第九届“恒拓”杯题目.doc

1. 电池逆变电路的制作 难度系数：1.2 一、任务 设计并制作输入电压为 30V，输出电压为 36V 的单相正弦波逆变电源，负载为阻性。 输入部分由五节 18650 型，容量为 2000-3000mah 的电池通过 DC-DC 升压电路实现，结 构框图如下图所示。 电 池 组 ＤＣ－ＤＣ Ｕ１ 变换器 滤波器 ＤＣ／ＡＣ Ｕ２ 变换器 Ｕ３ Ｒ 图 1 电池逆变器示意图 二、要求 1．基本要求 （１）电池放电，使Ｕ２＝３０±０．５Ｖ，ＤＣ－ＤＣ变换器的效率 η≥９５％； （２）在额定输入电压 U２=30V 下，输出电压 U３=36±1V，频率 fO  50 0.5Hz， 额定满载输出功率 50W； （３）输出正弦波电压，THD≤3%； （４）满载情况下，逆变效率h ≥７０%； （５）具有输入过压、欠压保护功能，欠压保护点 9±0.5V，过压保护点 16±0.5V。 当满足过压、欠压条件时，关闭输出。 2．发挥部分 （1）进一步提高逆变器效率，η≥８０%； （2）输出正弦波电压 THD≤1%； （3）输出过流保护功能，动作电流 Io=1.6±0.1A。； （4）具有输出短路保护功能，可自恢复，具有工作及保护指示； （5）其他。 三、说明 1. 2. 3. 4. 5. 不得使用电源类产品改制，不得采用各种电源和逆变模块，不得采用各类集成功 率放大电路； 不得采用 SPWM 专用芯片； 注意作品制作工艺，留出测试端口； 尽可能降低制作成本； 测试开始后，不允许对电路进行任何调整。 四、评分标准 项 设计 报告 基本 部分 发挥 部分 目 主要内容 满分 系统方案 比较与选择；方案描述 10 理论分析与计算 信号发生原理；信号频域分析原 理；采样频率的设定依据 10 电路与程序设计 主控制器电路 模拟电路 ；程序设计 15 测试方案与测试结果 测试方案及测试条件 测试结果完整性；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 5 总分 50 完成第（1）项 10 完成第（2）项 21 完成第（3）项 10 完成第（4）项 6 完成第（5）项 3 总分 50 完成第（1）项 12 完成第（2）项 12 完成第（3）项 12 完成第（4）项 9 完成第（5）项 5 总分 50 2. 程控 DC/DC 升压电源 难度系数：1.2 一、任务 设计并制作一个程控 DC/DC 升压电源，其结构框图如图 1 所示： 显示电路 输入 输出 DC/DC 按键 控制电路 图 1 程控 DC/DC 升压电源原理框图 二、要求 1．基本要求 (1) 基本规格： 输入电压：+5V/DC 输出电压：+6V/DC ~ +12.0V/DC。 (2) 基本技术指标：  输出电压分 10 档，从+6V 到+10.5V，步长 0.5V。即(6, 6.5, 7,7.5, 8, 8.5, 9,9.5, 10,10.5)；  能用“+”、“-”键操作控制输出电压的步进或步减；  效率：≥70% (以输出+9V,1A 测试为准)；  最大输出电流：2A；  输出电压纹波：≤100mV (以输出+9V,1A 测试为准)。 (3) 用 LCD 显示输出电压； (4) 可用按键开启/关闭输出电压（此时不能用输入或输出开关切换）； (5) 具有输出记忆功能，当切断电源供电，重新开启后，输出电压保持不变。 2. 发挥部分 (1) 输出电流步进功能，从 0mA~2A，步进 1mA；电流用 LCD 显示； (2) 提高电路效率：≥85% (以输出+9V,1A 测试为准)； (3) 具有限流功能，当输出电流≥2A 时，能自动切断输出供电； (4) 其它创新功能。 三、评分标准 项 设计 报告 基本 部分 发挥 部分 目 主要内容 满分 系统方案 比较与选择；方案描述 10 理论分析与计算 信号发生原理；信号频域分析原 理；采样频率的设定依据 10 电路与程序设计 主控制器电路 模拟电路 ；程序设计 15 测试方案与测试结果 测试方案及测试条件 测试结果完整性；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 5 总分 50 完成第（1）项 15 完成第（2）项 15 完成第（3）项 10 完成第（4）项 10 完成第（5）项 10 总分 60 完成第（1）项 20 完成第（2）项 10 完成第（3）项 5 完成第（4）项 5 总分 40 四、说明 1、DC/DC 电路选择开关工作模式，可灵活选择具体方案； 2、测试时可以用电阻负载； 3、控制电路部分也可灵活选择，最好用单片机作控制，并实施电源管理。 