南华大学黄智伟备战2012~2013电子设计竞赛控制类赛题分析 热轧板
1.历届的“控制类”赛题
“控制类”赛题是全国大学生电子设计竞赛中的一大类，在10届电子设计竞赛中，“控制类”赛题除了1994和1995年外，其它每届都有，共有12题，仅次于“仪器仪表类”赛题（14题）。历届的“控制类”赛题[1]如下所示：
①水温控制系统（1997年C题）
②自动往返电动小汽车（2001年C题）
③简易智能电动车（2003年E题）
④液体点滴速度监控装置（2003年F题）
⑤悬挂运动控制系统（2005年E题）
⑥电动车跷跷板（2007年F题）【本科组】
⑦电动车跷跷板（2007年J题）【高职高专组】
⑧声音引导系统（2009年B题）【本科组】；
⑨模拟路灯控制系统（2009年I题）【高职高专组】
⑩ 基于自由摆的平板控制系统（2011年B 题）【本科组】
11. 智能小车（2011年C 题）【本科组】
12. 帆板控制系统（2011年 F 题）【高职高专组】
在这12个赛题中，与电动小车有关的有7题。
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2. 历届“控制类”赛题中所用到的传感器及传感器模块 传感器及传感器模块是“控制类”赛题必不可少的组成部分。从全国获奖作品中可以看到，所使用的传感器有：温度传感器、光电传感器、超声波传感器、倾角传感器、角度传感器、音频信号检测等等[2~7]。 （1）温度传感器
在“水温控制系统（1997年C题）”使用了温度传感器。赛题要求：温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。温度控制的静态误差≤0.2℃。获奖作品使用的温度传感器有Cu100铜热阻和AD590K集成温度传感器[2,8~12]。
从Cu100铜热电阻的技术参数可以看到，其测量精度可以到达0.1℃，而且在赛题所要求的测量温度范围内线性特性良好。利用电桥电路和运算放大器可以方便的将温度变化转换为电压变化。
AD590K集成温度传感器的测温精度为±0.3℃，测温重复性优于±0.1℃，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿（软件插值算法），可以达到±0.1℃测量精度。注意：由于AD590K的测温精度为±0.3℃，利用软件插值算法进行补偿，温度传感器的标定过程是必不可少的（温度-电压值对应关系）。
（2）光电传感器
光电传感器品种繁多，有红外发光二极管（LED）；光电接收二极管、光电接收三极管、阻挡弱光的光电三极管、光电接收达林顿管、光电施密特接收管、反射式光电组件、光电施密特对射组件、对射式编码检测器和条型码传感器等。光电接收器有光电接收二极管、光电接收三极管、阻挡弱光的光电三极管、光电接收达林顿管、光电施密特接收管等。光电传感器的种类繁多，生产厂商也很多，以“光电传感器”为关键词，可以在相关网站查询到大量的资料。
在控制类的12个赛题中，与电动小车有关的有7题[1]。光电传感器是控制类赛题中应
用最多的传感器，主要有反射式红外光电传感器（如RPR220、ST188、TCRT5000等）、光敏三极管、光敏电阻等。
可以利用反射式光电传感器进行障碍物的检测，如在“自动往返电动小汽车（2001年C 题）”中的应用。用于障碍物的检测的反射式光电传感器也称为红外避障传感器。红外避障传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到微控制器，微控制器可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。
在与电动小车有关的赛题中，反射式红外光电传感器多用在小车运动导引黑线检测，由于黑物体和白物体的反射系数不同，调节反射式光电传感器与检测对象之间的距离，使光敏三极管就只能接受到白物体反射回来的光束。而对于黑物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接受到反射光。利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。
红外反射式光电传感器可以采用发光二极管和光敏二极管（光敏三极管）组成的发射-接收电路模块，没有调制的反射式红外发射-接收器，脉冲调制的反射式红外发射-接收器。环境干扰产生的主要是直流分量，采用脉冲调制的反射式红外发射-接收器，可以有效提高信噪比，减少环境干扰。为提高黑线检
