电子设计大赛控制类题目汇总

电子设计大赛控制类题目汇总

·控制类的题目均要注意外界的干扰。要采取一定的屏蔽措施。 ·涉及到电机时要考虑控制部分和电机部分，分开供电。双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路完全隔离，利用光电耦合传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。

·掌握各种算法。

第三届（1997年）

C题 水温控制系统

一、任务

设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。

二、要求

1．基本要求

（1）温度设定范围为40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。

（2）环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用十进制数码管显示水的实际温度。

2．发挥部分

（1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。

（2）温度控制的静态误差≤0.2℃。

（3）在设定温度发生突变（由40℃提高到60℃）时，自动打印水温随时间变化的曲线。

三、评分意见

四、说 明

(1)加热器用1千瓦电炉。

(2)如果采用单片机控制，允许使用已右的单片机最小系统电路板

(3)数码显示部分可以便用数码显示模块。

(4)测量水温时只要求在容器内任意设置一个测量点。

(5)在设计报告前附一篇400字以内的报告摘要。

赛题分析：

一、赛题要点：

水温的范围 水温调节的误差 水温变化的速度 打印水温变化的曲线

二、参考设计方案

1、水温的测量。温度传感器（参考型号AD590K）

2、加热水。用脉冲移相触发可控硅来调节加热丝有效功率。

3、控制算法。采用分段非线性加积分分离PI算法进行温度控制。

模糊控制算法

三、一些设计中的创新

1、加入报警装臵，当温度变化过大时，报警。

2、通过键盘在线打印曲线与数据。

3、加入语音模块。

四、设计中的注意事项

若采用1000w电炉加热1L水，控制对象的数学模型难以准确确定，所以要通 过实验总结其控制特性，以确定控制算法的各项参数。

第五届（2001年）

C题 自动往返电动小汽车

一、任务

设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。允许用玩

具汽车改装，但不能用人工遥控（包括有线和无线遥控）。

跑道宽度0.5m，表面贴有白纸，两侧有挡板，挡板与地面垂直，其

高度不低于20cm。在跑道的B、C、D、E、F、G各点处画有2cm宽

的黑线，各段的长度如图1所示。

二、要求

1．基本要求

（1）车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达

终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。

（2）到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏

差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差

的测量值）。

（3）D～E间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间

不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。

2．发挥部分

（1）自动记录、显示一次往返时间（记录显示装置要求安装在车

上）。

（2）自动记录、显示行驶距离（记录显示装置要求安装在车上）。

（3）其它特色与创新。

三、评分标准

四、说明

（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检测装置。

（2）车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：长度

≤35 cm，宽度≤15cm。

（3）必须在车身顶部明显标出车辆中心点位置，即横向与纵向两

条中心线的交点。

赛题分析

一、题目要点

1、要求往返一次的时间最短，中间有限速区，接近终点也要减速，故要时时对小车的速度进行调整。

2、限速区低速通过，接近终点要减速。故要准确判断加速减速的区域，即要精确定位。

3、前轮方向要有纠偏装臵，防止小车撞到挡板。

4.、车速、行驶距离要显示。

二、参考设计

1、控制系统。采用两片单片机分工协作。

2、车速和距离的检测。检测仪器应安装在前轮。因为后轮刹车时易打滑和反转。断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其臵于固定轴上，再在车轮上均匀地固定多个遮光条。让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的计数，对速度进行测量。开关式霍尔传感器。该器件内部由三片霍尔金属相组成，当磁铁正对金属板时，出于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片、而将霍尔集成片安装固定在轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。光电码盘。

3、路面黑线检测。脉冲调制的反射式红外发射—接收器光电传感器。传感器的放臵位臵可以使小车底部的前中后，也可以是小车前面。根据不同的位臵，采用不同的算法分析。

4、停车方案。满速前进，临近终点反向制动．到终点后再反向制动断电即停。

5、限速方案。反向制动-----正向驱动-----反问驱动------正向驱动的循环驱动过程。该方案通过单片机精确的驱动信号，使反向制动时间小于正向驱动时间，以达到小车总体向前缓速前进。

