陜西理工學院2015年電子設(shè)計競賽題目

1、陜西理工學院2015年電子設(shè)計競賽題目A題：四旋翼飛行器1. 任務(wù)設(shè)計制作一架能夠自主飛行的四旋翼飛行器。 2. 要求四旋翼飛行器能夠完成以下飛行動作：（1） 飛行器能夠根據(jù)起飛前預(yù)置的指令起飛，飛離地面高度應(yīng)超過30cm，飛行距離（水平）應(yīng)超過60cm，然后飛行器應(yīng)能平穩(wěn)降落。（30分）（2） 飛行器能夠根據(jù)指定（鍵盤設(shè)定）的飛行高度及降落地點（方向及距離）連續(xù)穩(wěn)定地完成起飛、指定高度水平飛行、平穩(wěn)降落等動作。（20分）（3） 飛行器能夠根據(jù)起飛前預(yù)置的指令垂直起飛，起飛后能夠在50cm以上高度平穩(wěn)懸停5s以上，然后再平穩(wěn)緩慢降落到起飛地點；起飛與降落地點水平距離不超過30cm。（30分）（

2、4） 其他自主發(fā)揮設(shè)計的飛行動作。（20分）（5） 設(shè)計報告（20分）項 目主要內(nèi)容分數(shù)系統(tǒng)方案方案比較，方案描述5設(shè)計與論證飛行器姿態(tài)測量方法飛行控制器控制方法與參數(shù)計算8測試測試方法與測試結(jié)果5設(shè)計報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要，正文結(jié)構(gòu)完整性、內(nèi)容規(guī)范性2小計203. 說明（1） 飛行器的姿態(tài)檢測及飛行控制必須使用通用單片機控制器，如C51、STM32或MSP430等。（2） 飛行器在完成每一項飛行動作期間不得以任何方式進行人為干預(yù)，如遙控等。（3） 飛行器的尺寸可自行選定。（4） 飛行方向以正北方向為0°、東北方向為45°、正東方向為90°等，以此類推；距離的單位為

3、厘米（cm）。（5） 指定的降落地點是指降落地點距起飛地的水平距離及方向。（6） 平穩(wěn)降落是指在降落過程中無明顯的跌落、彈跳及著地后滑行等情況出現(xiàn)。（7） 能夠完成要求（2）時，要求（1）可以免測。（8） 為確保安全，飛行器應(yīng)在安全網(wǎng)中或在系留方式下工作（即以繩索將飛行器拴在地面固定物上）。B題：金屬物體探測定位器4. 任務(wù)設(shè)計并制作一個可自主移動的金屬物體探測定位器（以下簡稱探測器），可探測置于玻璃板下的金屬物體并給出定位指示。該探測器需采用TI公司LDC1000電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換器評估板（AY-LDC1000）作為金屬物體探頭，探頭上應(yīng)有定位指針，以給出明顯定位指示。探頭可在水平放置的玻璃板上

4、移動。用直徑2（mm）的鐵絲圍成約50cm×50cm的正方形閉合框作為探測區(qū)邊界置于玻璃板下，示意圖見圖1。玻璃板下鐵絲方框玻璃板下金屬物體圖1 金屬物體探測環(huán)境示意圖無色透明普通玻璃板或有機玻璃板探頭進入?yún)^(qū)50cm×50cm5. 要求（6） 在探測區(qū)域內(nèi)某處（距探測邊界5cm）玻璃下放置一枚直徑約19mm的鍍鎳鋼芯1角硬幣（第五套人民幣的1角硬幣）。探頭能從“探頭進入?yún)^(qū)”一側(cè)任意指定位置和方向自行進入探測區(qū)（鐵絲框包圍區(qū)域）。通過探測，定位指針應(yīng)指在硬幣邊沿之內(nèi)，探測定位速度越快越好，且探測定位總時間應(yīng)不超過2分鐘。完成定位時給出聲-光指示，此后探頭不得再移動。（30分）

