2018年TI杯大学生电子设计竞赛题

A题：电流信号检测装置（本科）

1．任务

如图1所示，由任意波信号发生器产生的信号经功率放大电路驱动后，通过导线连接10Ω电阻负载，形成一电流环路；设计一采用非接触式传感的电流信号检测装置，检测环路电流信号的幅度及频率，并将信号的参数显示出来。

10Ω任意波发生器功率放大电路电流检测分析电路 图1 电流信号检测连接图

2．要求

（1） 设计一功率放大电路，当输入正弦信号频率范围为50Hz~1kHz时, 要求流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，要求电流信号无失真。 （25分） （2） 用漆包线绕制线圈制作电流传感器以获取电流信号；设计电流信号检测分析电路，测量并显示电流信号的峰峰值及频率。 （15分） （3） 被测正弦电流峰峰值范围为10mA~1A，电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%。 （25分） （4） 任意波信号发生器输出非正弦信号时，基波频率范围为50Hz~200Hz，测量电流信号基波频率，频率测量精度优于1%；测量基本及各次谐波分量的幅度（振幅值），电流谐波测量频率不超过1kHz，测量精度优于5%。 （25分） （5） 其他。 （10分） （6） 设计报告 （20分）

项 目 系统方案

主要内容

方案描述、比较与选择

A-1

满分 4

理论分析与计算 电路设计

电流测量方法 谐波分量测量方法 电路设计

5 5 4 2 20

测试方案与测试结测试方案 果 测试结果完整性

测试结果分析

设计报告结构 摘要、报告正文结构、公式、图表的完整性和

及规范性 规范性

总分

3．说明

（1）为提高电流传感器的灵敏度，可用用漆包线在锰芯磁环上绕制线圈，制作电流传

感器。

（2）在锰芯磁环上绕N2匝导线，将流过被测电流的导线从磁环中穿过（N1=1），构

成电流传感器。

A-2

2018年TI杯大学生电子设计竞赛

B题：灭火飞行器（本科）

1．任务

基于四旋翼飞行器设计一个灭火飞行器（简称飞行器）。飞行器活动区域示意图如图1所示。在图1中，左下方的圆形区域是飞行器起飞及降落点；右侧正方形区域是灭火防区，防区中有4个用红色LED模拟的火源（火源用单只0.5W红色发光二极管来实现，建议LED电流不超过25mA）。飞行器起飞后从A处进入防区，并以指定巡航高度在防区巡逻；发现防区有火源，用激光笔发射激光束的方式模拟灭火操作；所有火源全部熄灭后，飞行器从B处飞离防区返航，返航途中需穿越一个矩形框。从起飞到降落的整个操作过程不得超过5分钟，时间越短越好。

500cm50cmB80cm400cm+50cm80cmA300cm图1 消防飞行器活动区域示意图

2．要求

（1） 飞行器从起飞地点垂直起飞升高到150cm±10cm的巡航高度。 （15分）

（10分）

（3） 飞行器发现防区内的火源后，飞往火源上方用上激光笔照射火源作为灭火；激光笔光斑在以火源为圆心、直径20cm圆形区域保持2秒及以上即视为灭火成功。

（30分）

（4） 飞行器从B处飞离防区。 （10分）

（2） 在起飞点的巡航高度上悬停15秒，然后以巡航高度从A处进入防区巡航飞行。

B-1

300cm（5） 返航途中飞行器需要穿过一个宽高为100×70cm的矩形框。 （15分） （6） 回到降落点上空，垂直下降，准确平稳地降落在降落点； （10分） （7） 整个飞行过程计时得分。 （10分） （8） 其他。 （10分） （9） 设计报告 （20分）