测的准确性，可以采用3组反射式红外光电传感器组合进行检测。小车车速的检测可以采用红外反射式光电传感器与码盘或者鼠标的光栅轮配合来检测电机的转速来实现[3~12]。
在“液体点滴速度监控装置（2003年F题）”中，对射式的红外光电传感器用来检测点滴的速度[4]。
在“简易智能电动车（2003年E题）”中要求小车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。利用多只光敏三极管组成光源探测器，用来判断光源的位置，引导小车进库[4]。光源探测电路的功能主要是引导小车朝光源行驶，使小车具有追踪光源的功能。由于光源会发出光线和热量，可以采用光敏二极管（或者光敏三极管）传感器和热释电传感器实现追踪光源的功能。但光敏传感器构成的检测电路简单。
在“模拟路灯控制系统（2009年I题）【高职高专组】”中光敏电阻用来检测环境光照的变化，实现路灯的控制[7]。
（3）超声波传感器
超声波传感器可以用来测量距离，探测障碍物，区分被测物体的大小。在与电动小车有关的赛题中，超声波传感器主要用来测距和避障[3~12]。如在“简易智能电动车（2003年E题）”超声波传感器用来检测行进中的两个障碍物，在“智能小车（2011年C 题）【本科题】”超声波传感器用来检测行进中的两个小车的距离。
超声波传感器的种类繁多，生产厂商也很多，以“超声波传感器”为关键词，可以在相关网站查询到大量的资料。常用的普通型的超声波传感器有T/R-40-XX系列、UCM-40-T/R、MA40EIS/EIR等超声波传感器，其外形、尺寸及特性基本类似。也有精密型的超声波传感器，如美国Honeywell生产的900系列超声波精密接近传感器，发射距离从100～6000（mm），声波发射角为5.9～236º，重复精度为±1mm～±5mm或测量距离的0.3%，工作电压范围为10～30V，具有数字和模拟输出形式，可在液位或料位控制、装瓶或装罐时的液位控制、工件的有/无检测、高度/宽度测量、距离测量等领域应用。
超声波检测装置包含有一个发射器和一个接收器。发射器向外发射一个固定频率的声波信号，当遇到障碍物时，声波返回被接收器接收。电路结构形式多样[3~12]。
为了方便使用，目前有一些生产厂商能够提供成品的超声波测距模块，以“超声波测距模块”为关键词，可以在相关网站查询到超声波测距模块的资料。
（4）倾角传感器
假山的堆叠倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重
力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面，可以直接输出角度等倾斜数据[6,8~12]。
在“电动车跷跷板（2007年F题）【本科组】和（2007年J题）【高职高专组】”赛题中需要使用倾角传感器（如MSIN-LD60倾角传感器、SCA103T、SCA60C 、SCA61T 等）。倾角传感器的种类繁多，有单轴倾角传感器、双轴倾角传感器模、高精度倾角传感器、倾角开关、倾角传感器芯片、倾斜度传感器、无线倾角传感器、倾斜度倾角模块等，生产厂商也很多，以“倾角传感器”为关键词，可以在相关网站查询到大量的资料。防水防漏电插座
（5）角度传感器（角度位移传感器）
角度位移传感器实际是一个高精度导电塑料电位器（如WDJ36-1、WDD35S、WDD35D-4等）。例如，WDJ36-II 5K角度位移传感器的线性精度为0.1%，阻值变化范围为0.5-10kΩ，阻值公差为±15%，独立线性精度为±0.1%，理论电气转角为345°±2°，机械转角为360°(连续)，寿命为3000万次，功率为2W(70℃)，电阻温度系数(ppm/℃)为<±400，工作温度范围为-55℃~125℃。外径尺寸为36.5mm，轴径为6mm。
旋转角度传感器转轴时，其电阻值随之改变，当转轴转动360°后，电阻值与旋转前的相等。因此可通过读取电阻值的大小来计算旋转的角度，也可利用ADC采样将电阻值转换为电压值来判断旋转角度。
在“基于自由摆的平板控制系统（2011年B 题）【本科组】”、“帆板控制系统（2011年 F 题）【高职高专组】”赛题中需要使用角度位移传感器。在“电动车跷跷板（2007年F题）【本科组】和（2007年J题）【高职高专组】”赛题中，利用摆锤原理进行平衡检测的设计方案中需要使用角度位移传感器[6,8~12]。
（6）音频信号检测
在“声音引导系统（2009年B题）【本科组】”赛题中，声音导引系统有一个可移动声源S，3个声音接收器A，B和C，声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离Ox线（或O’y线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。