5、（7） 將1角硬幣更換成直徑約25mm的鍍鎳鋼芯1元硬幣（第五套人民幣1元硬幣），重復(fù)要求（1）的探測過程。定位完成后，定位指針與硬幣圓心之間的定位誤差應(yīng)控制在5mm以內(nèi)；探測定位速度越快越好，探測定位總時間不應(yīng)超過2分鐘。完成定位時給出聲-光指示，此后探頭不得再移動。（30分）（8） 將硬幣改為自制圓鐵環(huán)（用2鐵絲繞制），鐵環(huán)外直徑4cm。重復(fù)要求（1）的探測過程，應(yīng)使定位指針盡可能指向鐵環(huán)圓心，定位誤差應(yīng)控制在5mm以內(nèi)；完成定位時給出聲-光指示，此后探頭不得再移動，探測定位總時間應(yīng)不超過3分鐘。（30分）（9） 其他自主發(fā)揮功能。（10分）（10） 設(shè)計報告。（20分）項 目主要內(nèi)容分數(shù)

6、系統(tǒng)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方案比較與選擇 4理論分析與計算探測器組成方案與工作原理分析、檢測與控制算法6電路與程序設(shè)計電路設(shè)計，程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計5測試方案與測試結(jié)果測試結(jié)果及分析3設(shè)計報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要，設(shè)計報告正文的結(jié)構(gòu)，公式、圖表的規(guī)范性2總分206. 說明（1） 金屬物體探測定位裝置探頭采用AY-LDC1000板（由TI公司提供），可直接用AY-LDC1000板上的覆銅線圈，也可自制線圈；不得安裝其他傳感與攝像裝置。探測開始后，不得手動或遙控探測器。（2） 玻璃板可采用普通無色玻璃（玻璃邊沿需貼上膠帶以防劃傷），也可用無色透明有機玻璃板；玻璃板長寬尺寸應(yīng)大于50cm、厚度約3mm。（3） 探頭從

7、“探頭進入?yún)^(qū)”一側(cè)進入時探頭的起始位置和擺放方向，以及探測區(qū)域內(nèi)的被測金屬物體擺放位置均由測試專家在現(xiàn)場指定。C題：鎖定放大器的設(shè)計1任務(wù)設(shè)計制作一個用來檢測微弱信號的鎖定放大器（LIA）。鎖定放大器基本組成框圖見圖1。圖1 鎖定放大器基本組成結(jié)構(gòu)框圖交流放大器相敏檢波器直流放大器低通濾波器帶通濾波器觸發(fā)整形移相器方波驅(qū)動參考輸出r(t)信號x(t)信號通道參考通道S(t)顯示R(t)2要求（1）外接信號源提供頻率為1kHz的正弦波信號，幅度自定，輸入至參考信號R(t)端。R(t)通過自制電阻分壓網(wǎng)絡(luò)降壓接至被測信號S(t)端，S(t)端幅度有效值為 10V1mV。（5分）（2）參考通道的輸出

8、r(t)為方波信號，r(t)的相位相對參考信號R(t)可連續(xù)或步進移相180度，步進間距小于10度。（20分）（3）信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz1100Hz。誤差小于20%。（10分）（4）在鎖定放大器輸出端，設(shè)計一個能測量并顯示被測信號S(t)幅度有效值的電路。所測量的顯示值與S(t)有效值的誤差小于10%。（15分）（5）在鎖定放大器信號S(t)輸入端增加一個運放構(gòu)成的加法器電路，實現(xiàn)S(t)與干擾信號n(t)的1:1疊加，如圖2所示。（5分）交流放大器帶通濾波器信號x(t)鎖定放大器圖2 鎖定放大器疊加噪聲電路圖S(t)加法器n(t)n(t)S(t)+n(t)n(t)（6）用另一