项 目 系统方案 设计与论证 电路及程序设计

主要内容

满分 3 5 7 3 2 20

方案描述、比较与选择 控制方法描述及参数计算

系统组成，原理框图与各部分电路图 系统软件设计与流程图

测试方案与测试结测试方案及测试条件

测试结果完整性 果

测试结果分析

设计报告结构 摘要、报告正文结构、公式、图表的完整性和

及规范性 规范性

总分

3．说明

（1） 参赛队使用飞行器时应遵守中国民用航空局的相关管理规定。

（2） 飞行器桨叶旋转速度高，有危险！请务必注意自己及他人的人身安全；操作者

需佩戴防护镜及防护手套。

（3） 飞行器可自制或外购，飞行器机身必须标注参赛队号；飞行器桨叶固定轴间最

大轴间距不超过50cm；飞行器必须带防护圈，否则不予测试。

（4） 以模拟火源的LED为圆心，画一个直径20cm的圆（边缘线宽不超过1mm），

以便观察灭火动作。

（5） 防区边缘有5cm宽黑色边框。 （6） 测试现场无阳光直射。

（7） 飞行器的旋翼的数量不少于两个。

（8） 飞行器的姿态检测及飞行控制必须使用TI 公司的处理器，例如C2000、

MSP432、TIVA M4、MSP430等。所有的电路板应方便评测专家检查芯片使用情况。

（9） 返航途中任意放置的矩形框宽100cm，高70cm；边框为黑色，边框宽度不大

于6cm，矩形框下边框距地面110cm；建议采用KT板、泡沫等轻质材料。 （10）起飞前，飞行器可手动放置到起飞点；起飞可手动控制，起飞后整个飞行过程

中不得人为干预；若采用飞行器外的启动或急停装置，起飞后必须立刻将装置交给评审专家。

B-2

（11）每次测试全程中不得更换电池；允许测试2次，两次测试之间允许更换电池，

更换电池时间小于2分钟。

（12）飞行器起飞及降落必须垂直进行，否则将酌情扣分；飞行器起飞后必须在指定

高度巡航，否则将酌情扣分。

（13）飞行器必须从指定位置进出巡航区，巡航灭火期间飞行器外缘偏离巡航区一个

机身以上将酌情扣分；飞行器必须从指定方向返回起飞点降落。

（14）飞行期间，飞行器触及地面后自行恢复飞行的，酌情扣分；触地后5s内不能

自行恢复飞行视为失败，失败前完成动作仍计分。

（15）平稳降落是指在降落过程中无明显的跌落、弹跳及着地后滑行等情况出现。 （16）为安全起见，可沿飞行区域四周架设安全网 （长500cm，宽400cm，高 200cm），

顶部无需架设。

B-3

2018年TI杯大学生电子设计竞赛

C题：无线充电电动小车（本科）

1. 任务

设计并制作一个无线充电电动车，包括无线充电装置一套。电动小车机械部分可采用成品四轮玩具车改制。外形尺寸不大于30cm×26cm，高度重量不限。

2．要求

（1）制作一套无线充电装置，其发射器线圈放置在路面。发射器采用具有恒流恒压模式自动切换的直流稳压电源供电，供电电压为5V，供电电流不大于1A。无线充电接收器安装在小车底盘上。每次充电时间限定1分钟。 （10分）

（2）制作一个无线充电电动车。电动车使用适当容量超级电容（法拉电容）储能，经DC-DC变换给电动车供电。车上不得采用电池等其他储能供电器件。 （10分）

（3）充电1分钟后，当电动车检测到无线充电发射器停止充电时，立即自行启动，向前水平直线行驶，直至能量耗尽，行驶距离不小于1m。 （20分）

（4）充电1分钟后，电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶，路面长度不大于1m，斜坡倾斜角度θ自定。综合多方因素设计，使电动车在每次充电1分钟后，电动车爬升高度h=lsinθ最大。式中l为小车直线行驶的距离。 （50分）

（5）其他。 （10分） （6）设计报告： （20分）

项目

方案论证 理论分析与计算 电路与程序设计 测试方案与测试结果 设计报告结构及规范性

主要内容

比较与选择，方案描述 系统相关参数设计

系统组成，原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图

测试结果完整性，测试结果分析

摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。

总分

5 5 2 20 满分 3 5

3．说明

（1）DC-DC变换建议采用TI公司TPS63020芯片。

（2）超级电容的容量可根据充电器在1分钟时间充入的电荷量及小车行驶所需电流、时间和重量等因素综合考虑。

（3）行驶距离以小车后轮触地点为定位点。倾斜坡度θ自定。

（4）测试时，要求小车先充电、放电运行数次。保证测试时，小车无预先额外储能。以保证测试公平性。正式测试允许运行两次，取最好成绩记录。违规车辆不予测试。

C-1

（5）无线充电电动车是一个比较复杂的工程问题，通过提高充、放电效率，减轻车重，优化电机驱动，适当选取超级电容（法拉电容）容量及路面倾斜角度θ等，提高电动车的爬升高度。

