （1）输出电压：范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV； （2）输出电流：500mA； （3）输出电压值由数码管显示； （4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减； （5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。 2．发挥部分 （1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值； （2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）； （3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。 三、评分意见 项目得分
基本要求 方案设计与论证、理论计算与分析、电路图 30 实际完成情况 50 总结报告 20 发挥部分 完成第一项 5 完成第二项 15 完成第三项 20 B 题 多路数据采集系统 一、设计任务 设计一个八路数据采集系统，系统原理框图如下： 主控器能对50米以外的各路数据，通过串行传输线（实验中用1米线代替）进行采集的显示和显示。具体设计任务是： （1）现场模拟信号产生器。 （2）八路数据采集器。 （3）主控器。 二、设计要求 1．基本要求 （1）现场模拟信号产生器：自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz ～2kHz 范围变化，再经频率电压变换后输出相应1～5V 直流电压（200Hz 对应1V ，2kHz 对应5V ）。 （2）八路数据采集器：数据采集器第1路输入自制1～5V 直流电压，第2～7路分别输
2019 年全国大学生电子设计竞赛综合测评题 综合测评注意事项 （1）综合测评于2019 年8 月19 日8：00 正式开始，8 月19 日15 ：00 结束。 （2）本科组和高职高专组优秀参赛队共用此题。 （3）综合测评以队为单位采用全封闭方式进行，现场不能上网、不能使用手机。 （4）综合测评结束时，制作的实物及《综合测评测试记录与评分表》由全国专家组委派的专家封存， 交赛区保管。 多信号发生器 使用题目制定综合测评板上的一片LM324AD（四运放）和一片SN74LS00D（四与非门）芯片设计制作一个多路信号发生器，如下图所示。 设计报告应给出方案设计、详细电路图、参数计算和现场自测数据波形（一律手写），综合测评板 编号及 3 个参赛同学签字需在密封线内，限 2 页，与综合测评板一同上交。 u o1 u o2 多信号发生器u o3 1kΩ 19kHz-21kHz （含LM324AD 四运放，U o41kΩ 负载 1kΩ 负载 负载 +5V SN74LS00D四与非门） 1kΩ 负载 U o1————方波 U o2————占空比连续可调窄脉冲 U o3————正弦波 U o4————余弦波 一．约束条件 1. 一片SN74L.S0OD四与非门芯片（综合测评板上自带）; 2. 一片LM324AD四运算放大器芯片（综合测评板上自带）; 3. 赛区提供固定电阻、固定电容、可变电阻元件（数量不限、参数不限）; 4. 赛区提供直流电源。 二．设计任务及指标要求 利用综合测评板和若干电阻、电容元件，设计制作电路产生下列四路信号: 1. 频率为19kHz~2IkHz 连续可调的方波脉冲信号，幅度不小于 3.2V; 2. 与方波同频率的正弦波信号，输出电压失真度不大于5%，峰-峰值(Vpp)不小于1V; 3. 与方波同频率占空比5%~15%连续可调的窄脉冲信号，幅度不小于 3.2V;
2019年全国大学生电子设计竞赛综合测评题 综合测评注意事项 （1）综合测评于2019 年8 月19 日8：00 正式开始，8 月19 日15：00 结束。 （2）本科组和高职高专组优秀参赛队共用此题。 （3）综合测评以队为单位采用全封闭方式进行，现场不能上网、不能使用手机。 （4）综合测评结束时，制作的实物及《综合测评测试记录与评分表》由全国专家组委派的专家封存，交赛区保管。 多信号发生器 使用题目制定综合测评板上的一片LM324AD（四运放）和一片SN74LS00D（四与非门）芯片设计制作一个多路信号发生器，如下图所示。 设计报告应给出方案设计、详细电路图、参数计算和现场自测数据波形（一律手写），综合测评板编号及3个参赛同学签字需在密封线内，限2页，与综合测评板一同上交。 u o1
U o1————方波 U o2————占空比连续可调窄脉冲 U o3————正弦波 U o4————余弦波 一．约束条件 1.一片SN74L.S0OD四与非门芯片（综合测评板上自带）; 2. 一片LM324AD四运算放大器芯片（综合测评板上自带）; 3.赛区提供固定电阻、固定电容、可变电阻元件（数量不限、参数不限）; 4.赛区提供直流电源。 二．设计任务及指标要求 利用综合测评板和若干电阻、电容元件，设计制作电路产生下列四路信号: 1.频率为19kHz~2IkHz连续可调的方波脉冲信号，幅度不小于3.2V; 2.与方波同频率的正弦波信号，输出电压失真度不大于5%，峰-峰值(Vpp)不小于1V; 3.与方波同频率占空比5%~15%连续可调的窄脉冲信号，幅度不小于3.2V; 4.与正弦波正交的余弦波信号，相位误差不大于5°，输出电压峰-峰值(Vpp)不小于1V。 各路信号输出必须引至测评板的标注位置并均需接1kΩ负载电阻(R L),要求在引线贴上所属输出信号的标签，便于测试。 三．说明 1.综合测评应在模电或数电实验室进行，实验室提供常规仪器仪表和工具； 2. SN74LS00D和LM324AD芯片使用说明书随综合测评板并提供； 3.参赛队应在理论设计基础上进行实验调试，理论设计占一定分值，各部分分数（包括理论设计）分配为：方波占10分、正弦波占8分、窄脉冲占6分、正交的余弦波占6分； 4.不允许在测评板上增加使用IC芯片，如果增加芯片则按0分记； 5.原则上不允许在测评板上增加使用BJT、FET和二极管，如果增加则按3分/只扣分； 6.原则上不允许参赛队更换测评板，如果损坏测评板只可更换一次并扣10分；