9、信號源產(chǎn)生一個頻率為10502100Hz的正弦波信號作為n(t)，將其疊加在鎖定放大器的輸入端，信號幅度等于S(t)。n(t)亦可由與獲得S(t)同樣結(jié)構(gòu)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到。鎖定放大器應(yīng)盡量降低n(t)對S(t)信號有效值測量的影響，測量誤差小于10%。（20分）（7）增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，鎖定放大器對S(t)信號有效值的測量誤差小于10%。（20分）（8）其他自主發(fā)揮。（5分）（9）設(shè)計報告。（20分）項 目主要內(nèi)容滿分系統(tǒng)方案總體方案設(shè)計4理論分析與計算鎖定放大器各部分指標分析與計算6電路與程序設(shè)計總體電路圖,程序設(shè)計4測試方案與測試結(jié)果測試數(shù)據(jù)完整性,測試結(jié)果分析4設(shè)計

10、報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要,設(shè)計報告正文的結(jié)構(gòu)、圖表的規(guī)范性2總分203說明（1）各信號輸入、輸出端子必須預(yù)留測量端子，以便于測量。（2）要求（1）和（6）中的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的分壓比例自行定義。由于V級信號常規(guī)儀器難以測量，可通過適合加大輸入信號幅度的方法，測量并標定其分壓比。（3）關(guān)于鎖定放大器的原理可參考微弱信號檢測。高晉占編著，清華大學出版社2004年。D題：帶嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大器1任務(wù) 基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，設(shè)計并制作一個帶嘯叫檢測與抑制功能的音頻放大器，完成對臺式麥克風音頻信號的放大，通過功率放大電路送喇叭輸出。電路示意圖如圖1所示。嘯叫檢測嘯叫抑制拾音電路接

11、信號源功率放大電路ABK1音頻功率放大器K2DCRL8WVo圖1 電路示意圖2要求 （1）設(shè)計并制作圖1中所示的“拾音電路”和“功率放大電路”，構(gòu)成一個基本的音頻功率放大器。要求： （25分）a）在輸入音頻信號有效值為20mV時，功率放大器的最大不失真功率（僅考慮限幅失真）為5W，誤差小于10；b）在輸入音頻信號有效值為20mV時，程控設(shè)置功率放大器的輸出功率，功率范圍為50mW5W；c）功率放大器的頻率響應(yīng)范圍為200Hz 10kHz。（2）系統(tǒng)采用12V直流單電源供電，所需其他電源應(yīng)自行制作。 （10分）（3）在功率放大器輸出功率為5W時，電路整體效率80%。 （10分）（4）將臺式麥克風

12、與喇叭相隔1m背靠背放置，見圖2（a），使用電腦播放音樂作為音頻信號源。音頻功率放大器能通過麥克風采集信號，經(jīng)功率放大電路送喇叭輸出，輸出的音頻信號清晰。 （5分）（5）設(shè)計并制作圖1所示的嘯叫檢測電路和嘯叫抑制電路，完善音頻功率放大器。要求： （15分）a）在不進行嘯叫抑制時（圖1的選擇開關(guān)K1連接A端，K2連接C端），將麥克風與喇叭相隔1m面對面放置，見圖2（b），從小到大調(diào)整功率放大器的輸出功率，直到產(chǎn)生嘯叫時停止；b）嘯叫檢測電路能實時監(jiān)測所產(chǎn)生嘯叫，并計算嘯叫的頻率。實時顯示嘯叫頻率和相應(yīng)的功率放大器輸出功率；c）啟動嘯叫抑制電路（圖1的選擇開關(guān)K1連接B端，K2連接D端），音頻功率