3. 智能开门锁 难度系数:1.2 一、任务 设计并制作一个智能开门锁，包括以下八种开锁模式，刷卡解锁、激光密码锁、手 势解锁、二维码解锁、动态口令解锁、九宫格解锁、指纹解锁、防撬功能。 二、要求 1. 基本要求 （1）刷卡解锁：用户只需将添加至信任列表的磁卡贴在刷卡口成功扫描(红灯亮起) 即可开锁； （2）激光密码锁：用户通过小巧的激光灯或是手机闪光灯在激光点阵上按照 APP 上随机更新的点阵密码进行点射，验证成功即可开锁； （3）手势解锁：用户只需将单手伸入一个带有 8*8 激光扫描点阵的盒子中做出事先 设置好的手势，识别成功即可开锁； （4）防撬功能：锁一旦经非上述开锁方式打开，即发送短信给用户手机，此时手机 震动且发出提示音报警。 2. 发挥部分 （1）二维码解锁：用户打开 APP，连接上蓝牙/wifi 之后，扫描对应二维码，弹出输 入密码框，输入正确即可解锁； （2） 动态口令解锁：系统每隔 3 分钟会更新一次密码，更新后的密码会实时显示在 手机 APP 上，输入正确即可解锁； （3） 九宫格解锁：用户手机在连接产品蓝牙/wifi 的前提下，解开手机屏幕九宫格锁 即可发送开锁指令； （4） 指纹解锁：用户只需将手指放在指纹检测口，系统会根据用户事先录入的 1-5 个指纹进行判断，匹配一致即可解锁。 三、评分标准 项 目 主要内容 整体方案设计 方案论证与设计 满分 15 方案比较 系统组成和理论计算 电路设计 设计报告 具体电路 15 测试数据完整性 测试结果 测试结果分析 10 摘要 正文结构完整性 报告要求 10 图表的规范性 基本部分 发挥部分 总分 50 完成第(1)项 15 完成第(2)项 15 完成第(3)项 15 完成第(4)项 15 总分 60 完成第(5)项 10 完成第(6)项 10 完成第(7)项 10 完成第(8)项 10 总分 40 4. 电能质量检测与漏电保护系统 难度系数：1.2 一、任务 系统主要包括智能开关节点、PC端两部分。智能开关安装在墙壁电力集线箱内，实 现电力参数（电压、电流、瞬时功率等）的测量。每个智能开关都装有具有路由功能的 设备，可以将数据和状态寻找最优路径发到PC端，PC端在上位机上进行远程监控和数 据分析。 二、要求 1. 基本要求 （1）自行选择低功耗电能计量芯片为电能检测提供测量，计量误差小于 0.1%； （2）漏电检测采用零序电流互感器， 漏电流经 I/V 转换、放大、 滤波和精密整流后送 MCU 的 ADC 获取； （3）利用上位机可实现对数据实时远程监控监控和处理； （4）设计开关本地集成漏电保护、过载保护、火灾预警等功能。 2. 发挥部分 （1）使用更加方便的手持设备来实时监测电能质量； （2）可实现对现场其他环境因素的实时监测。 三、评分标准 项目 方案论证与设计 主要内容 整体方案设计 方案比较 电路组成和理论 计算 满分 15 测试数据完整性 测试结果分析 报告要求 正文结构完整性 图表、公式规范性 总分 完成第（1）项 完成第（2）项 完成第（3）项 完成第（4）项 总分 完成第（1）项 完成第（2）项 总分 10 电路设计 15 设计报告 测试结果 基本部分 发挥部分 10 50 20 20 20 10 70 15 15 30 5. 精密测量放大器 难度系数:1.0 一、任务 设计并制作一个测量放大器，其系统结构如图 1 所示。测量放大器主要实现微信号的 测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微信号的放大，并要求放大器的 放大倍数可调以实现比较大的范围的被测信号的测量。 图 1 测量放大器系统结构示意图 二、要求 1．