（6）通过设置直流稳压电源的输出电压为5V，最大输出电流为1A，确保发射器供电为5V，电流不大于1A。

（7）路面倾斜角度θ可以采用具有角度测量功能APP（如“指南针”）的手机，平放在斜 坡上测量。

C-2

2018年TI杯大学生电子设计竞赛 D题：手势识别装置 1．任务 基于TI公司传感芯片FDC2214设计制作一个手势识别装置，实现对猜拳游戏和划拳游戏的判决。该装置也可以直接使用FDC2214 EVM板，要求所使用的FDC2214芯片或者EVM板不得超过2块。 装置具有训练和判决两种工作模式。在判决模式下实验装置能对指定人员进行猜拳游戏和划拳游戏的判决。这里猜拳游戏的判决是指对手势比划“石头”、“剪刀”和“布”的判定，划拳游戏的判定是指手势比划“1”、“2”、“3”、“4”和“5”的判定。在训练模式下能对任意人员进行猜拳游戏和划拳游戏的手势训练，经过有限次训练后，能进行正确的猜拳游戏和划拳游戏的手势判决。 2．要求 （1）装置工作在判决模式下，能对参赛者指定人员进行猜拳判决，给出手势“石头”、“剪刀”和“布”的准确判决，要求每一次判决的时间不大于1秒。 （18分） （2）装置工作在判决模式下，能对参赛者指定人员进行划拳判决，给出手势“1”、“2”、“3”、“4”和“5”的准确判决，要求每一次判决的时间不大于1秒。 （28分） （3）装置工作在训练模式下，对任意测试者进行猜拳的手势训练，每种动作训练次数不大于3次，总的训练时间不大于1分钟；然后切换工作模式到判决模式，对被训练的人员进行猜拳判决，要求每一次判决的时间不大于1秒。（21分） （4）装置工作在训练模式下，对任意测试者进行划拳的手势训练，每种动作训练次数不大于3次，总的训练时间不大于2分钟；然后切换工作模式到判决模式，对被训练的人员进行划拳判决，要求每一次判决的时间不大于1秒。 （29分） （5）其他。 （ 4分） （6）设计报告。 （20分） 项 目 主要内容 分数 D-1 系统方案 比较与选择，方案系统描述，方案理论分析与计算 6 4 6 4 20 电路与程序设计 系统原理图和各个部分原理图；系统软件流程图 测试方案与测试测试方案合理；测试结果完整；测试结果分析；结果 基本测试仪器 设计报告结构及摘要；正文结果规范；图表的完整性与准确性。 规范性 总分 3． 说明 （1）题目中“指定人员”是参赛队学生自己指定的人员，“任意测试者”是由评审老师临时选择的人员。 （2）FDC2214是基于LC谐振电路原理的一个电容检测传感器。其基本原理如图1所示，在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感和电容，组成LC电路，被测电容传感端（图1中灰色标识部分即为被测电容）与LC电路相连接，将产生一个振荡频率，根据该频率值可计算出被测电容值。 图1 FDC2214传感器基本原理 利用FDC2214的工作原理可实现手势接近和识别的功能，如图2所示，黄色部分称为“FDC2214的传感平面”，该平面为导体材质，当人手接近该导体传感平面时，传感端的电容发生了变化，这就会导致LC电路振荡频率的变化，从而反映出手势接近，以及手势的判定。 D-2 （2）基于FDC2214实现手势接近和判决的实验中存在如下的特征：传感平面的面积越大、手势与传感平面的距离越小，感应的频率变化越大，系统会越灵敏，但同时也可能引入越多的噪声。所以在设计该传感平面时，要根据实际情况综合考虑。进一步设计文档可参考如下连接：http://www.ti.com/lit/an/snoa940a/snoa940a.pdf

图2 手势感应示意

为了便于进行训练和判决测试，建议学生作品可以对测试区进行指定，如图3所示。在测试或者训练时要求测试者的手势紧贴在测试板上，建议测试者手势与作品的FDC2214传感器距离不小于1厘米。

图3 手势识别装置的测试示意图

（3）猜拳游戏和划拳游戏手势的具体定义应符合大众认知。对任意测试者进行手势训练时，测试者要遵循学生的指导来进行训练；训练完成后，要在学生的指导下进行手势判决测试。