13、放大器應(yīng)能有效抑制嘯叫，并正常播放音頻信號。（6）進一步改進嘯叫抑制電路。在保障無嘯叫的前提下，盡量提高音頻功率放大器的輸出功率；如果輸出功率達到5W功率，嘯叫抑制電路仍能正常工作，進一步縮短面對面放置的麥克風與喇叭之間的距離。 （30分）（7）其他。 （5分）（8）設(shè)計報告 （20分）項 目主要內(nèi)容滿分方案論證比較與選擇,方案描述3理論分析與計算系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)計5電路與程序設(shè)計系統(tǒng)組成，原理框圖與各部分的電路圖，系統(tǒng)軟件與流程圖5測試方案與測試結(jié)果測試結(jié)果完整性，測試結(jié)果分析5設(shè)計報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要，正文結(jié)構(gòu)規(guī)范，圖表的完整與準確性2總 分203說明（1） 作品使用的麥克風應(yīng)為臺式全向麥克

14、風，其靈敏度要大于 -45dBV/P，插頭直徑為3.5mm，輸出阻抗為1kW 2.2kW。關(guān)于麥克風靈敏度的定義是饋給1Pa（94dB）的聲壓時，麥克風輸出端的電壓（dBV）。有些麥克風給出的靈敏度單位為dB/Bar，注意之間的轉(zhuǎn)換。（2） 作品使用的喇叭應(yīng)為組合紙盆方式的電動式喇叭，額定功率為5W，額定阻抗為8W。（3） 麥克風和喇叭可以直接購買，在設(shè)計報告中必須附有所購買的麥克風和喇叭的產(chǎn)品說明書或性能參數(shù)。（4） 作品要求拾音電路的輸入接口，以及功率放大電路連接到喇叭的接口必須外露，可方便進行連接，以便測試時使用。（5） 作品評測由賽區(qū)統(tǒng)一準備測試平臺，并統(tǒng)一使用由測試專家準備的臺式麥克

15、風和喇叭進行測試。（6） 作品要求（1）、（2）和（3）的指標測試，使用音頻信號源外加正弦信號和外加8W純電阻負載的方式進行測試。要求TPA3112D1的功率放大電路帶有LC濾波，輸出的正弦信號無明顯失真。（7） 作品要求（4）、（5）和（6）的指標測試，使用電腦USB喇叭（功率不超過1W）播放音樂作為信號源，放置在距麥克風20cm的位置。具體測試的框圖如圖2所示。電腦喇叭20cm 100cm功放喇叭電腦喇叭20cm 80cm功放喇叭（a） 作品基本部分（4）的測試（b）作品發(fā)揮部分的測試圖2：嘯叫抑制性能測試框圖E題：-型A/D轉(zhuǎn)換電路1任務(wù)設(shè)計并制作1階-調(diào)制器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計并制作-型

16、A/D轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 - 型A/D轉(zhuǎn)換電路框圖2要求（1）設(shè)計并制作1階-調(diào)制器，具體電路框圖如圖2所示。圖中為2V。要求-調(diào)制器輸出的1位數(shù)據(jù)流為TTL電平，時鐘頻率自定。（12分）（2）利用（1）中制作的1階-調(diào)制器，設(shè)計并制作- 型A/D轉(zhuǎn)換電路。要求A/D轉(zhuǎn)換電路可設(shè)置工作于下列兩種模式： （32分）l 模式1，采樣頻率為100Hz，采樣位數(shù)為12位；l 模式2，采樣頻率為1600Hz，采樣位數(shù)為8位。（3）設(shè)計并制作-型A/D轉(zhuǎn)換電路的采樣數(shù)據(jù)顯示裝置。要求可以顯示A/D轉(zhuǎn)換電路連續(xù)采樣數(shù)據(jù)波形，顯示的波形數(shù)據(jù)點數(shù)不少于200點。同時，在波形上顯示一個光標，移動