音频信号检测电路模块是其重要的组成部分。电路主要由采样部分、放大部分和解码部分组成，设计方案有：驻极体电容话筒+LM393比较器，驻极体电容话筒+555定时器，驻极体电容话筒+ LM358+LM567等形式。例如，驻极体电容话筒+ LM358+LM567电路中，驻极体电容话筒MK1采样声音，经LM358放大后输入到LM567，LM567锁相输入的音频信号并进行解码，在LM567输出方波信号，输出的方波信号可以直接连接到微控制器中断输入端。
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3. 历届“控制类”赛题中所用到的微控制器
根据历届赛题的要求来看，赛题没有专门指定需要使用哪一种微控制器，单片机、FPGA、ARM（嵌入式微处理器）、DSP在控制类赛题中都有应用[3~12]。但赞助公司不同，通常会在个别赛题中指定使用一种该公司提供的芯片，例如：2009年NEC赞助时，指定了电
机控制芯片（2009年声音导引系统(B题)）。
（1）单片机
单片机是大学生电子设计竞赛中应用最多的微控制器，从往届获奖作品中来看，有各种不同型号的单片机在作品中被使用，如：AT89C52、AT89S51、AT89S52、MSP430F1611、MSP430F2274、Atmega128、PIC16F628A、ADuC841、C8051F022、W78E51B等等。
根据竞赛要求，单片机（包括FPGA、ARM、DSP）最小系统是可以采用成品板的，通常在赛题要求中会对其提出一些限制性的要求，如“最小系统”主要包含单片机、ADC、DAC、存储器等。
随着新技术新器件的出现，2009年全国大学生电子设计竞赛全国专家组讨论认为竞赛涉及的“最小系统”内涵应随着技术发展而变化，对于这个问题要本着与时俱进的原则，可以通过竞赛命题具体的约束条件予以调控。责任专家们建议不宜统一给出明确的“最小系统”定义，这样可能会限制学生、束缚命题，
但也必须以合适的方式及早向社会表明专家组的基本态度，如竞赛命题对今年的竞赛作品将增加“性价比”与“系统功耗”指标要求，以此方式间接调控参赛学校对准备“万能化”竞赛装置的攀比追逐。在命题要求中引入“性价比”指标要求，这项建议对于调控“最小系统”使用具有积极作用。本着节能原则，专家提出设计作品应有“系统功耗”的指标要求。“系统功耗”是“性价比”的某一量化评测指标，增加这两项指标要求，得到了专家们的普遍首肯。（www.nuedc/news.asp）根据增加的“性价比”与“系统功耗”这两个指标的要求，设计时应根据赛题需要选择合适的单片机（包括FPGA、ARM、DSP）最小系统，采用不同的最小系统满足设计要求。（2）FPGA
FPGA是现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array)的简称，目前世界上有十几家生产CPLD/FPGA的公司，其中最大的三家是：Altera，Xilinx，Lattice，其中Altera和Xilinx占有了60%以上的市场份额，能提供器件的种类非常丰富。
FPGA有集成度高、体积小、灵活、可重配置等优点，在控制系统中得到了越来越广泛的应用。FPGA器件选型应注意的一些问题有：
z选择主流器件（Xilinx公司、Altera公司、Lattice公司和Actel公司）
z根据应用要求选择器件（不同型号的FPGA适合不同的应用范围，需要根据设计要求选择）
z能够获得开发工具的支持（Xilinx，Altera，Lattice，Actel等公司都可以提供了优秀的开发工具）
z选择器件的硬件资源（硬件资源包括逻辑资源、I/O资源、布线资源、DSP资源、存储器资源、锁相环资源、串行收发器资源和硬核微处理器资源等）
z注意器件的电气接口标准
z选择器件的速度等级（注意：在满足应用需求的情况下，尽量选用速度等级低的器件）z选择器件的温度等级、封装、价格
z选择成品的开发板（在电子设计竞赛中，对于初学FPGA的学生来说，选择成品的FPGA 开发板是一个不错的选择，有不少的厂商可以提供可用于电子设计竞赛的FPGA开发板，例如康芯公司的电子竞赛板KX-DVP3F，达尔EDA实验室的DL2C58等等）。（3）ARM（嵌入式微处理器）
近年来，嵌入式系统在控制类赛题中也有使用，而且逐年增多，如：ARM LPC2138、ARM LPC2132、STM32F 32位闪存微控制器等。但基本上没有使用操作系统，而是直接在芯片级进行开发，对内部的寄存器、接口等进行编程控制。
