F题-液体点滴速度监控装置电子设计竞赛试题

图１图４一．初步方案的论证首先，本小组认为这个系统的实现有其现实价值。

这一系统可以给医院的护士在管理病人点滴方面带来多种方便。

因而，系统中许多部分的设计应尽量体现方便、简单、实用。

整个装置可以简单分为电路控制部分和机械传动部分。

１．电路控制部分以单片机为主体。

由于整个系统对频率、资源方面没有很高要求，大众型的Ｃ５１系列芯片已经可以满足。

电路逻辑部分也比较简单，单片机可以帮助完成，无需ＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ等高端产品。

作为主要的电路部分，对液滴的计数问题可以有二种方案。

一种是簧片振动，另一种是红外对管脉冲。

此次设计采用了第二种方案。

因为这种方案电路对只计脉冲数而言实现是非常简单的，而且受外界的干扰也比较小。

为了方便护士的管理，主从机的交互也是必不可少的功能。

此装置采用串行技术通讯，用普通电话线就可相连（使用ＭＡＸ４８３通信距离可达几百米）。

２．机械传动部分用ｋｐ６ｐ８－７０１步进电机作传动，对输液软管进行卡掐和放松来控制它的速度。

而步进电机又可以通过功率放大器而被单片机信号所控制。

二．部分电路的设计方案１．　红外对管对滴落液滴的信号响应红外对管夹在滴管两边（图　１），一个发射管发出的红外光被一头的接收管所接收。

一旦光路上有水滴通过，由于水对红外光的反射与折射，使得接收管的接收信号变弱，形成一个小脉冲。

为了验证以上的理论分析，专门用示波器记录了多次这样的脉冲，如图　２所示。

多次测量稳定，虽有一些Ｖｂａｓ上下的波动，但是脉冲还是比较明显，通过设定一个参考电平Ｖｒｅｆ，可以用运放来产生一个ＴＴＬ电平的脉冲。

经多次分析，有以下不稳定因素：（１）外界对红外对管的干扰 附近辐射源对信号干扰极大。

为此，采取黑色覆盖物包裹在对管周围，既可以很好地吸收水滴反射和折射的红外光，而且能尽量减小干扰。

（２）Ｖｒｅｆ的选取 考虑Ｖｒｅｆ的选取应该略大于Ｖｂａｓ，这样可以减小波动对输出脉冲信号的影响。

但不能太高，不然无法精确测量出脉冲来。

2003年全国大学生电子设计竞赛试题参赛注意事项（1）2003年9月15日8:00竞赛正式开始，每支参赛队限定在提供的A 、B 、C 、D 、E 、F 题中任选一题；认真填写《登记表》各栏目内容，填写好的《登记表》由赛场巡视员暂时保存。

（2）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。

（3）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。

（4）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。

（5）2003年9月18日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。

液体点滴速度监控装置（F 题）一、任务设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置，示意图如右图所示。

二、要求1、基本要求（1）在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。

（2）通过改变h 2控制点滴速度，如右图所示；也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。

点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20~150(滴/分)，控制误差范围为设定值±10%±1滴。

（3）调整时间≤3分钟（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。

（4）当h 1降到警戒值（2~3cm ）时，能发出报警信号。

2、发挥部分设计并制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统。

16个从站中，只有一个从站是按基本要求制作 的一套点滴速度监控装置，其它从站为模拟从站 (仅要求制作一个模拟从站)。

（1）主站功能：a ．具有定点和巡回检测两种方式。

b ．可显示从站传输过来的从站号和点滴速度。

c ．在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴速度。

d ．收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。

1 水位监测与控制装置1.1任务设计并制作一个水位监测与控制装置，示意图如下图所示。

图1 水位监测与控制装置框图1.2 要求1. 基本要求（1）通过键盘可以设定B瓶里的液位（0-25cm内的任意值），并通过控制电磁阀（或类似于电磁阀的装置）使B瓶的液位达到设定值。

