简易倒立摆装置.docx

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简易倒立摆装置

题目1双相信号发生器

一、任务

设计、制作一个双相信号发生器，在特定的频率范围内输出正弦波，信号的幅度和相位差可以程控设置，也可以输出矩形波和方波。

数字逻辑系统推荐使用basis开发板（可到212实验室借），外围电路自行设计，信号发生器的工作电源可外置。

二、要求

1．基本要求

（1）两路信号均可输出正弦波、方波、矩形波；

（2）两路信号输出最大幅度不低于3V，幅度可调，设置分辨率不低于10bit；

（3）信号频率范围从1kHz到10kHz可调，步进值不大于100Hz，频率准确度不低于0.1%；

（4）正弦波信号在整个频率设置范围内，波形失真度不大于2%；

（5）两路信号的相位差可以在0—359度内可调，设置分辨力不大于1度；

（6）矩形波占空比在0.1%—99.9%范围内可调，设置分辨率不低于0.1%；

2．发挥部分

（1）信号可调频率范围扩展到1MHz；

（2）两路均可产生FSK调制波，内调制信号的频率不大于10Hz，上边频为12kHz，下边频8kHz；

（3）两路均可产生ASK调制波，内调制信号的频率不大于10Hz，载波频率为10kHz，调制率为100%；

题目2手持数字示波器

一、任务

设计并制作一台手持数字示波器。

示意图如下：

二、要求

1．基本要求

（1）示波器为电池供电，便于携带。

（2）示波器的屏幕能显示输入信号的曲线及相关的参数。

键盘能进行相关参数的调节。

屏幕的水平刻度为10Div，垂直刻度为8Div。

（3）触发方式：

自动。

触发边沿：

上升。

（4）信号电压范围：

+/-50V。

最高实时取样率：

1M点/秒，精度8Bit。

（5）模拟频带宽度：

0~1MHz。

（6）输入阻抗：

1MΩ。

耦合方式：

DC/AC，

2．发挥部分

（1）示波器显示的曲线可以进行水平、垂直的移动。

（2）垂直灵敏度：

100mV/Div~5V/Div（按1-2-5方式递进）。

（3）水平时基范围：

5μs/Div-50mS/Div（按1-2-5方式递进）。

（4）增加最高实时采样率为10M点/秒，精度8Bit。

（4）增加示波器与PC机的接口，可以把采集的数据上传到PC机，并显示。

题目3简易倒立摆装置

一、任务

设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。

旋转倒立摆的结构如图1所示。

电机固定在底座上，通过转轴、联轴器驱动摆臂在竖直平面上旋转。

摆臂顶端利用一自由转轴连接摆杆，自由轴与电机轴平行。

摆臂在电机驱动下可做左右往复旋转运动，带动摆杆在竖直平面上作自由旋转。

摆臂竖直向上时为0°位，竖直向下为180°位。

二、要求

1．基本要求

（1）摆臂处于0°位左右一定分为往复运动，摆杆从处于自然下垂状态（摆角0°）开始，绕自由轴摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~+60°；

（2）摆臂处于0°位，从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；

（3）摆臂处于0°位，在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近倒立状态，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s。

2．发挥部分

（1）摆臂处于0°位，从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s；

（2）摆臂处于0°位，在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态；

（3）摆臂处于180°位，在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态；

（4）其他。

三、说明

1．旋转倒立摆机械部分可以自制，也可以购买，自制结构建议：

结构整体不宜过大；摆杆不宜过长，且质量尽可能轻，但应能够避免空气流动的影响；摆臂长度适中，当须具备足够强度；联轴器建议采用法兰联轴器，避免联轴器和摆臂、摆杆发生相对转动。