题目名称：音频信号分析仪（A题） 华南理工大学电子与信息学院参赛队员：陈旭张洋林士明 摘要：本音频信号分析仪由32位MCU为主控制器，通过AD转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过FFT快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。该系统能够精确测量的音频信号频率范围为20Hz-10KHz，其幅度范围为5mVpp-5Vpp，分辨力分为20Hz和100Hz两档。测量功率精确度高达1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。 关键词：FFT MCU 频谱功率 Abstract: The audio signal analyzer is based on a 32-bit MCU controller, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz-10KHz, the range of 5-5Vpp mVpp, resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to 1%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution. Keyword:FFT MCU Spectrum Power
2017年全国大学生电子设计竞赛XXX控制系统（A/B/C题） 2017年8月12日
摘要 （小四、宋体，300字以内） 关键词：脉宽；脉冲；数显；电容（小四、宋体）
XXX控制系统（A/B/C题） 【本科组】 一、系统方案 本系统主要由单片机控制模块、XXX模块、XXX模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1、主控制器件的论证与选择 控制器选用 单片机比较 方案一：采用传统的51系列单片机。 XXXXXX. 方案二：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机 XXXXXX 通过比较，我们选择方案二。 控制系统方案选择 方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统 在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。
方案二：自制单片机印刷电路板 自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。? 方案三：采用单片机最小系统。 单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。 综合以上三种方案，选择方案三。 2、XXXX的论证与选择 方案一：XXX。XXXX 方案二：XXX。XXXX 方案三：XXX。XXXX 综合以上三种方案，选择方案三。 3、控制系统的论证与选择 方案一：XXX。XXXX 方案二：XXX。XXXX 综合考虑采用XXXXX。
二、系统理论分析与计算 1、XXXX的分析 （1）XXX XXXX （2）XXX XXXX （3）XXX XXXX 2、XXXX的计算 （1）XXX XXXX （2）XXX XXXX （3）XXX XXXX
题目名称：音频信号分析仪(A题) 华南理工大学电子与信息学院参赛队员：陈旭张洋林士明 摘要：本音频信号分析仪由32位MCU为主控制器，通过AD转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过FFT快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分戢以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。该系统能够精确测量的音频信号频率范I制为20Hz-10KHz,其幅度范囤为5mVpp- 5Vpp.分辨力分为20Hz和100Hz两档。测量功率精确度高达1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。 