17、光標時能顯示相應(yīng)波形點的采樣數(shù)據(jù)。 （6分）（4）改進- 型A/D轉(zhuǎn)換電路的顯示裝置，要求能計算A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的采樣數(shù)據(jù)的方差，并實時顯示。方差的計算使用連續(xù)1秒的采樣數(shù)據(jù)直接計算。 （10分）（5）改進-型 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，盡量減小A/D轉(zhuǎn)換電路的本底噪聲和量化噪聲，提高- 型A/D轉(zhuǎn)換電路的采樣精度。實現(xiàn)- 型A/D轉(zhuǎn)換電路能工作于下列模式： （20分）l 模式3，采樣頻率為100Hz，采樣位數(shù)為16位，有效位數(shù)不少于13位。圖2 1階-調(diào)制器的結(jié)構(gòu)框圖（6）進一步提高-型A/D轉(zhuǎn)換電路的采樣速度。實現(xiàn)- 型A/D轉(zhuǎn)換電路能工作于下列模式： （15分）l 模式4，采樣頻率為160

18、0Hz，采樣位數(shù)為16位，有效位數(shù)不少于13位。（7）其他自主發(fā)揮。 （5分）（8）設(shè)計報告 （20分）項 目主要內(nèi)容滿分方案論證比較與選擇，方案描述3理論分析與計算系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)計5電路與程序設(shè)計系統(tǒng)組成，原理框圖與各部分的電路圖，系統(tǒng)軟件與流程圖5測試方案與測試結(jié)果測試結(jié)果完整性，測試結(jié)果分析5設(shè)計報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要，正文結(jié)構(gòu)規(guī)范，圖表的完整與準確性2總 分203說明（1） 要求（1）中，要求減法器、積分電路、比較器和1位DAC分別用獨立電路實現(xiàn)，并在A、B、C、D信號處應(yīng)留有測試口，以便對信號波形進行觀察。圖3給出了各點的信號參考波形示意。圖3 1階-調(diào)制器中各點信號的波形示意（2）

19、要求（3）設(shè)計并制作采樣數(shù)據(jù)顯示裝置，可以使用自制的液晶顯示；也可以借助外部顯示設(shè)備，如示波器。但必須能顯示- 型A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的連續(xù)采樣數(shù)據(jù)，并能顯示采樣信號的波形。（3） 采樣數(shù)據(jù)的方差計算：將- 型A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的一組采樣數(shù)據(jù)，記為，計算其均值，則方差為：。F題：無線電能傳輸裝置1、 任務(wù) 設(shè)計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 電能無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)框圖2、 要求 （1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U28 V，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率。（45分）（2

20、）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A，接收端負載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。（45分）（3）其他自主發(fā)揮（10分）（4）設(shè)計報告（20分）項 目主要內(nèi)容分數(shù)系統(tǒng)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方案比較與選擇 4理論分析與計算無線傳輸系統(tǒng)工作原理分析及計算6電路設(shè)計相關(guān)電路設(shè)計5測試測試結(jié)果及分析3設(shè)計報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性摘要，正文結(jié)構(gòu)，公式與圖表的規(guī)范性2總分203、 說明 （1） 發(fā)射與接收線圈為空心線圈，線圈外徑均20±2cm；發(fā)射與接收線圈間介質(zhì)為空氣。（2） I2應(yīng)為連續(xù)電流。（3） 測試時，除15V直流電源外，

21、不得使用其他電源。（4） 在要求（1）效率測試時，負載采用可變電阻器；效率。（5） 制作時須考慮測試需要，合理設(shè)置測試點，以方便測量相關(guān)電壓、電流。G題：簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置1、 任務(wù) 設(shè)計并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。電動機A固定在支架B上，通過轉(zhuǎn)軸F驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂C旋轉(zhuǎn)。擺桿E通過轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當旋轉(zhuǎn)臂C在電動機A驅(qū)動下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動時，帶動擺桿E在垂直于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。圖1旋轉(zhuǎn)倒立擺結(jié)構(gòu)示意圖2、 要求 基本要求：（1）擺桿從處于自然下垂狀態(tài)（擺角0°）開始，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過-60° +60°；（15分）（2）從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動；（15分）（3）在擺桿處于自然下垂狀態(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于90°。（20分）發(fā)揮部分：（1）從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時間不少于10s；（20分）（2）在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s內(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài)