福建师范大学协和学院电子方案赛题参考.docx

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福建师范大学协和学院电子方案赛题参考

福建师范大学协和学院2018年电子设计竞赛赛题

第一题  智能救援车

一、任务

设计制作一个智能小车，该小车能按照要求自动运行，通过一个建筑物中曲折的道路，并完成规定的动作。

设矩形建筑物有两个门A、B，门宽24厘M，建筑物的墙壁是10厘M高<或与小车高度相同）、2厘M厚的矮墙，建筑物内无引导轨迹<见图示）。

二、要求

1．基本要求

<1）要求智能小车从A门进入并开始自动计时，从B门出来，在行进过程中，能自动选择适当的路径，避开墙壁，找到通路，三分钟之内到达B门；

<2）到达B门，停5秒，小车自动计时并数字显示AB段所用的时间，并声光报警；

2．发挥部分：

<1）自B门外，循弧形引导轨迹BC前进<引导轨迹为2厘M宽）；

<2）途中检测到铁片D<铁片D放置在轨迹BC前二分之一段上的任意位置）时停车3秒，并声光报警；

<3）要求小车拾起铁片D，继续沿引导轨迹前进；

<4）到达C点；

<5）在C点处，放下铁片D并停止前进。

声光显示救援结束，并停止计时，分别显示BD、DC段所用的时间。

铁片为直径2厘M的圆形薄片。

第二题波形发生器

设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波。

二、要求

1．基本要求　　<1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。

　　<2）用键盘输入编辑生成上述三种波形。

　　<3）输出波形的频率范围为100Hz～100KHz；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。

　　<4）输出波形幅度范围0～5V<峰-峰值），可按步进0.1V<峰-峰值）调整。

　　<5）具有显示输出波形的类型、重复频率<周期）和幅度的功能。

2．发挥部分　　<1）输出波形频率范围扩展至100Hz～1MHz。

　　<2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。

　　<3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±3%<负载电阻变化范围：

100Ω～∞）。

　　<4）具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。

　　<5）其它<如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展>200kHz、扫频输出等功能）。

三、评分标准

项目

满分

基本要求

设计与总结报告：

方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。

50

实际制作完成情况

50

发挥部分

完成第<1）项

22

完成第<2）项

13

完成第<3）项

5

完成第<4）项

5

完成第<5）项

5

第三题简易综合测试仪

一、任务

设计并制作一个简易综合测试仪，包括电平（电压>表、电平振荡器等部分，示意图如下：

二、要求

1、基本要求

<1）电平<电压）表

a．被测信号频率范围：

20Hz～100kHz。

b．电平测量显示范围：

-57.8dB～+20.0dB<可分多量程）。

c．电平测量误差：

±0.3dB。

d．电压测量显示范围：

.001V～9.99V<可分多量程）。

e．电压测量误差：

±（3%读数+2个字>

f．输入阻抗：

分600

、高阻（≥5M

>两档（可不测试，在电路设计中予以保证>。

g．具有自动零点调节功能和自动量程转换功能。

<2）电平振荡器

a．输出频率范围：

20Hz～100kHz。

频率步进值可预置，视不同的频率范围步进值可分别预置为10Hz，100Hz，1kHz，10kHz。

b．输出频率误差：

±0.1%。

c．输出电平范围：

-30dB～+20dB，步进值为10dB<共六种输出电平）。

d．输出电平误差：

±0.3dB。

e．输出阻抗：

600

。

f．输出信号波形无明显失真。

<3）自制稳压电源。

<4）整机消耗功率≤8W。

2．发挥部分

<1）将电平<电压）表被测信号的频率范围扩展至1MHz，电平振荡器输出的频率范围也扩展至1MHz，其它要求不变。

<2）具有幅频特性测试功能，能在预置的频率范围内自动步进测量，要求逐点显示频率值和对应的电压值，扫描速度≥10点/分钟，频率步进值可预置。

<3）具有存储回放功能，扫描结束后能调出各个测量频率点的信号电压值，存储点不低于20个。

<4）其它。

三、评分标准

项目

满分

基本要求

设计与总结报告：

方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。

50

实际制作完成情况

50

发挥部分

完成第<1）项

22

完成第<2）项

13

完成第<3）项

5

完成第<4）项

10

四、说明

1、电平是以基准量0.775V（正弦有效值>作为零电平（0dB>，则任意电压

的电平定义为：

（dB>

2、要求电平表的数字显示为3位，电平振荡器的频率数字显示不少于4位，并要求小数点和单位自动指示。

3、测试之前，允许对仪器的精度调整一次。

4、测试整机消耗功率时，应在整流滤波电路和稳压电路之间测量电压和电流。

第四题低功耗转速测量仪

一、任务

电源线