要选择好一款适合的嵌入式微处理器，需要考虑的因素很多，除了考虑硬件接口以外，还需要考虑与其相关的操作系统、开发软件的支持、配套的开发工具、仿真器和资料，以及
使用者对该微处理器的了解程度、工作经验等。
目前国内有许多公司生产ARM（嵌入式微处理器）开发板，并且能够提供相关的开发工具与参考资料，对于参加电子设计竞赛的初学者而言是一个正确的选择。
（4）DSP
近年来，DSP系统在控制类赛题中也有使用，但很少，如：TM320LF240A等。但基本上是直接在芯片级进行开发，对内部的寄存器、接口等进行编程控制。
DSP 的主要供应商目前主要有TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog 等公司，其中TI 占有最大的市场份额。DSP选型时主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、以及片内的资源（如定时器的数量、I/O 口数量、中断数量、DMA 通道数）等。
目前国内有许多公司生产DSP开发板，并且能够提供相关的开发工具与参考资料，对于参加电子设计竞赛的初学者而言是一个正确的选择。
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4. 历届“控制类”赛题中所用到的微控制器外围电路模块
硅片切割
（1）键盘及LED显示器
at89s52最小系统
键盘及LED显示器电路是最常用的输入和显示电路，通常根据控制系统需要设置键和LED显示器的多少。也有采用数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片（如ZLG7290B）构成的键盘及LED显示器电路[2~12]。
铅酸蓄电池组装例如，ZLG7290B能够直接驱动8位共阴式数码管（1英寸以下）或64只独立的LED；能够管理多达64只按键，自动消除抖动，其中有8只可以作为功能键使用；段电流可达20mA，位电流可达100mA以上；利用功率电路可以方便地驱动1英寸以上的大型数码管；具有闪烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能；提供有10种数字和21种字母的译码显示功能，或者直接向显示缓存写入显示数据；不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至1mA；与微控制器之间采用I2C串行总线接口，只需两根信号线，节省I/O资源；工作电压范围：＋3.3～5.5V；工作温度范围为－40℃～＋85℃；该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。
（2）汉字图形液晶显示器
汉字图形点阵液晶显示器也是最常用的显示器，通常采用带控制电路的显示器模块（如YM12864、RT12864M、FYD12864-0402B等）[2~12]。
例如，FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国家1级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128
个16×8点ASCII字符集。LCD显示类型为STN、半透和正显，显示内容128列×64行，显示颜为黄绿，电源电压范围为3.0～5.5V（内置升压电路，无需负压），配置侧部高亮白LED背光，功耗仅为普通LED的1/5—1/10。外观尺寸为93×70×12.5（mm），视域尺寸为73×39（mm）。
（3）触摸屏
触摸屏在“控制类”赛题中也获得应用。触摸屏多采用带控制器的触摸屏模块。
例如，北京迪文科技有限公司生产的DMT32240S035_01WT触摸屏，其分辨率为
320×240，工作温度范围为－20℃～+70℃；工作电压范围为5～28V，功耗为1W；12V时，背光最亮和背光熄灭时的工作电流分别为90mA和50mA。该模块共有33MB字库空间，可存放60个字库，支持多语言、多字体、字体大小可变的文本显示，还支持用户自行设计字库；96MB的图片存储空间，最多可存储384幅全屏图片，支持USB高速图片下载更新，图形功能完善；用户最大串口访问存储器空间为32MB，与图片存储器空间重叠；支持触摸屏和键盘，并具有触摸屏漂移处理技术；同时还内嵌拼音输入法、数据排序等简单算法处理。触摸屏模
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