基本要求 （1）差模电压放大倍数 AVD＝1～500，可手动调节； （2）最大输出电压为±10V，非线性误差 ≤0.5％ ； （3）在输入共模电压+7.5V～－7.5V 范围内，共模抑制比 KCMR ≥105 ； （4）在 AVD＝500 时，输出端噪声电压的峰－峰值小于 1V； （5）通频带 10Hz~20KHz ； （6）直流电压放大器的差模输入电阻≥2mW（可不测试，由电路设计予以保证）。 2．发挥部分 （1）电源，设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。由单相 220V 交流电压供电。 交流电压变化范围为＋10％～－15％； （2）设计并制作一个信号变换放大器，将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失 真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号； （3）提高电路的共模抑制比； （4）差模电压放大倍数 AVD 可预置并显示，预置范围 1～1000，步距为 1，同时应满 足基本要求（1）中对共模抑制比和噪声电压的要求； （5）其它（例如改善放大器性能的其它措施等）。 三、说明 直流电压放大器部分只允许采用通用型集成运算放大器和必要的其它元器件组 成，不能使用单片集成的测量放大器或其它定型的测量放大器产品。 四、评分标准 项 目 主要内容 整体方案设计 方案论证与设计 满分 15 方案比较 系统组成和理论计算 电路设计 设计报告 具体电路 15 测试数据完整性 测试结果 测试结果分析 10 摘要 正文结构完整性 报告要求 10 图表的规范性 基本部分 发挥部分 总分 50 完成第（1）项 10 完成第（2）项 15 完成第（3）项 10 完成第（4）项 5 完成第（5）项 15 完成第（6）项 5 总分 60 完成第(1)项 5 完成第(2)项 10 完成第(3)项 15 完成第(4)项 10 总分 40 6. 课堂无线点名答题器 难度系数:1.1 一、任务 设计一个课堂无线点名答题系统，能使老师准确的了解到上课学生的人数，缺勤情 况，并可以实现课堂答题，提高课堂效率。 二、要求 1. 基本要求 （1）点名答题器由教师终端和学生手持设备组成。教室按下点名键点名开始。在一分 钟时限内，学生按下点名按钮，完成点名。点名结束后在教师终端上显示上课人数； （2）显示缺勤学生的学号和数量； （3）点名时间可在 30 秒至 5 分钟范围内调整； （4）可进行选择题目的答题。并显示回答正确的人数。 2. 发挥部分 （1）具有存储功能可存储大量点名情况，并且保证信息断电不丢失； （2）具有抢答功能（老师在按下抢答按钮后，学生开始抢答，只在教师终端上显示最 先抢到的学生学号），以取代举手回答问题； （3）具有点名反馈功能（能让学生了解到自己是否已完成点名）； （4）具有防代点名及早退措施； （5）具有低功耗设计或其他保证续航能力的措施； （6）学生手持设备尽可能轻便小巧。 三、说明 （1）点名答题器应有适当的包装，禁止出现裸露电路板； （2）发挥部分第五条需要在论文中给出所用设计的可行性分析及测试数据。 四、评分标准 项 目 主要内容 整体方案设计 方案论证与设计 满分 15 模块方案比较 系统组成和理论计算 电路设计 设计报告 模块电路。 15 测试数据完整性 测试结果 测试结果分析 10 摘要 正文结构完整性 报告要求 10 图表的规范性 基本部分 发挥部分 总分 50 完成第（1）项 10 完成第（2）项 10 完成第（3）项 10 完成第（4）项 10 总分 40 完成第(1)项 10 完成第(2)项 10 完成第(3)项 10 完成第(4)项 10 完成第(5)项 10 完成第(6)项 10 总分 60 7. 数控直流电流源 难度系数:1.0 一、任务 设计并制作数控直流电流源。输入交流 200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。其 原理示意图如下所示。 