6、避免小车碰壁的方案。超声波传感器。超声波传感器可以给CPU提供足够精确的位臵信息，使得CPU可以根据该信息精确调整小车的运行方向和状态，使小车在运行时达到最小的横向抖动。单片机根据发射和接收到超声波的时间差判断小车离挡板的长度，根据这个数据发出前轮左转、右转或保持方向的指令．从而实现自动校正行车路线，少撞墙而快速地往返。光电传感器完成对左

右挡板的检测。同时为了减小车与挡板相撞时的摩擦，可以在车体的四个角加装四个小滑轮。

三、设计中的亮点

1、加入语音模块。

2、可以用实验的方法确定脉冲宽度的工作频率。

3、加装车灯，指示行驶状态。

4、刹车时，加入自动防抱死（ABS）环节。

第六届（2003年）

简易智能电动车（E题）

一、任务

我设计并制作一个简易智能电动车，其行驶路线示意图如下：

二、要求

1、基本要求

（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B

点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为

15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时需立即发出声

光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。

（2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可

脱离圆弧引导线到达C点）。C点下埋有边长为15cm的正方形薄

铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，

停车期间发出断续的声光信息。

（3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电

动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。

（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90

秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。

2、发挥部分

（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心

线）至起跑线间的距离。

（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车

的车身完全进入车库。

（3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。

（4）其它。

三、评分标准

四、说明

1、跑道上面铺设白纸，薄铁片置于纸下，铁片厚度为0.5～1.0mm。

2、跑道边线宽度5cm，引导线宽度2cm，可以涂墨或粘黑色胶带。示意图中的虚线和尺寸标注线不要绘制在白纸上。

3、障碍物1、2可由包有白纸的砖组成，其长、宽、高约为50cm

12cm 6cm，两个障碍物分别放置在障碍区两侧的任意位置。

4、电动车允许用玩具车改装，但不能由人工遥控，其外围尺寸（含车体上附加装置）的限制为：长度≤35cm，宽度≤15cm。

5、光源采用200W白炽灯，白炽灯泡底部距地面20cm，其位置如图所示。

6、要求在电动车顶部明显标出电动车的中心点位置，即横向与纵向两条中心线的交点。

赛题分析

一、题目要点

1、小车的尺寸限制。

2、全程行驶时间限制，弯道速度要适宜。

3、检测到薄片且能显示金属薄片到起跑线的距离。

4、在C处停留5秒，停车期间发出断续的声光信息计时。

5、停车后，显示全程行驶时间。

6、注意到障碍物高6厘米，而光源高20厘米。

二、参考设计

整个系统可以分为以下几个模块：

线路跟踪 金属检测 光源检测 避障电路 路程计算模块

1、路程计算。光电传感器霍尔开关（霍尔传感器）

2、线路跟踪。脉冲调制的反射式红外发射接收对管。启动时，小车跨骑在黑线上。两个红外发射接收对管，分别安装在黑线的两侧的白色区域，输出为低电压，当走偏，位于黑线上时，输出为高电压。因黑线较窄（2cm），为及时调整车的方向，选择比较器的阀值为2.5v，即黑白相间的位臵，即开始调整。光电传感器。用三只光电开关。一只臵于轨道中间，两只臵于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当臵于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。色标传感器。在小车的中部平行装有两个色标传感器，采用查询检测的方法对黑线进行检测

3、金属检测。电感式接近开关。当金属物体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速作出反应

金属探测传感器（涡流型铁金属探测传感器，参考型号LJ18A3-Z/BX）

4、光源检测。光敏电阻（光敏传感器）。只用三到五只光敏电阻就可以达到目的，只是因其对光非常敏感，所以必需为每只光敏电阻加上黑色隔离板。在各光敏电阻间用隔板隔开如此摆放可以很好的解决探测光源方位的难题，从而正确控制小车的转向．当小车行驶方向朝向光源时，中间电阻阻值为低，当小车偏移光源方向时，由于光敏电阻间挡板的遮拦作用，两侧的电阻定有一侧为低。参考摆放位臵如下图

5、避障电路。注意到障碍物高6厘米，而光源高20厘米。故设计避障电路时，可以先寻找光源，当找到光源后，再检测障碍物，调整前进方向。这样做，可以节省时间。

超声波测距。采用超声波传感器探测障碍物。超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车方向，以控制小车准确的绕过障碍物。反射式红外传感器采用试验的方法，确定一条比较精确的路线，让单片机记住（通用性差，但节省时间）

三、设计中的一些亮点发挥

1、因为涉及的模块比较多，故要用多片单片机协作工作。最好增加一个时钟模块，统一系统时间。

2、软件降温。在长转弯过程中通过设臵前端转向电机间隙停转以达到降温的目的。

3、弯道要减速。

4、增加车顶彩灯等装饰，更加人性化。 附：参考元件安装方位

第七届（2005年）

悬挂运动控制系统（E题）

一、任务

设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角≤100度）的板上运动。在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm×100cm。物体的形状不限，质量大于100标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图如下。

二、要求 1、基本要求：

（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；

（2）控制物体在80cm×100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成； （3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；

（4）物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40cm)。 2、发挥部分

（1）能够显示物体中画笔所在位置的坐标；

（2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动(见示意图)，曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm～1.8cm，总长度约50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约30cm；后一部分是两段总长约20cm的间断线段，间断距离不大于1cm；沿连续曲线运动限定在200秒内完成，沿间断曲线运动限定在300秒内完成； （3）其他。 三、评分标准

四、说明

1、物体的运动轨迹以画笔画出的痕迹为准，应尽量使物体运动轨迹与预期轨迹吻合，同时尽量缩短运动时间；

2、若在某项测试中运动超过限定的时间，该项目不得分； 3、运动轨迹与预期轨迹之间的偏差超过4cm时，该项目不得分； 4、在基本要求(3)、(4)和发挥部分(2)中，物体开始运动前，允许手动将物体定位；开始运动后，不能再人为干预物体运动；

5、竞赛结束时，控制系统封存上交赛区组委会，测试用板(板上含空白坐标纸) 测试时自带。

赛题分析： 一、题目要点

要求概述： 寻点画线 画圆 画一般曲线 寻轨 1、板是倾斜的，则在考虑物体的运动时只考虑一边即可。 2、悬挂物体的质量>=100g，要考虑电机的功率是否满足。

3、各种运动均有时间限制，则要考虑控制系统的运算速度是否能够满足。 4、因为涉及平面上的运动，画直线、圆等，要多多结合数学知识。 二、设计系统时的注意事项：

1、误差的分析与补偿。误差来源有，电动机的惯性、绳子的收缩、坐标的计算等。补偿方法有多次测量后修改程序中的参数，通过程序修正；选用材料时使用到对系统影响小的；采用更优的算法。

2、电机的保护。可以在L298N外围接续流二极管，保护电机。 3、考虑光电传感器的灵敏度问题，加比较器，使输出一致。 三、设计参考 1、寻点画线

采用数学上的坐标间的关系，计算出两条绳子收放的长度，进而转换为步进电机的转数。 2、画圆

采用多边形逼近方法，等分圆周，计算出每一点的坐标值，利用画直线的方法画每一小段。

也是分割的思想，不过是分割圆的转角，一般以1°为单位分割，计算从起点到终点每隔1°的点的直角坐标。 3、寻迹

采用红外对射光电传感器检测黑色轨迹，安装于物体的边上。 采用红外对射光电传感器检测黑色轨迹，安装于物体的底部。 寻迹的算法，根据传感器位臵的不同，采用不同的算法。 4、利用光电耦合器隔离控制部分和电动机电路。 5、画图时可采用逐点逼近的方法，减小误差。 6、设计的一些特点，发挥 加入语音提示

