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1、 “启航杯”大学生科技创新普及竞赛参考题目指南（控制设计类）（4系2012年）难度等级：A简单题目编号：001简易光电编码器制作一、功能介绍：光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。该题目制作的是一种简易的增量式旋转编码器，直接利用光电转换原理输出三组脉冲信号A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，用于判断旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。其特点是原理构造简单，抗干扰能力强，可靠性高。二、设计要求：1、实现A相信号的输出，每转至少输出4个脉冲；2、实现B相信号的输出，与A相每转输出脉冲数相同，相位相差90；3、实现Z相信号的输出，每转输
2、出1个脉冲，作为每圈零位基准；4、驱动3个LED用来指示A、B、Z三相的状态。5、提高部分：设计简单的电路来实现旋转方向的识别，用第4个LED来指示方向。三、参考方案设计1、设计结构图2、制作思路用塑料板制作如上形状，在中心安装简易的轴，在传感器安装位置安装红外对管，将红外对管的信号做调理，用三极管放大电流提高功率以驱动LED用于指示。用一个D触发器来实现识别转向，LED亮灭指示两个转动方向。3、设计注意地方1、简易的旋转光栅间隔要均匀，每个镂空占45角。2、Z相传感器通光孔要离开光栅，不在一个半径上，避免相互干扰。3、A,B相传感器安装位置相差90相位，如图中所示，安装位置应相差(2n+1)
3、*22.5几何角度。难度等级：C困难题目编号：002基于PID的直流电机转速控制系统一、功能介绍使用飞思卡尔公司 S12系列单片机或其它类型单片机，实现对直流有刷电机转速的测量、显示和控制。二、设计要求1、实现直流有刷电机的全桥驱动；2、采集编码器信号，测量电机的转速，并在显示器件上显示，显示器件推荐使用1602液晶；3、采用PID控制方案，控制转速稳定在设定值。三、参考方案设计1、结构框图： 2、制作思路（1）用单片机内部PWM模块来产生足够精度的PWM信号；（2）使用集成电机驱动或者用MOS管等功率器件构建H桥电机驱动；（3）用单片机对光电编码器信号计数测量电机转速；（4）用PID控制方案
4、，实现电机的速度稳定，响应迅速，要求具备一定的抗干扰能力；难度等级：A简单题目编号：003流水灯一、功能介绍该作品利用单片机的最小系统板实现多LED的交替闪烁功能。二、设计要求1、实现16个LED的交替闪烁；2、能够通过按键设置闪烁组合类型，在制作过程中需能满足通过按键设定的至少4种闪烁形式；三、参考方案设计1、原理框图见图1。流水灯电路框图2、制作思路（1）本作品旨在培养制作者对单片机最小系统的I/O功能的利净额与应用；（2）本作品主要LED闪烁间隙可通过循环程序或计数器实现；（3）该作品集趣味性、实用性于一体，能很好的激发学生的兴趣。难度等级：A简单题目编号：004计数器一、功能介绍利用数
5、码管显示按键次数，并有蜂鸣器提示功能。可以通过按键预设提示数值。二、设计要求1、通过数码管显示按键次数。2、当按键次数达到设定数时蜂鸣器实施提醒，同时数码管显示值归零。3、系统键预设提示数值应大于10。三、参考方案设计1、硬件结构图见图1。 2、制作思路（1）需采用大于两位的数码管实现设计要求，可根据个人能力决定计数位数；（2）根据位数不同需考虑按键数量以简化预设数的设定流程；（3）蜂鸣器发出响声的长短可通过单片机延时时间的长短来实现。3、设计注意地方（1）写程序时要注意各位的进位规则，避免显示混乱。 （2）单片机控制蜂鸣器时要加一个三极管驱动电路。难度等级：A简单题目编号：005LED点阵显
6、示屏一、功能介绍利用LED点阵显示屏实现字母A到字母Z的循环显示。二、设计要求1、要求最少采用8*8点阵实现字母显示功能，若采用16*16点阵则可拓展显示类型和显示内容。2、对主芯片无特殊要求，可采用51单片机及CPLD，等。3、若采用模块化成品点阵，则需着重进行显示内容的优化，不可仅局限在字母循环显示。三、参考方案设计1、硬件结构图 2、制作思路（1）若采用8*8点阵则可对两组I/O口进行设定；（2）LED的亮灭去决定于对应I/O口的点位变化；3、设计注意地方（1）LED焊接需注意正确的安放位置； （2）需在程序设置前确定相应字母所对应的LED位置。难度等级：A简单题目编号：006红外线自动