D-3

2018年TI杯大学生电子设计竞赛 E题：变流器负载试验中的能量回馈装置（本科） 1. 任务 设计并制作一个变流器及负载试验时的能量回馈装置，其结构如图1所示。 变流器进行负载试验时，需在其输出端接负载。通常情况下，输出电能消耗在该负载上。为了节能，应进行能量回馈。负载试验时，变流器1（逆变器）将直流电变为交流电，其输出通过连接单元与变流器2（整流器）相连，变流器2将交流电转换成直流电，并回馈至变流器1的输入端，与直流电源一起共同给变流器1供电，从而实现了节能。 + _ U1 图1 变流器负载试验中的能量回馈装置 2．要求 （1）变流器1输出端c、d仅连接电阻性负载，变流器1能输出50Hz、25V±0.25V、2A的单相正弦交流电。 （20分） （2）在要求（1）的条件下，变流器1输出交流电的频率范围可设定为20Hz～100H， 步进1Hz。 （15分） （3）变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，系统能实现能量回馈，变流器1输出电流I1 = 1A。 （20分） （4）变流器1与能量回馈装置按图1所示连接，变流器1输出电流I1 = 2A，要求直流电源输出功率Pd越小越好。 （35分） （5）其他。 （10分） （6）设计报告 （20分） 项 目 方案论证 理论分析与计算 电路与程序设计 测试方案与测试结果 设计报告结构及规范性 总分 系统相关参数设计 系统原理框图与各部分的电路图，系统软件流程图 测试方案合理，测试结果完整性，测试结果分析 摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。 主要内容 比较与选择，方案描述 满分 3 5 5 5 2 20 3．说明 E-1 （1）图1所示的变流器1及能量回馈装置仅由直流电源供电，直流电源可采用实验室的直流稳压电源。

（2）图1中的“连接单元”可根据变流器2的实际情况自行确定。 （3）电路制作时应考虑测试方便，合理设置测试点。 （4）能量回馈装置中不得另加耗能器件。

（5）图1中，a、b与c、d端应能够测试，a、c端应能够测量电流；c、d端应能够断开，另接其他阻性负载。

E-2

2018年TI杯大学生电子设计竞赛 F题：无线话筒扩音系统（本科） 1．任务 设计制作一个短距无线话筒扩音系统，用于会场扩音。 2．要求 （1）无线话筒采用模拟调频方式，载波频率范围为88MHz~108MHz，最大频偏为75kHz，音频信号带宽为40 Hz~15 kHz，天线长度小于0.5米。可以用普通调频广播收音机收听话筒信号，音频信号应无明显失真。无线话筒采用2节1.5V电池供电。 （15分） （2）无线话筒载波频率可以在88MHz~108MHz间任意设定，频道频率间隔200kHz。 （15分） （3）制作与无线话筒相应的接收机，通信距离大于10m。8Ω负载下，最大音频输出功率为0.5W。接收机可以用成品收音机改制。 （15分） （4）再制作一只满足上述要求的无线话筒。通过手动分别设置两只话筒的载波频率，使两只话筒可以同时使用，并改进接收机，手动控制实现分别对两只话筒扩音或混声扩音。 （25分） （5）两只无线话筒在开机时可以自动检测信道占用情况，如果发现相互存在干扰或存在其他电台干扰，可以通过自动选择载波频率规避干扰信号。响应时间小于1秒。 （30分） （6）设计报告： （20分） 项目 方案论证 理论分析与计算 电路与程序设计 统软件与流程图 测试方案与测试结果 测试结果完整性，测试结果分析 主要内容 比较与选择，方案描述 系统相关参数设计 系统组成，原理框图与各部分的电路图，系5 5 2 20 满分 3 5 设计报告结构及规范性 摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。 总分 F-1 3．说明