显示器 键盘 电流源 控制器 负载 电 源 图 1 数控直流电流源示意图 二、要求 1、基本要求 （1）输出电流范围：0mA～2000mA； （2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值 的 1％+10 mA； （3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA； （4）改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输 出电流值的 1％+10 mA； （5）纹波电流≤2mA； （6）自制电源。 2、发挥部分 （1）输出电流范围为 0mA～2000mA，步进 1mA； （2）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显示电流的给定值和 实测值)，测量误差的绝对值≤测量值的 0.1％+3 个字； （3）改变负载电阻，输出电压在 10V 以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输 出电流值的 0.1％+1 mA； （4）纹波电流≤0.2mA； （5）其他。 三、评分标准 设计 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 10 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 10 电路与程序设计 电路设计；程序设计 10 调试方法与仪器；测试数据完整性；测 试结果分析 10 报告 测试方案与测试结果 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 10 总分 50 完成第（1）项 10 完成第（2）项 10 完成第（3）项 10 完成第（4）项 10 完成第（5）项 5 完成第（6）项 5 总分 50 完成第（1）项 5 完成第（2）项 20 发挥 完成第（3）项 15 部分 完成第（4）项 5 其他 5 总分 50 基本 要求 四、说明 1、需留出输出电流和电压测量端子； 2、输出电流可用高精度电流表测量；如果没有高精度电流表，可在采样电阻上测 量电压换算成电流； 3、纹波电流的测量可用低频毫伏表测量输出纹波电压，换算成纹波电流。 8. 无线环境监测模拟装置 难度系数:1.0 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； （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； （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）其他自定义的实用功能。 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，此项目不进行测试； 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 基本 要求 发挥 部分 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 10 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 10 电路与程序设计 电路设计；程序设计 10 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 10 总分 50 完成第（1）项 15 完成第（2）项 20 完成第（3）项 15 总分 50 完成第（1）项 20 完成第（2）项 15 完成第（3）项 10 其他 5 总分 50 9. 智能跟随小车 难度系数:1.1 一、任务 设计智能小车，利用蓝牙模块与手机的蓝牙匹配，并跟随持手机蓝牙设备运动。小 车能够在有障碍物环境中避障。 二、要求 1. 基本要求 （1） 小车能够与手机蓝牙匹配； （2） 小车能够始终跟随运动中的手机设备； （3） 小车在跟随过程中能够避开障碍物。 2. 发挥部分 （4） 丢失目标后能够给出语音或声光提示，并重新匹配，然后跟随； （5） 能够避开动态障碍物。 三、说明 1．可在教室环境中一人手持打开蓝牙功能的手机行走，让小车跟随； 2．在跟随过程中至少需有一次转弯行走； 3. 在跟随过程中可采用行人作为动态障碍物进行避障测试。 