设计并制作一个低功耗转速传感器和数据处理与显示电路，两者构成一台转速测量仪。

用该测量仪实时非接触测量一个转动圆盘的转速，转速范围为100~600转/分。

圆盘用覆铜板<材质FR4，厚度1.5mm）制作，直径为50mm，圆盘保留一半覆铜，圆心处钻一个孔用于固定在直流电机的转轴上。

圆盘表面与测速传感器的距离L可在2-10mm之间调整，转速测量仪示意如图1所示，圆盘测量结构如图2所示。

GND

图1低功耗转速测量仪示意图

图2圆盘测量结构示意图

二、要求

测速传感器内的微控制器用AVR单片机ATtiny13实现，数据处理与显示电路中的微控制器用AVR单片机ATMEG16实现。

1、基本要求

<1）测量圆盘的转速，测量误差的绝对值小于1%；

<2）测速传感器功耗PC≤2mW<600转/分状态下测量）；

<3）显示实时转速数据；<测量工程名称用中文显示）

<4）实时显示测速传感器功耗。

<测量工程名称用中文显示）

2、发挥部分

<1）测速传感器功耗PC≤0.5mW<600转/分状态下测量）；

<2）L=10mm时，转速测量仪能够正常工作；

<3）具有检测圆盘转动方向的功能；

<4）具有检测并用曲线显示圆盘转速变化的规律<20秒时间内改变2-5次转速）。

<5）其他

三、评分标准

设计报告

项目

主要内容

满分

系统方案论证

转速测量仪方案设计

8

理论分析与计算

检测方法的理论分析

低功耗设计分析

10

电路与程序设计

系统电路图

系统工作流程图

15

测试方案与测试结果

调试方法与仪器

测试数据完整性

测试结果分析

10

设计报告结构及规范性

摘要

设计报告正文的结构

图表的规范性

7

总分

50

基本要求

实际制作完成情况

50

发挥部分

完成第<1）项

10

完成第<2）项

15

完成第<3）项

10

完成第<4）项

10

其他

5

总分

50

四、说明

1、测速传感器不能使用现成模块，要求测速传感器在圆盘转动一圈输出一个<或多个）脉冲信号，脉冲峰峰值≥1.5V。

2、圆盘转动可以用直流电机带动，通过调节电机电压实现圆盘转速调节的目的。

13、在测速传感器和数据处理与显示电路之间的电源线和信号线均需预留测试端口。

第五题无线环境监测模拟装置

一、任务

设计并制作一个无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测。

该装置由1个监测终端和不多于255个探测节点组成<实际制作2个）。

监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能，收发共用一个天线。

二、要求

1．基本要求

<1）制作2个探测节点。

探测节点有编号预置功能，编码预置范围为00000001B～11111111B。

探测节点能够探测其环境温度和光照信息。

温度测量范围为0℃～100℃，绝对误差小于2℃；光照信息仅要求测量光的有无。

探测节点采用两节1.5V干电池串联，单电源供电。

图1探测节点分布示意图

<2）制作1个监测终端，用外接单电源供电。

探测节点分布示意图如图1所示。

监测终端可以分别与各探测节点直接通信，并能显示当前能够通信的探测节点编号及其探测到的环境温度和光照信息。

<3）无线环境监测模拟装置的探测时延不大于5s，监测终端天线与探测节点天线的距离D不小于10cm。

在0～10cm距离内，各探测节点与监测终端应能正常通信。

2．发挥部分

<1）每个探测节点增加信息的转发功能，节点转发功能示意图如图2所示。

即探测节点B的探测信息，能自动通过探测节点A转发，以增加监测终端与节点B之间的探测距离D+D1。

该转发功能应自动识别完成，无需手动设置，且探测节点A、B可以互换位置。

图2节点转发功能示意图

<2）在监测终端电源供给功率≤1W，无线环境监测模拟装置探测时延不大于5s的条件下，使探测距离D+D1达到50cm。

<3）尽量降低各探测节点的功耗，以延长干电池的供电时间。

各探测节点应预留干电池供电电流的测试端子。

<4）其他。

三、说明

1．监测终端和探测节点所用天线为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕5圈制成。

线圈直径为<3.4±0.3）cm<可用一号电池作骨架）。

天线线圈间的介质为空气。

无线传输载波频率低于30MHz，调制方式自定。

监测终端和探测节点不得使用除规定天线外的其他耦合方式。

无线收发电路需自制，不得采用无线收、发成品模块。

光照有无的变化，采用遮挡光电传感器的方法实现。

2．发挥部分须在基本要求的探测时延和探测距离达到要求的前提下实现。

3．测试各探测节点的功耗采用图2所示的节点分布图，保持距离D+D1=50cm，通过测量探测节点A干电池供电电流来估计功耗。

电流测试电路见图3。

图中电容C为滤波电容，电流表采用3位半数字万用表直流电流档，读正常工作时的最大显示值。

如果D+D1达不到50cm，此工程不进行测试。

图3节点电流测试电路

4．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、重要的源程序用附件给出。

四、评分标准

设计报告

项目

主要内容

满分

系统方案

无线环境监测模拟装置总体方案设计

4

理论分析与计算

发射电路分析

接收电路分析

通信协议分析

6

电路与程序设计

发射电路设计计算

接收电路设计计算

总体电路图

工作流程图

9

测试方案与测试结果

调试方法与仪器

测试数据完整性

测试结果分析

6

设计报告结构及规范性

摘要