（2）液位误差不超过±0.3cm。

（3）液位超过25cm或液位低于2cm时发出警报。

（4）显示器能实时显示当前液位状态和瓶内液体重量，以及阀门状态。

2. 发挥部分设计并制作一个由主站控制8个从站的有线监控系统。

8个从站中，只有一个从站是按基本要求制作的一套液位监控装置，其它从站为模拟从站 (仅要求制作一个模拟从站)。

（1）全国大学生电子设计竞赛主站功能①具有所有基本要求里的功能。

②可显示从站传输过来的从站号和液位讯息，可控制从站液位。

③在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的液位讯息。

④收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号；可自动调整从站液位为20cm。

（2）全国大学生电子设计竞赛从站功能①能输出从站号、液位讯息和报警信号；从站号可以任意设定。

②接收主站设定的液位控制信息并显示。

③对异常情况进行报警和自动调整。

（3）主站和从站间的通信方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的数量。

（4）其它。

1.3 说明（1）电磁阀类型不限或采用类似装置替代，其安装位置及安装方式自定。

（2）储液和受液瓶可用2.25升可乐瓶（透明容器、容器中为无色透明液体）。

（3）测试时，仅提供医用移动式点滴支架，其高度约1.8m，也可自带支架；测试所需其它设备自备。

2 角度传感器简单应用系统2.1 任务设计制作一个角度传感器应用系统，该系统能倾斜显示角度值，控制倾斜角度，保持水平等功能，系统如图1。

图1角度传感器应用系统框图2.2 要求1.基本要求（1）具有时时显示角度值的功能（精度千分之一）；（2）用键盘输入角度，通过控制部分（如电机）按输入角度完成倾斜动作。

6.2 电子竞赛作品设计制作步骤与一般的电子产品设计制作不同的是，电子设计竞赛作品设计制作一方面需要遵守电子产品设计制作的一般规律，另一方面要在限定时间、限定人数、限制设计制作条件、限制交流等情况下完成作品的设计制作，电子竞赛作品设计制作有自己的规律。

电子竞赛作品设计制作大约需经过题目选择、系统方案论证、子系统、部件设计与制作、系统综合、调试与测量等步骤，最后完成作品和设计总结报告。

6.2.1 题目选择全国大学生电子设计竞赛作品设计制作时间是4天3晚，3人一组。

竞赛题目一般为5～6题，题目在竞赛开始时〔第1天的8.00〕开启。

以2003年第6届为例共有6题：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〕。

正确地选择竞赛题目是保证竞赛成功的关键。

参赛队员应仔细阅读所有的竞赛题目，根据自己组3个队员的训练情况，选择相应的题目进行参赛制作。

选择题目按照如下原则进行：（1）明确设计任务，即“做什么？”。

选择题目应注意题目中不应该有知识盲点，即要能够看懂题目要求。

如果不能看懂题目要求，原则上该题目是不可选择的。

因为时间是非常紧张的，没有更多的时间让你去重新学习，另外根据竞赛纪律，也不可以去请教老师。

（2）明确系统功能和指标，即“做到什么程度？”。

注意题目中的设计要求一般分基本要求和发挥部分两部分，各占50分。

应注意的是基本部分的各项分值题目中是没有给出的，但在发挥部分往往会给出的各小项的分值。

选择时要仔细分析各项要求，综合两方面的要求，以取得较好的成绩。

（3）要确定是否具有完成该设计的元器件、最小系统、开发工具、测量仪器仪表等条件。

在没有对竞赛题目进行充分地分析之前，一定不能够进行设计。

题目一旦选定，原则上是应保证不要中途更改。

因为竞赛时间只有4天3晚，时间上不允许返工重来。

6.2.2 系统方案论证题目选定后，需要考虑的问题是如何实现题目的各项要求，完成作品的制作，即需要进行方案论证。

F6设计题目：液体点滴速度监控装置参赛学校：山东农业大学参赛学生：王涛李晓军于伯建2003年全国大学生电子设计大赛说明书2003年9月17日设计题目：液体点滴速度监控装置一、摘要本系统采用分布式微机控制系统，通过调整输液瓶的高度来精确控制最多可达16个输液器的点滴速度。

系统采用主从式结构，都采用89s52作为CPU。

从机通过光敏元件测定点滴速度，并通过步进电机调整输液瓶高度，构成了一个闭环控制系统。

可通过键盘设定所需点滴速度，设定范围可达20~150滴/分，调整误差≤ 5%，调整时间≤2分钟。

并可动态显示实时点滴速度。

当液面下降到2～3cm的警戒值时，可进行声光报警。

主从站之间通过RS-485总线构成串行通讯网络。

主站可对16个从站进行定点或巡回监测，查询各从站的实时状态，并可显示其从站号和点滴速度，并可远程设定各从站的点滴速度，当收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号，并可手动方式解除报警。