2．摆杆要能够在垂直平面灵活旋转，检验方法如下：

将摆杆拉起至水平位置后松开，摆杆至少能够自由摆动3个来回。

3．除电动机A之外，装置中不得有其他动力部件。

4．摆杆倒立时施加干扰的方法是，以15cm长细绳栓一只5克砝码，在摆杆上方将砝码拉起15°~45°，释放后用砝码沿摆杆摆动的切线方向撞击摆杆上端1~2cm处；以抗扰动能力强弱判定成绩。

5．摆杆角度位置的检测可采用旋转编码器、电阻式（电位器式）角度传感器或在摆杆上安装陀螺仪等方案。

题目4风力小球位置控制系统

一、任务

设计制作一套利用风力控制小球位置的装置，机械部分结构如图所示。

图中小球安放在一个1m长的导轨上，两端各安装一个相对出风的风机。

利用控制器检测小球的位置，并根据设定位置与实际位置的偏差控制风机运行，吹动小球向目标位置运动。

二、要求

1．基本要求

（1）人工将小球任意放置在导轨上，利用显示器显示小球当前位置，给出坐标数据，基准0点位于距左端15cm处。

（2）小球放置在左端起始区，启动左侧风机吹动小球运动，直至进入并停在右端起始区，，稳定停止3s后启动右侧风机吹动小球返回并停在左端起始区。

2．发挥部分

（1）小球放置在左端起始区，启动风机吹动小球在轨道上以最快速度作往复运动，即从左端起始区运动至右端起始区，不做停留立即返回左端起始区，并不断重复。

期间小球不得碰撞两端边界（风机）

（2）小球放置在左端起始区，启动风机吹动小球运动至轨道中央，标尺35cm处，并稳定停止3s以上。

（3）人工将小球任意放置在导轨上，人工设置小球目标位置，启动风机控制小球运动至指定位置，并稳定停止3s以上。

（4）人为垫高轨道右端约3cm，使轨道出现约1°~2°的倾斜，完成上述发挥部分要求

（2）。

三、说明

1．小球建议使用乒乓球，轨道可使用任意材质，建议采用内径合适的PVC管材纵向剖开。

2．轨道上应标明起始区和中部的标尺，所有任务的完成精度以轨道上的标记为准，小球在轨道中的位置须便于观察。

3．小球进入起始区以球中心点通过起始区边界为准，停留在某一点时目标点处于小球边界内即可。

4．小球位置检测建议采用摄像头实现，轨道及其背景颜色可自由设置，小球可染成任意方便的颜色。

5．两端风机建议采用涵道风机，其功率、出风量应与小球质量、尺寸匹配。

企业题：

题目5简易NPN型BJT特性图示仪

一、任务

设计制作一台简易BJT特性图示仪，结构参照图示。

仪器利用单片机控制BJT基极电流和集电极-发射极电压，检测集电极或发射极电流和基极-发射极电压，并利用液晶屏显示BJT的输出特性和输入特性。

二、要求

1．基本要求

（1）输出一定BJT基极电流，检测基极-发射极电压，并显示电压值，误差小于1mV；

（2）输出一定BJT基极电流和集电极-发射极电压，检测集电极或发射极电流，并计算两电流之比，并显示BJT的电流放大倍数β。

2．发挥部分

（1）在一定范围内循环输出连续的BJT基极电流，检测基极-发射极电压，绘制BJT的输入特性曲线。

（2）在一定范围内循环输出BJT基极阶梯电流和连续的集电极-发射极电压，绘制BJT输出特性曲线，每个基极电流阶梯值对应一条曲线，BJT基极电流阶梯不少于5级。

（3）自动判断BJT是否接入，并给出提示信息。

（4）同时完成上述发挥部分三项要求，在一个屏幕内显示两条特性曲线。

三、说明

1．作品忽略集电极电流与发射极电流的差异，认为两者近似相等，因此，两电流任测其一即可。

2．作品至少应能够测试三种型号的NPN型BJT管，并根据不同特性的器件自动调整基极电流等参数，具体被测元件有学生自备，特性差异大者加分。

3．特性测试过程用时，即从接入被测元件至完成曲线绘制时间，不得超过1分钟。

4．作品方案建议利用单片机利用DAC控制基极电流和集电极-发射极电压，针对不同特性的被测元件选择不同的激励信号大小。

同时利用ADC检测基极-发射极电压、集电极-发射极电压、基极电流和集电极或发射极电流。

题目6开关稳压（恒流）电源

一、任务

设计并制作如图所示的开关稳压电源。

电源框图

二、要求

在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：

1．基本要求1（所有参赛者）

（1）输出电压UO可调范围：

2V～10V；

（2）最大输出电流IOmax：

2A；

（3）UIN从15V变到24V时，电压调整率SU≤5%（UO=5V，IO=2A）；