7、计数器设计一、 功能介绍利用红外发射管发射红外线，利用红外接收管接收红外线，通过比较器将信号整理，同时将这个信号输入单片机进行计数，并利用显示模块显示数值。二、 设计要求1、 实时显示所数值。2、 数值可随时清零，不可采用复位按钮。三、 设计参考方案1、硬件结构图2、制作思路电路的指导思想是红外发射管发射红外线，红外接收管接收红外线，并且接收管当有红外线照射的时候，电阻比较小，当无线外线照射的时候电阻比较大，这样就可以通过一个电压比较器和一个基准电压进行对比，当有光照的时候，红外接收管电阻比较小，那么和其串联的电压分压就会增大，所以电压比较器将会输出一高电平；当无光照射的时候，红外接收管的电阻
8、比较大，这样电压比较器就会输出一个低电平。这个便是外部计数电平信号，这个电平信号送入AT89C51单片机进行计数控制，在经过扩展、显示驱动完成最后的显示过程。3、值得注意的问题(1)红外接收管得驱动电路注意管脚封装。(2)比较器的输出接一个上拉电阻。难度等级：B中等题目编号：007超声波测距一、功能介绍由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。二、设计要求1. 能显示测量距离。2测量误差4%三、参考方案
9、设计1硬件结构图见图1。单片机发射部分接收部分显示 图1 超声波测距硬件结构方框图2制作思路超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。3设计注意地方（1）超声波发射可采用NE555.（2）显示部分可采用1602液晶或采用数码管显示。难度等级：A简单题目编号：008基于LM38
10、6的音频功放电路设计一、功能介绍本作品是由集成运算放大器组成的语音发大电路。接在收音机的耳机接口，从语音放大器的扬声器便可播出美妙的音乐声，音质清楚，无杂音、音量大，电路运行稳定。二、设计要求能够将MP3或其他音频输出信号放大。三、参考方案参考电路图难度等级：A简单 题目编号：009直流电机控制器一、功能介绍利用单片机最小系统板与电机驱动器实现对直流电机的启动和停止，转向的控制。二、设计要求1、通过单片机完成电机控制信号的输出。2、通过电机驱动器能够实现驱动电机运动的功能。3、通过按键输入能改变电机的转向。三、参考方案设计1、硬件结构图见图1。图1 直流电机控制器硬件结构 2、制作思路（1）利
11、用单片机的I/O口给电机驱动电路输出一个使能和转向的信号。（2）利用L298电机驱动芯片搭建一个电机驱动电路。（3）使用按键给单片机输入一个使能信号分别表示不同的控制。3、设计注意地方（1）L298电机驱动电路请参考网上成熟的电路，二极管不可缺少。（2）单片机在与L298之间信后连接处可做电流保护，防止电流冲击单片机。 难度等级：A简单 题目编号：010步进电机控制器一、功能介绍利用单片机最小系统板与电机驱动器实现对步进电机的启动和停止，转向的控制。二、设计要求1、通过单片机完成步进电机控制信号的输出。2、通过电机驱动器能够实现驱动电机运动的功能。3、通过按键输入能改变电机的转向。三、参考方案
12、设计1、硬件结构图图1 步进电机控制器硬件结构 2、制作思路（1）利用单片机的I/O口给电机驱动电路输出步进电机的相序信号。（2）利用L298电机驱动芯片搭建一个步进电机驱动电路。（3）使用按键给单片机输入一个使能信号分别表示不同的控制。3、设计注意地方（1）L298电机驱动电路请参考网上成熟的电路，二极管不可缺少。（2）单片机在与L298之间信后连接处可做电流保护，防止电流冲击单片机。（3）步进电机的驱动方式与直流电机不同，是采用不同相序之间的切换使得步进电机前进后退，参考I/O输出相序：0x09,0x0x05,0x06,0x0a,步进电机的速度由相序切换间隔时间所决定。难度等级：A简单 题