该系统布局合理，运行平稳，控制精度较高，完全达到了题目基本部分的要求，并基本实现了发挥部分要求。

二、系统方案确定1、总方案：分析题目要求，系统为一个主从式测控系统。

由通讯网络把主站和多个从站连成一个系统。

通讯网络可采用RS-232或RS-485等接口组成。

测控从站的功能可有多种方案实现，但一般都都由控制单元、执行机构和检测单元三部分组成。

下面具体论述分析一下各个部分的方案确定。

2、通讯方案的确定通讯网络可选用RS-232或RS-485。

RS-232系统的通讯距离一般小于15米，而RS-485的通讯距离可达1000多米。

考虑到本系统模拟的医院病房的实际情况，15米不能满足要求，故采用了RS-485系统3、执行机构方案的确定小型执行机构的驱动元件一般选择直流电机或步进电机。

其中直流电机使用方便，价格便宜，但运动精度较低，难以实现精确的位置控制。

如用直流电机调整输液瓶的高度，将难以控制其精确位置，系统稳定性较差，较难达到题目的要求。

2003年（第六届）
A题：电压控制LC振荡器
B题：宽带放大器
C题：低频数字式相位测量仪
D题：简易逻辑分析仪
E题：简易智能电动车
F题：液体点滴速度监控装置2005年（第七届）
A题正弦信号发生器
B题集成运放参数测试仪
C题简易频谱分析仪
D题单工无线呼叫系统
E题悬挂运动控制系统
F题数控直流电流源
G题三相正弦波变频电源2007年
A题音频信号分析仪
B题无线识别装置
C题数字存储示波器
D题程控滤波器
E题开关稳压电源
F题电动车跷跷板设计
G题积分型直流数字电压表
H题信号发生器
I题可控放大器
J题电动车跷跷板
2009年
A题--光伏并网发电模拟装置
B题--声音导引系统
C题--宽带直流放大器
D题--无线环境监测模拟装置
E电能收集充电器收集充电器
F题--数字幅频均衡的功率放大器
G题--低频功率放大器
H题--LED点阵书写显示屏
I题--模拟路灯控制系统
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
H-波形采集、存储与回放系统。

历届国赛出现过的赛题（1994~2011）控制类赛题（12题）：水温控制系统（1997年C题）自动往返电动小汽车（2001年C题）简易智能电动车（2003年E题）液体点滴速度监控装置（2003年F题）悬挂运动控制系统（2005年E题）电动车跷跷板（2007年F题本科组）电动车跷跷板（2007年J题高职高专组）声音引导系统（2009年B题）模拟路灯控制系统（2009年I题高职高专组）基于自由摆的平板控制系统（2011年B题）智能小车（2011年C题）帆板控制系统（2011年F 题）仪器仪表类赛题（14题）：简易电阻、电容和电感测试仪（1995年D题）简易数字频率计（1997年B题）数字式工频有效值多用表（1999年B题）频率特性测试仪（1999年C题）简易数字存储示波器（2001年B题）低频数字式相位测量仪（2003年C题）简易逻辑分析仪（2003年D题）集成运放参数测试仪（2005年B题）简易频谱分析仪（2005年C题）音频信号分析仪（2007年A题本科组）数字示波器（2007年C题本科组）积分式直流数字电压表（2007年G题高职高专组）简易数字信号传输性能分析仪（2011年E题）简易自动电阻测试仪（2011年G 题）信号源类赛题（5题）：实用信号源的设计和制作（1995年B题）波形发生器（2001年A题）电压控制LC振荡器（2003年A题）正弦信号发生器（2005年第七届A题）信号发生器（2007年H题高职高专组）电源类赛题（8题）：简易数控直流电源（1994年A题）直流稳压电源（1997年A题）数控直流电流源（2005年F题）三相正弦波变频电源（2005年G题）开关稳压电源（2007年本科组E题）光伏并网发电模拟装置（2009年A题）电能搜集充电器（2009年E题）开关电源模块并联供电系统（2011年A题）高频无线电类赛题（7题）：简易无线电遥控系统（1995年C题）调幅广播收音机（1997年D题）短波调频接收机（1999年D题）调频收音机（2001年F题）单工无线呼叫系统（2005年D题）无线识别装置（2007年B题本科组）无线环境监测模拟装置（2009年D题）放大器类赛题（10题）：实用低频功率放大器（1995年A题）测量放大器（1999年A题）高效率音频功率放大器（2001年D题）宽带放大器（2003年B题）程控滤波器（2007年D题本科组）可控放大器（2007年I题高职高专组）数字幅频均衡的功率放大器（2009年F题）低频功率放大器（2009年G题高职高专组）宽带直流放大器（2009年C题）LC 谐振放大器（2011年D 题）数据采集与处理类赛题（5题）：多路数据采集系统（1994年B题）数字化语音存储与回放系统（1999年E题）数据采集与传输系统（2001年E题）LED点阵书写显示屏（2009年H题高职高专组）波形采集、存储与回放系统(2011年H题)。

全国大学生电子设计竞赛题目分析全国大学生电子设计竞赛题目类型简介由国家教委高教司倡导并组织的全国大学生电子设计竞赛从1994年的首届试点到2003年已经成功地举办了6届。