（1）无线话筒未采用2节1.5V电池供电，则（4）、（5）不测。 （2）在（4）、（5）中所设计的话筒均可由普通调频广播收音机收听。

F-2

2018年TI杯大学生电子设计竞赛 G题：简易数字信号时序分析装置（高职高专） 1. 任务 设计一个数字信号时序分析装置，可在示波器（X-Y模式）上同时显示8路数字信号时序，装置的系统组成如图1所示。 D0 D1 D2 . . . . . . D7 8 位 数字 信号 clock 发生 电路 数字 信号 时序 分析 装置 示波器 X Y 跳接线 图1 设计作品系统组成 2．要求 （1）设计制作8位数字信号发生电路，可产生8位并行移位循环输出的TTL电平信号，TTL电平的外输入移位时钟clock信号频率为100kHz，D0 ~ D7循环输出的时序波形如图2。 （20分） 移位循环周期80µs 10µs D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 图2 数字信号发生电路循环输出时序波形 （2）设计制作数字信号时序分析装置，通过键盘预置8位单级触发字TW，满足触发条件（即D0 ~ D7刚好为预置的TW）时，可在示波器上不重叠地自左G-1 至右同时显示8路数字信号1个移位循环周期的时序波形。 （30分） （3）8路数字信号时序波形的触发时间位置可调，可分别选择“触发开始跟踪”、“中心触发”和“触发终止跟踪”三种方式（即触发字的时间位置可分别选在示波器屏幕的左侧、中间和右侧）。 （15分） （4）在示波器屏幕上添加可手动位移的时间标志线（屏幕上的竖亮线），并用8个LED显示时间标志线对应时刻的8路数字信号的状态字SW（状态1时LED点亮、状态0时LED熄灭）。 （15分） （5）在触发字时刻，分析装置对8路数字信号的逻辑状态开始采集与存储，并可在示波器上回放2个移位循环周期的8路数字信号时序波形。 （10分） （6）其他 （10分） （7）设计报告 （20分） 项 目 方案论证 理论分析与计算 电路与程序设计 测试方案与测试结果 设计报告结构及规范性 主要内容 比较与选择，方案描述。 系统相关参数设计 系统组成，原理框图与各部分电路图，系统软件与流程图。 测试结果完整性，测试结果分析。 摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。 总分 满分 3 5 5 5 2 20 3．说明 （1）8路数字信号发生电路输出与时序分析装置输入端D0 ~ D7之间采用跳线连接，供设计作品测试时可能颠倒输入接线顺序使用。数字信号时序分析装置如需clock信号，或需产生与clock信号同步的时钟信号，均可直接引用外部输入的clock信号。 （2）可预置的触发字TW是8位二进制码组（称为字），码组D0 ~ D7称为状态字SW（本题仅有8种不同的SW），SW等于TW时触发X通道扫描。 （3）可对clock信号8分频得到同步扫描周期信号，将其变换为周期性斜升波作为示波器X通道输入的扫描信号。 （4）完成第（2）步要求时，既可采用8通道A/D采集输入数字信号，也可采用简单方案，即“八进制计数器、D/A、8选1模拟开关、加法器”组合的简单实现方案，其中八进制计数器对clock信号计数形成3位地址码，同时作为用于轮流选通D0 ~ D7的8选1模拟开关的选通信号及D/A地址线，使D/A输出G-2 8级周期性阶梯波，这8个台阶电压分别与模拟开关选通输出的某一路数字信号叠加，确保8路数字信号波形显示不重叠。加法器可以是有源的，也可以是无源的，其输出接示波器Y通道。

（5）现场测试正式开始后，参赛者不能再对示波器进行任何调整操作。

G-3

2018年TI杯大学生电子设计竞赛

H题：简易功率测量装置（高职高专）

1． 任务

利用TI的MSP430F5529设计并制作一个简易功率测量装置（图1淡色相框内部分），用以测量交流或直流电源负载上的功率，并实时数字显示该功率值。功率测量连接示意图如图1所示，图中A、B、C和D分别为四个测试端点。“信号处理及显示电路”部分可单独由外加电源供电。交流电源可采用带功率输出的信号源，负载电阻可采用额定功率大于1W的可变电阻。

2． 要求

（1）负载为纯电阻，采用直流供电，电源电压在200 mV~5V时，调整负载电阻，能测量40mW~1W负载功率，误差小于1%。 （18分） （2）负载为纯电阻，采用50Hz正弦交流供电，电源电压有效值在1V~5V时，调整负载电阻，能测量40mW~500mW负载功率，误差小于5%。 （18分） （3）该装置能自动识别交流、直流供电，并自动选择量程。 （20分） （4）负载为纯电阻，采用直流供电。电源电压在200 mV~30V时，调整负载电阻，能自动测量40mW~1W负载功率，误差小于1%。 （12分） （5）负载为1000μF电解电容与电阻串联的网络，采用50Hz正弦交流供电。电源电压有效值在1V~5V时，调整负载电阻，能测量40mW~500mW负载有功功率，测量误差小于5%。 （12分） （6）尽量降低“功率取样电路”网络自身的功耗，减少其接入电路对被测电路的影响。 （20分）

H-1

（7）设计报告： （20分） 项目 方案论证 理论分析与计算 电路与程序设计 测试方案与测试结果 设计报告结构及规范性 主要内容 比较与选择，方案描述 系统相关参数设计 系统组成，原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图 测试结果完整性，测试结果分析 摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。 总分 满分 3 5 5 5 2 20 3． 说明 （1） 正弦交流供电装置可采用功率型信号放大器。 （2） 测试中A、B、C和D四个端子不能改变或调整，测试过程中不能手动更换取样电路。C和D两个端子预留鳄鱼夹子，以便更换负载。 （3） 实际功率可通过用两块4位半数字万用表同时测量负载电阻上的电压电流计算得出。 （4） 如第（3）项未完成，则以后内容不测。 H-2