13、目编号：011舵机控制器一、功能介绍利用单片机最小系统板实现对舵机的控制。二、设计要求1、通过单片机完成舵机控制信号的输出。2、通过按键输入能改变舵机的角位置。三、参考方案设计1、硬件结构图见图1。图1 直流电机控制器硬件结构 2、制作思路（1）利用单片机的I/O口产生有效的PWM信号给舵机，控制输出角度。（2）使用按键给单片机输入一个使能信号分别表示不同的控制。3、设计注意地方（1）舵机可以用用单片机直接进行驱动。（2）舵机注意定好中心位置，防止达到极值角度，对舵机造成损害。（3）舵机的控制信号是由20ms周期占空比为0.5ms到2.5ms的方波组成 ，占空比的改变分别对应不同的角度，舵机的
14、速度不可调制难度等级：A简单 题目编号：012USB转串口模块一、功能介绍该作品通过CH340芯片，将USB通讯转为串口通讯。通过该模块，可实现串口双向通讯功能。二、设计要求1、根据原理图制作电路板2、完成硬件后，对模块完成功能测试。三、参考方案设计1、硬件电路原理图图1 硬件结构方框图2、制作思路（1）按原理图制作电路。（2）完成电路焊接。（3）使用串口助手完成对模块的测试。3、设计注意地方（1）CH340焊接时注意防止短路。（2）线路连接需可靠，防止虚焊。 难度等级：B中等题目编号：013电子温度表设计一、功能介绍传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学
15、研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。无论在工业、农业、科学研究、国防和人们日常生活的各个方面,温度测量和控制都是极为重要的课题。本次设计的主要目的是设计出价格低廉的而精度相对较高的民用电子温度表。电子温度表采用铂电阻Pt100作为温度传感器件,对Pt100 电阻- 温度曲线关系进行测定,由测定结果得出Pt100的电阻- 温度函数关系。利用铂电阻的温度电阻特性,将温度信号直接转化为电信号,再通过单片机控制程序,将电信号转化为数字信号,再将其温度值在显示器上显示出来,从而实现对于温度的测量。电子温度计的检测范围为10 80 。二、设计要求基本要求：1、对PT100进行电阻- 温度进行标定测量
16、，列出10 80 每隔10的阻值。精确到小数点后1位，误差5%，也可采用DS18B20等集成温度传感器。2、利用一个发光二极管显示，温度越高，发光二级管越亮。扩展要求：1、利用单片机和ADC芯片进行数据采集与转换（也可以采用自带AD功能的单片机）。2、利用8个发光二极管显示（小于10全灭，10亮1个，20摄氏度亮2个，以此类推）。三.参考方案设计1、设计结构图基本设计：分压电路二极管亮度显示PT100 扩展设计：单片机8个LED显示ADC芯片PT100 2、制作思路基本设计可以利用PT100阻值与温度的变化关系，在不同温度的水中进行温度标定，然后利用温度越高阻值越大原理，通过分压电路控制二极管
17、随温度变化而亮度变化。扩展设计是在温度阻值标定的基础上，通过DAC进行模数转换，再通过单片机控制8个发光二极管的亮灭。3、计注意地方标定时可在沸水中加冷水实现不同温度环境。难度等级：C困难题目编号：014基于单片机的程控数字电压表设计一、完成功能以单片机为核心，设计一个数字电压表。对2路05V的模拟电压进行循环采集，采集的数据送数码管（或LCD1602液晶）显示，并存入内存。超过界限时指示灯闪烁。二、设计要求设计电压表并实现简单测量。具有以下基本功能：基本要求：1、测量05V的8路输入电压值；2、四位LED数码管上显示；3、误差约为0.04V；扩展要求：1、测量05V的4路输入电压值；2、四位
18、LED数码管上轮流显示；3、一定的扩展功能；4、最小分辨率为0.019V；5、路和第2路分别超过1.25 V和2.5 V时报警。三、参考方案设计：本题目本质上是以单片机为控制器，ADC0809为ADC器件的AD转换电路，设计要求的电压显示，是对ADC采集所得信号的进一步处理。为得到可读的电压值，需根据ADC的原理，对采集所得的信号进行计算，并显示在数码管（LCD1602液晶）上。本项目中ADC0809的参考电压为+5V，根据定义，采集所得的二进制信号addata所指代的电压值为: 而若将其显示到小数点后两位，不考虑小数点的存在（将其乘以100），其计算的数值为：将小数点显示在第二位数码管上，即