设计报告正文的结构

图表的规范性

5

总分

30

基本要求

实际制作完成情况

50

发挥部分

完成第<1）项

20

完成第<2）项

15

完成第<3）项

10

其他

5

总分

50

第六题电能收集充电器

一、任务

设计并制作一个电能收集充电器，充电器及测试原理示意图如图1。

该充电器的核心为直流电源变换器，它从一直流电源中吸收电能，以尽可能大的电流充入一个可充电池。

直流电源的输出功率有限，其电动势Es在一定范围内缓慢变化，当Es为不同值时，直流电源变换器的电路结构，参数可以不同。

监测和控制电路由直流电源变换器供电。

由于Es的变化极慢，监测和控制电路应该采用间歇工作方式，以降低其能耗。

可充电池的电动势Ec=3.6V，内阻Rc=0.1Ω。

二、要求

1、基本要求

<1）在Rs=100Ω，Es=10V～20V时，充电电流Ic大于

<2）在Rs=100Ω时，能向电池充电的Es尽可能低。

<3）Es从0逐渐升高时，能自动启动充电功能的Es尽可能低。

<4）Es降低到不能向电池充电，最低至0时，尽量降低电池放电电流。

<5）监测和控制电路工作间歇设定范围为0.1s～5s。

2、发挥部分

<1）在Rs=1Ω，Es=1.2V～3.6V时，以尽可能大的电流向电池充电。

<2）能向电池充电的Es尽可能低。

当Es≥1.1V时，取Rs=1Ω；

当Es＜1.1V时，取Rs=0.1Ω。

<3）电池完全放电，Es从0逐渐升高时，能自动启动充电功能<充电输出端开路电压

＞3.6V，短路电流＞0）的Es尽可能低。

当Es≥1.1V时，取Rs=1Ω；当Es＜1.1V时，取Rs=0.1Ω。

<4）降低成本。

<5）其他。

三、评分标准

设计报告

项目

主要内容

满分

系统方案

电源变换及控制方法实现方案

5

理论分析与计算

提高效率方法的分析及计算

7

电路与程序设计

电路设计与参数计算

启动电路设计与参数计算

设定电路的设计

10

测试结果

测试数据完整性

测试结果分析

3

设计报告结构及规范性

摘要，设计报告正文的结构

图表的规范性

5

总分

30

基本要求

实际制作完成情况

50

发挥部分

完成第<1）项

30

完成第<2）项

5

完成第<3）项

5

完成第<4）项

5

其他

5

总分

50

四、说明

1．测试最低可充电Es的方法：

逐渐降低Es，直到充电电流Ic略大于0。

当Es高于3.6V时，Rs为100Ω；Es低于3.6V时，更换Rs为1Ω；Es降低到1.1V以下时，更换Rs为0.1Ω。

然后继续降低Es，直到满足要求。

2．测试自动启动充电功能的方法：

从0开始逐渐升高Es，Rs为0.1Ω；当Es升高到高于1.1V时，更换Rs为1Ω。

然后继续升高Es，直到满足要求。

第七题光伏并网发电模拟装置

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US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:

n1=2:

1、n3:

n1=1:

10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30Ω~36Ω。

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

RS和RL在给定范围内变化时，使

，相对偏差的绝对值不大于1%。

<2）具有频率跟踪功能：

当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。

<3）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率

≥60%。

<4）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤5%。

<5）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud

<6）具有输出过流保护功能，动作电流Io

2．发挥部分

<1）提高DC-AC变换器的效率，使

≥80%

<2）降低输出电压失真度，使THD≤1%

<3）实现相位跟踪功能：

当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uF与uREF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．US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

，其中

，

。

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。

四、评分标准

项目

主要内容

满分

设计

报告

方案论证

比较与选择

方案描述

4

理论分析与计算

MPPT的控制方法与参数计算

同频、同相的控制方法与参数计算

提高效率的方法

滤波参数计算

9

电路与程序设计

DC-AC主回路与器件选择

控制电路或控制程序

保护电路

9

测试方案与测试结果

测试方案及测试条件

测试结果及其完整性

测试结果分析

5

设计报告结构及规范性

摘要

设计报告正文的结构

图标的规范性

3

总分

30

基本要求

实际制作完成情况

50

发挥

部分

完成第<1）项

10

完成第<2）项

5

完成第<3）项

24

完成第<4）项

5

其他

6

总分

50