关键词：FFT MCU频谱功率 Abstract: The audio signal analyzer is basedon a 32-bit MCU controller, through the AD converter for audio signal sampling, (he continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz-lOKHz. the range of 5-5Vpp mVpp. resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to 1%, and be able to accurately measuring (he periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution. Keyword:FFT MCU Spectrum Power 1方案论证与比较3 1.1采样方法方案论证3 1.2处理器的选择方案论证3 1.3周期性判别与测虽方法方案论证3 2系统设计4 2.1总体设计4 2.2单元电路设计5 2.2.1前级阻抗匹配和放人电路设计5 2.2.2 AD转换及控制模块电路设计6 2.2.3功率谱测虽单元电路设计6 3软件设计7 4系统测试8 5结论9 參考文献：9 附录：9 附1：元器件明细农：9 附2：仪器设备淸单9 附3：电路图图纸10 附4：程序清单11 1方案论证与比较 1.1采样方法比较与选择 方案一、用DDS芯片配合FIFO对信号进行采集，通过DDS集成芯片产生一个频率稳左度和精度相当高的信号作为FIFO的时钟，然后由FIFO对A/D转换的结果进行采集和存储，最后送MCU处理。 方案二、直接由32位MCU的泄时中断进行信号的采集，然后对信号分析。
2015年全国大学生电子设计竞赛题目 【本科组】 双向DC-DC变换器（A题） 风力摆控制系统(B题） 多旋翼自主飞行器（C题） 增益可控射频放大器（D题） 80MHz-100MHz频谱分析仪（E题） 数字频率计（F题） 短距视频信号无线通信网络（G题） 第一届（1994年） 第一届（1994年）全国大学生电子设计竞赛 A.简易数控直流电源 B.多路数据采集系统 第二届（1995年） 第二届（1995年）全国大学生电子设计竞赛 A.实用低频功率放大器 B.实用信号源的设计和制作 C.简易无线电遥控系统 D.简易电阻、电容和电感测试仪 第三届（1997年） 第三届（1997年）全国大学生电子设计竞赛 A.直流稳定电源 B.简易数字频率计 C.水温控制系统 D.调幅广播收音机 第四届（1999年） 第四届（1999年）全国大学生电子设计竞赛 A.测量放大器 B.数字式工频有效值多用表 C.频率特性测试仪 D.短波调频接收机 E.数字化语音存储与回放系统 第五届（2001年） 第五届（2001年）全国大学生电子设计竞赛 A.波形发生器 B.简易数字存储示波器 C.自动往返电动小汽车 D.高效率音频功率放大器 E.数据采集与传输系统 F.调频收音机 第六届（2003年） 第六届（2003年）全国大学生电子设计竞赛 A.电压控制LC振荡器 B.宽带放大器
C.低频数字式相位测量仪 D.简易逻辑分析仪 E.简易智能电动车 F.液体点滴速度监控装置 第七届（2005年） 第七届（2005年）全国大学生电子设计竞赛 A.正弦信号发生器 B.集成运放测试仪 C.简易频谱分析仪 D.单工无线呼叫系统 E.悬挂运动控制系统 F.数控恒流源 G.三相正弦波变频电源 第八届（2007年） 第八届（2007年）全国大学生电子设计竞赛 A.音频信号分析仪 B.无线识别 C.数字示波器 D.程控滤波器 E.开关稳压电源 F.电动车跷跷板 G.积分式直流数字电压表 H.信号发生器 I.可控放大器 J.电动车跷跷板 第九届（2009年） 第九届（2009年）全国大学生电子设计竞赛 A.光伏并网发电模拟装置 B.声音导引系统 C.宽带直流放大器 D.无线环境监测模拟装置 E.电能收集充电器 F.数字幅频均衡功率放大器 G.低频功率放大器 点阵书写显示屏 I.模拟路灯控制系统 第十届（2011年） A.开关电源模块并联供电系统 B.基于自由摆的平板控制系统 C.智能小车 D. LC 谐振放大器 E.简易数字信号传输性能分析仪 F.帆板控制系统 G.简易自动电阻测试仪
2013 年 全 国 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 摘要 ： 通过对该测控系统结构和特点的分析， 结合现代控制技术设计理念实现了以微控制 器 MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。通过采集的角度值与平衡位 置进行比较，使用 PD 算法，从而达到控制电机的目的。其工作过程为：角位移传感器 WDS35D 通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过 A/D 采样后反馈给主控制器。控制器 根据角度传感器反馈信号进行 PID 数据处理，从而对电机的转动做出调整，进行可靠的 闭环控制，使用按键调节 P 、D 的值，同时由显示模块显示当前的 P 、D 值。 关键字 ： 倒立摆、直流电机、 MC9S12XS12单8 片机 、角位移传感器 WDS35、D PD 算法 目录 一、设计任务与要求 (3) 1 设计任务 (3) 2 设计要求 (3) 二 系统方案 (4) 1 系统结构 (4) 2 方案比较与选择 (4) （ 1） 角度传感器方案比较与选择 (4) （ 2） 驱动器方案比较与选择 (5) 三 理论分析与计算 (5) 简易旋转倒立摆及控制装置 （ C 题）
1 电机的选型 (5) 2 摆杆状态检测 (5) 3驱动与控制算法 (5) 四电路与程序设计 (6) 1 电路设计 (6) （ 1）最小系统模块电路 (6) （2）5110显示模块电路设计 . (6) （ 3）电机驱动模块电路设计 (6) （4）角位移传感器模块电路设计 (6) （ 5）电源稳压模块设计 (7) 2 程序结构与设计 (8) 五系统测试与误差分析 (8) 测试方案 (8) 测试使用仪器 (8) 测试结果与误差分析 (9) 6 结论 (10) 参考文献 (10) 附录 1 程序清单（部分） (11) 附录 2 主板电路图 (13) 附录 3 主要元器件清单 (13) 、设计任务与要求