19、为实际的电压。将1.25 V和2.5 V作为两路输入的报警值，反映在二进制数字上，分别为0x40和0x80。当AD结果超过这一数值时，将会出现二极管闪烁和蜂鸣器发声。参考电路如下：其中图中的AT89S52单片机可以用STC89C52或其他类型的单片机，方案仅供参考，可以采用其他方案。难度等级：B中等题目编号：015声光控制的照明装置一功能介绍该灯采用LED发光二极管照明，在白天或光线较亮时，灯呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，开关呈预备工作状态。当有声音或者响动时，开关启动，灯亮。二设计要求基本要求：实现功能介绍中声光控的功能（参考方案种为基本要求的设计方案）。扩展要求：可以实现独立光控，
20、独立声控，声光控，手动开关控制4种工作模式（自行设计）。三参考方案设计1、原理框图如图下所示。图1 声光控小夜灯原理方框图上图是该声光控小夜灯开关电路原理方框图，由话筒、声音放大、倍压整流、光控、电子开关几个部分电路组成。声光控开关电路原理图如下图所示。话筒MIC1和VT1、R1R3、C1组成声音拾取放大电路。为了获得较高的灵敏度，VT1 的值选用大于100。话筒MIC也选用灵敏度高的。R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡。图中LED部分可以用高亮白光LED多个串联组成，C2、D1和D2、C3构成倍压整流电路，把声音信号变成直流控制电压。R4、R5和光敏电阻R11组成光控电路。有光照射在R1
21、1上时，阻值变小，对直流控制电压衰减很大。VT2、VT3和R7、D3组成的电子开关截止，C4 内无电荷，单向可控硅MCR截止，LED灯不亮。当无光照射R11 时，R11 阻值很大，对直流控制电压衰减很小，VT2、VT3等组成的电子开关导通，D3 也导通，使C4充电。C4通过R8 把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯点亮。C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。2、注意事项 为确保制作成功，所有元器件都要认真检测，判别元器件是否完好。 必须分清Mic极性、电容极性、二极管+、-极，三极管E、B、C 极位置。特别注意可控硅检测。难度等级：C困难 题目编号：016走迷宫电脑鼠的初步研究
22、和方案设计一、功能介绍利用电脑鼠套件，学习电脑鼠的算法，能实现电脑鼠能在一个8*8的迷宫中自由行走，并能设计一套电脑鼠的可行性方案。二、设计要求1、熟练掌握电脑鼠软件的安装和使用。2、熟悉电脑鼠的各种算法和C语言程序，能清楚电脑鼠的控制过程。3、对电脑鼠套件调试，能使电脑鼠能自由的在一个8*8的迷宫中行走。4、对电脑鼠的硬件结构有清楚的认识，并能自己设计一套电脑鼠的可行性方案。难度等级：A简单 题目编号：017红外避障车一、功能介绍该作品通过车体各方向的红外传感器对障碍物的检测，经继电器改变电机运行状态，从而实现小车自主壁障的功能。二、设计要求1、完成小车基本车体制作。2、无障碍物时车体保持直
23、线行走。3、侧面障碍物时自动避开。4、前侧有障碍物时停止前进。三、参考方案设计1、硬件结构图见图1。 前侧红外传感器继电器左右电机侧面红外传感器图1 硬件结构方框图2、制作思路（1）利用适当材料制作车体，采用两直流减速电机分别带动左右两轮。（2）红外传感器采用三对，前侧，左侧，右侧。（3）通过前侧传感器经比较器，接入继电器控制两电机总供电线路；左侧传感器控制右电机供电线路，右侧传感器控制左电机供电线路。3、设计注意地方（1）注意电机转动方向（2）红外接收管接收到信号须经比较器比较。 （3）红外发射管、接收管，应尽量在一条直线上。（4）注意结构左右对称。难度等级：B中等题目编号：018基于电位器
24、的角度测量装置一功能介绍：角度测量装置采用单圈或多圈电位器作为传感器件，利用电阻分压将角位置信号转化为模拟信号，再通过单片机控制采样过程，将模拟信号转化为数字信号，再将角度值在显示器件上显示出来。二设计要求：基本要求：1、测量范围180；2、测量分辨度1；3、用数码管显示测量值。扩展要求：1、利用单片机和ADC芯片进行数据采集与转换，也可以采用自带AD模块的单片机；2、实现更高精度和更大范围的测量，精度和范围不限；3、可以选用1602型液晶来显示角度值。三.参考方案设计1、设计结构图单片机4位LED显示ADC芯片电阻分压网络2、制作思路可以使用STC12C5410AD等带有片内ADC的单片机来