四、评分标准 项 目 主要内容 整体方案设计 模块方案比较 系统组成和理论计算 模块电路 测试数据完整性 测试结果分析 摘要 正文结构完整性 图表的规范性 方案论证与设计 电路设计 设计报告 测试结果 报告要求 基本部分 发挥部分 满分 15 15 10 10 总分 50 完成第（1）项 完成第（2）项 完成第（3）项 总分 完成第(4)项 完成第(5)项 总分 20 30 30 80 10 10 20 10.智能环保小车 难度系数:1.1 一、任务 设计基于半导体技术的智能环保小车。该系统主要利用半导体的热电变换技术进行 发电，进而驱动小车的运行。硬件功能包括显示、键盘、热电变换、驱动等功能；软件 模块有控制器模块，液晶屏显示，珀尔帖 PWM 控制、电机驱动模块。 二、要求 1. 基本要求 （1） 建立基于半导体技术的智能环保小车硬件系统； （2） 利用热水与环境的温度差实现热电发电； （3） 设计基本硬件电路，驱动小车的运行； （4） 显示小车的运行速度和发电量。 2. 发挥部分 （5） 控制小车按预定轨迹运行； （6） 实现小车的优化运行控制，如最短时间，最短路径等指标。 三、评分标准 项 目 主要内容 整体方案设计 方案论证与设计 模块方案比较 系统组成和理论计算 模块电路 测试数据完整性 电路设计 设计报告 测试结果 测试结果分析 满分 15 15 10 摘要 正文结构完整性 报告要求 10 图表的规范性 基本部分 发挥部分 总分 50 完成第（1）项 完成第（2）项 完成第（3）项 完成第（4）项 总分 完成第（5）项 完成第（6）项 总分 20 20 25 15 80 10 10 20 11.电动汽车自助充电系统设计 难度系数：1.3 一、任务 设计并制作电动汽车自助充电系统。该充电系统主要用于电动汽车自助充电使用， 包括自助充电桩和充电管理软件。系统完善后，可以用在高速服务站、商场超市停车场 等为远程使用电动汽车用户提供方便。自助充电桩按照国家标准，支持直流充电和交流 充电，两种充电方式。具备电量计量功能，能够计算电量，并根据设置单价，计算充电 费用。充电方式按照国标 GB/T20234 标准设计，具体要求，请参照国标信息。充电桩具 备 CAN 通信接口，通过 CAN 通信，多组充电桩组网后，和计算机充电管理软件连接。 充电管理软件实时监视各个充电桩工作状态，并进行计费、收费、会员管理等操作。 当充电桩出现故障时，或者充电完成时，充电管理软件能够自动识别，并发出提醒信息。 该设备尽可能的按照国标来完成制作，考察各选手对国标的理解情况，能否按照国 标要求完成设计和制作。在设计制作中，不得单独进行实验，设计成果必须具备必要的 安全保护设计，保证人员和设备的安全。CAN 通信要求至少三个节点组网，管理软件 根据功能完善性打分。充电测试，请各选手引出测试接口，现场测试充电信号，并自行 举证能够为电动汽车充电。 二、要求 1、基本要求 （1）具备相关的安全防护功能，进行相关的测试。自行举证； （2）能够使用充电桩直流充电接口为电动汽车充电，符合国标，自行举证； （3）能够使用充电桩交流充电接口为电动汽车充电，符合国标，自行举证； （4）电量计量准确，计费无误。 注：该文中自行举证部分，需要选手自行设计验证方式，通过现场测试或者视频、 图片展示的方式，证明该部分已经完成，并达到相关指标。 2、 发挥部分 （1）CAN 通信网络组网，能够和管理软件对接，实现远程管理； （2）充电完成提醒功能，完成充电时系统自动提醒； （3）能够实现快速充电； （4）其他发挥部分。 三、说明 1、争取实车实验，如果没有实车，请考虑设计电路，模拟汽车充电器实验； 2、电路形式不限，尽量少采用成品电路模块，自行设计。 四、评分标准 项 目 主要内容 整体方案设计 方案论证与设计 满分 15 方案可行性论证 系统组成和理论计算 电路设计 设计报告 模块电路 15 测试数据完整性 测试结果 测试结果分析 10 摘要 报告要求 正文结构完整性 10 图表的规范性 基本部分 发挥部分 总分 50 完成第（1）项 10 完成第（2）项 10 完成第（3）项 10 完成第（4）项 10 总分 40 完成第（1）项 15 完成第（2）项 15 完成第（3）项 20 完成第（4）项 10 总分 60