（4）IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（UIN=20V，UO=5V）；

（5）输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤500mV（UIN=20V，UO=5V，IO=2A）；

（6）DC-DC变换器的效率η≥80%（UIN=24V，UO=10V，IO=2A）；

（7）具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A；

2．基本要求2（三年级及以上参赛者）

（1）具有恒流输出功能，电流输出可调范围：

200mA~2A。

（2）恒流输出时电压变化范围2~10V（可以低于2V，不得超过10V，即最高10V恒压输出）；

3．发挥部分

（1）进一步提高电压调整率，使SU≤1%（UO=5V，IO=2A）；

（2）进一步提高负载调整率，使SI≤1%（UIN=20V，UO=5V）；

（3）进一步提高效率，使η≥95%（UIN=24V，UO=10V，IO=2A）；

（4）排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；

（5）能对输出电压或电流进行键盘设定和步进调整，步进值0.1V或0.1A，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。

（6）其他。

三、说明

1．DC-DC变换器不允许使用成品模块（辅助电源可以使用），但可使用开关电源控制芯片。

2．UIN可通过调节电源箱输出来调整。

DC-DC变换器（含控制电路）只能由UIN端口供电，不得另加辅助电源。

3．本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于20MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）测量UOPP。

4．本题中电压调整率SU指UIN在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；负载调整率SI指IO在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；DC-DC变换器效率=PO/PIN，其中PO＝UOIO，PIN＝UINIIN。

5．恒流输出测试时，提供导通电压约为3V、6V和9V的LED灯板，要求在测试过程中LED灯板没有明显闪烁。

6．电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）。

7．制作时应考虑方便测试，合理设置测试点（参考图1）。

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。

题目7无线测温模块（企业题）

一、任务

设计、制作一个无线测温模块，应用于电力220VAC母线附近温度测量。

二、要求

1．基本要求

（1）整个模块无源，实现自取电，能够满足自身功耗，且能输出5V，50mA；

（2）测温范围：

-25℃~+120℃；

（3）测温精度：

±1℃；

（4）数据刷新速率：

10次/min；

（5）增加模块状态指示，表征模块正常工作；

（6）WIFI接口与PC通信，实现超限报警；

（7）根据当前温升趋势，进行预测未来超限报警时间；

（8）具备过压保护。

2．发挥部分

（1）扩展CAN通信接口；

（2）具备远程唤醒和休眠控制功能；

（3）具备浪涌抑制功能。

题目8简易电子秤（企业题）

一、任务

设计并制作一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤，电子秤的结构如右图所示。

如右图所示，铁质悬臂梁固定在支架上，支架高度不大于40cm，支架及秤盘的形状与材质不限。

悬臂梁上粘贴电阻应变片作为称重传感器。

二、要求

1．基本要求

（1）电子秤可以数字显示被称物体的重量，单位g；

（2）电子秤称重范围5.00g~500g；重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g。

（3）电子秤可以设置单价（元/克），可计算物品金额并实现金额累加；

（4）电子秤具有去皮功能，去皮范围不超过100g；

2．发挥部分

（1）RS232通信接口；

（2）产品校准。