25、完成设计，由一片单片机完成ADC采样、滤波运算、LED显示。3、设计注意地方需要注意电位器的选型； STC12C5410AD的ADC采样程序可参照红晶科技官方提供的范例程序。难度等级：B中等题目编号：019基于电位器的角度测量装置一、功能介绍：角度测量装置采用单圈或多圈电位器作为传感器件，利用电阻分压将角位置信号转化为模拟信号，再通过单片机控制采样过程，将模拟信号转化为数字信号，再将角度值在显示器件上显示出来。二、设计要求：基本要求：1、测量范围180；2、测量分辨度1；3、用数码管显示测量值。扩展要求：1、利用单片机和ADC芯片进行数据采集与转换，也可以采用自带AD模块的单片机；2、实现更高
26、精度和更大范围的测量，精度和范围不限；3、可以选用1602型液晶来显示角度值。三、参考方案设计1、设计结构图单片机4位LED显示ADC芯片电阻分压网络2、制作思路可以使用STC12C5410AD等带有片内ADC的单片机来完成设计，由一片单片机完成ADC采样、滤波运算、LED显示。3、设计注意地方(1）需要注意电位器的选型；(2)STC12C5410AD的ADC采样程序可参照红晶科技官方提供的范例程序。难度等级：B中等题目编号：020摇闪棒一、功能介绍该作品通过单片机控制一排16个LED灯，摇动摇闪棒时，由于人眼视觉暂留效应，可以看见其在空中显示的字符或汉字。二、设计要求1、摇动时，能清晰看到字
27、符；2、可显示三种不同的字符，其中包含“启航杯”。3、摇闪棒可操作性好，功耗低。三、参考设计方案1、硬件结构图单片机电源16X1 LED换向开关字母切换开关图(1) 摇闪棒系统构成图2、制作思路（1）根据人眼视觉暂留效应，在摇闪棒摇动时，依次显示字幕的每一竖排点阵，在空中形成字幕甚至图片。（2）当更改摇动方向时，换向开关（简易惯性开关或水银开关）控制单片机更改显示的方向。（3）拍击或按下摇闪棒字幕切换开关时，字幕更换。3、设计注意地方（1）系统电源要求轻便，可用纽扣电池。（2）LED灯的电流要从外向单片机引脚流入。（3）摇闪棒制作一定要结实，以免摇坏。（4）可利用字符取模软件取得字模编码。难度
28、等级：B中等题目编号：021自动人员入侵报警系统一、功能介绍该作品通过热释电传感器感应人体，当未授权人员进入监控区域时，系统报警器响并闪动红灯，获得授权人员输入密码后进去监控区域不报警。二、设计要求1、人员检测成功率 90%;2、未授权人员闯入自动报警；三、参考设计方案1、硬件结构图单片机4*4键盘热释电传感器蜂鸣器报警装置系统指示灯及报警红灯电源图(1) 自动人员入侵报警系统2、制作思路（1)利用热释电传感器检测是否有人进去监控区域，将采集的信息送至MCU进行处理，根据授权状态做出相应动作。（2)单片机检查当前人员是否获得授权（输入密码正确），如正确，绿灯亮，红灯灭，系统不报警。如密码错误，
29、则报警，红灯闪。（3)如当前人员多次密码输入错误（假设三次），系统报警。3、设计注意地方（1)单片机控制蜂鸣器时要接三极管驱动电路。（2)仔细阅读热释电传感器的资料。（3)矩阵键盘检测时注意防抖动。难度等级：C困难题目编号：022“极速挑战”智能汽车竞赛一、功能介绍本竞赛要求参赛者在组委会提供的模型车体及主控微控制器芯片基础上设计制作具有自主道路识别能力的智能汽车。 组委会提供统一智能车竞赛车模、单片机HCS12开发板、开发软件CodeWarrior和在线调试工具等。参赛队伍在车模平台基础上，制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，综合赛车单圈最短时间、技术报告质量等项的分数进行评奖。本竞赛分为光电组、摄像头组和电磁组三个组别，按组别要求使用相对应的传感器光电管、摄像头或电磁传感器，构建控制程序以实现在专用赛道上高速循迹运行，以竞速为主要比赛指标。二、设计要求请参阅“极速挑战”智能汽车竞赛规则说明。三、参考设计方案在该比赛准备期间，举办单位将组织丰富的培训课程，指导各参赛队伍完成比赛。第27页 共27页