利用视频识别采集黑线信息

LED的亮灭提示两电机的工作状态。

加入电机测速模块，尽量通过算法使两电机同时完成转动，这样画出的曲线更光滑。

第八届（2007年）

小车跷跷板（F题）

一、任务

设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图1和图2所示。

二、要求

1.基本要求

在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：

（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近； （2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平

衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；

（3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车

头距跷跷板末端B不大于50mm）；

（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程； （5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动

车行驶所用的时间。 2.发挥部分

将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动： （1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图3所示：

（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；

（3）将另一块质量为电动车质量10％～20％的块状配重放置在A至C间指

定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；

（4）电动车在3分钟之内完成（1）～（3）全过程。 （5）其他。

三、说明

（1）跷跷板长1600mm、宽300mm，为便于携带也可将跷跷板制成折叠形式。 （2）跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上，轴两端支撑在支架

上，并保证与支架圆滑接触，能灵活转动。 （3）测试中，使用参赛队自制的跷跷板装置。

（4）允许在跷跷板和地面上采取引导措施，但不得影响跷跷板面和地面平整。

（5）电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长≤300mm，宽≤200mm。

（6）平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=∣d∣不大于40mm。 （7）整个行程约为1600mm减去车长。 （8）测试过程中不允许人为控制电动车运动。

（9）基本要求（2）不能完成时，可以跳过，但不能得分；发挥部分（1）

不能完成时，可以直接从（2）项开始，但是（1）项不得分。

赛题分析

一、题目要点以及实现时的注意点

1、从A点出发到C点附近，有时间的限制，最小平均车速应该在750mm/30S=25mm/S以上。

2、寻找平衡点有时间的限制，故平衡点的判断方法要简单方便，同时还要求控制系统对信息的处理速度要快。

3、电动车找到平衡后还要保持平衡5秒以上，要注意防止跷跷板的抖动。 4、电动车行驶到B点后要停留，此时要注意小车不能掉下来。因此要记录位臵。

5、小车的重量以及配重的重量均要适当选择。 二、设计参考

1、驱动方式的选择。因为有速度的要求而且在平衡点附近要精确定位，要有减速机构。可选择的电机有连续旋转伺服电机、直流减速电机、步进电机。 2、平衡检测的选择。可选用单轴倾角传感器（参考型号SCA60C）可将传感器固定在小车上，并在轴上挂一个重锤。由于地球引力，重锤竖直向下，当小车行驶时，随车体倾斜位臵变化，角度传感器输出也会有相应的变化，即可测出倾角。由于小车行驶时，重锤会有一定的摆动，要采用软件滤波。选用Accustar电子倾角传感器。电子倾角传感器是基于液态电容原理、无可动部件的敏感器件。当绕其灵敏轴旋转时，器件的电容值发生线性变化，通过电子线路将其转化为角度值输出，其精度比较高。

3、发挥部分的寻迹，采用光电传感器反射式红外线传感器CCD摄像头 4、定位测距。采用光电开关（参考型号TCST1030）和安装在车轮上的码盘实现计数进行测距。可采红外对管和编码盘。将一个转上孔的编码盘固定在转轴上，然后由红外对管检测编码盘的孔对红外线的阻通。通过在单位时间对其计

数可计算出车辆行驶的瞬时速度，累计开关信号可以计算出小车行驶的距离。 5、控制算法的选择。PID算法模糊控制算法仿人工智能算法 三、设计中的一些亮点

1、数字滤波。单片机通过ADC采集到的角度信号是离散的，由于电机的控制脉冲，会对电子角度传感器产生干扰，所以采用数字滤波的方法进行数据处理。常见的数字滤波方法有程序判断法、中值滤波法、算数滤波法、加权平均滤波法、滑动平均值滤波法、低通滤波发和中位臵滤波法。 2、加入语音模块，更加人性化。 3、主从单片机分工协作。