从6届电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成7类，即：（1）电源类：简易数控直流电源（第一届），直流稳压电源（第三届）；（2）信号源类：实用信号源的设计和制作（第二届），波形发生器（第五届），电压控制LC振荡器（A题）（第六届）；（3）高频无线电类：简易无线电遥控系统（第二届），调幅广播收音机（第三届），短波调频接收机（第四届），调频收音机（第五届）；（4）放大器类：实用低频功率放大器（第二届），高效率音频功率放大器（第五届），宽带放大器（B题）（第六届）；（5）仪器仪表类：简易电阻、电容和电感测试仪（第二届），简易数字频率计（第三届），频率特性测试仪（第四届），数字式工频有效值多用表（第四届），简易数字存储示波器（第五届），低频数字式相位测量仪（C题）（第六届），简易逻辑分析仪（D题）（第六届）；（6）数据采集与处理类：多路数据采集系统（第一届），数字化语音存储与回放系统（第四届），数据采集与传输系统（第五届）。

（7）控制类：水温控制系统（第三届），自动往返电动小汽车（第五届）；简易智能电动车（E题）（第六届）；液体点滴速度监控装置（F题）（第六届）。

从以上试题可见，试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。

涉及到的电子信息类专业的课程有：低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器件、EDA设计等；实践性教学环节有：电子线路实验课、微机原理实验课、课程设计、生产实习等；可选用的器件有：晶体管、集成电路、大规模集成电路、单片机、可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具，如VHDL语言、Xilinx Foundation Series EDA工具、单片机编程器等。

不难看出，电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引导高校在教学改革中应注重培养学生的工程实践能力和创新设计能力。

全国大学生电子设计竞赛试题题目1 多路数据采集系统一、设计任务主控器能对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至2kHz范围变化，再经频率电压娈换电路后输出相应1V至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一路输入自制1V至5V直流电压，第2至7路分别输入来自直流源的5，4，3，2，1，0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度），第八路备用。

将各路模拟信号分别转换成八位二进制数字信号，再经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。

③主控器主控器通过串行传输线路对各路数据进行采集和显示。

采集方式包括循环采集（即1路、2路、…、8路、1路…）和选择采集（任选一路）二种方式。

显示部分能同时显示地址和相应的数据。

2．发挥部分①利用电路补偿或其它方法提高可变电阻值变化与输出直流电压变化的线性关系；②尽可能减少传输线数目；③其它功能的改进（例如：增加传输距离，改善显示功能等）题目2 简易无线电遥控系统一、任务设计并制作无线电遥控发射机和接收机2．无线电接收机电路如图二、要求1．基本要求①工作频率：6至10MHz中任选取一种频率。

②调制方式：AM、FM或FSK任选一种。

③输出功率：不大于20MW（在标准75Ω假负载上）。

④遥控对象：8个，被控设备用LED分别代替，LED发光表示工作。

⑤接收机距离发射机不小于10m。

2．发挥部分① 8路设备中的一路设备为电灯，用指令遥控电灯亮度，亮度分为8级，并用数码管显示级数。

②在一定发射功率下，（不大于20MW），尽量增大接收距离。

③增加信道的抗干扰措施。

④尽量降低电源功耗。

注：不能采用现成的收、发信号整机。

题目3 数字化语音存储与回放系统二、任务设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，电路的示意图如图所。

电子创新设计题题目1：简易数控直流电源设计任务：设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。

设计要求：（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。

题目2：水温控制系统设计任务：设计并制作一个水温自动控制系统，水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。

设计要求：1．基本要求（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。

（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用十进制数码管显示水的实际温度。

、题目3：液体点滴速度监控装置设计任务：设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置。

设计要求：（1）在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。

（2）通过改变h2控制点滴速度，如右图所示；也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。

点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20~150(滴/分)，控制误差范围为设定值10% 1滴。

（3）调整时间≤3分钟（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。

（4）当h1降到警戒值（2~3cm）时，能发出报警信号。

题目4：无线数据传输系统设计（温度遥测）设计任务：设计并制作无线数据发送和接收电路，如图所示。

借助无线，红外线的传输方式获得远方温度信息。

数据信号经无线电或红外线形式发送出去；接收器，接收到信号后，解调出原始信号并存储和显示温度值。

信号调制形式不限。

设计要求：1. 测温范围10℃～45℃，误差<0.5℃；2 .显示位数3位，分辨率0.1℃；3. 测温点到接收点距离>8米；4.可设置温度上限报警；5.接收点显示测温点数据及声光上限报警信号；题目5：数字电压表设计设计任务：设计一个数字电压表设计要求：1．分辨率为3位半（即最大显示读数为±19.99V）；2．要求量程能自动转换，即根据测量结果，自动决定小数点位置；3．能通过键盘或开关选择测量电压的平均值和峰值，并用LED显示测量的种类；4．测量误差不大于1mv。