电赛每日一题 · 第 20 期
- 赛题：2025 年全国大学生电子设计竞赛 I 题（高职高专组）· 非接触式控制盘
- 组合：控制类（人机交互 / 测控模块，交叉：仪器仪表）
- 难度：★★☆（4 项基本 + 4 项发挥，0 接触手势 + 测距 + 调压 + 组合操作全栈）
- 本文目标：把"非接触式控制盘"拆成 3 个层次——手势识别层（4 漫反射）、距离感知层（1 超声波）、执行驱动层（电机 H 桥/PWM），帮你在 4 天内把"挥手控风扇"做成可演示作品
📌 一、赛题速览与难点剖析
一、原题再现
任务
设计并制作一个非接触式控制盘，由操作面板、显示器及测控模块组成，负载为直流风扇。操作面板上 S1~S4 为漫反射式光电开关，S5 为自制超声波测距模块，面板尺寸不大于 40 cm × 40 cm，直流风扇最高工作电压 12 V。通过挥手形式完成风扇的启动/停止、正转/反转、工作电压调整、运行时间设定和组合操作功能，显示器显示设定参数、运行状态及手掌与操作面板之间的操作距离 d。
官方题图：组成结构
题目图 1：非接触式控制盘的组成结构图（操作面板 S1~S4 漫反射式光电开关 + S5 自制超声波测距模块 + 显示器 + 测控模块 U_M 风扇电压 + 直流风扇负载）
图 1 解读：操作面板上 S1、S2 在顶部左右、S4、S3 在底部左右、S5 在正中央。显示器显示指示灯、运行状态（启动/停止）、风扇转向（正转/反转）、风扇转速（RPM）、设定运行时间 t、倒计时、设定工作电压 U_D、操作距离 d。测控模块输出 U_M 驱动直流风扇负载。
任务
设计并制作一个非接触式控制盘，由操作面板、显示器及测控模块组成，控制盘的负载为直流风扇，组成结构如图 1 所示，其中，操作面板上的 S1、S2、S3、S4 为漫反射式光电开关，S5 为自制超声波测距模块，操作面板尺寸不大于 40 cm×40 cm，直流风扇的最高工作电压为 12 V。
控制盘通过挥手形式完成启动/停止、正转/反转、工作电压调整、运行时间设定和组合操作功能。显示器显示设定参数、运行状态及手掌与操作面板之间的操作距离 d。风扇电压由外接电压表测量。
要求
1. 基本要求
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2. 发挥部分
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说明
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显示的风扇转速与风扇电压 U_M 变化对应即可，不要求精确转速值。 -
基本要求 (1) 允许超声波收、发探头选择成品，其余电路自制。 -
基本要求 (2) 只观察 U_M 的变化趋势，不考核变化量值。 -
发挥部分 (3) 组合操作模式设置步骤示例参考表 1（详见 PDF p3）。
评分标准（速览表）
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| 设计报告 |
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小计 |
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20 |
| 基本要求 |
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小计 |
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50 |
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小计 |
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50 |
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总分 |
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120 |
判分关键解读：
- 设计报告 20 分
——方案论证要把"为什么用 4 个漫反射 + 1 个超声波 + DAC/功放驱动"讲清楚；理论分析要把"超声波测距公式、温度补偿、手势方向识别原理、PWM 调压或 DAC 调压原理、d-t/d-U_D 拟合公式"全部覆盖；测试数据要给"5 组测距点 / 5 组调压点 / 3 组时间点"的实测值。 - 基本要求 50 分
——50 分里 40 分在 (1)(2) 两项：测距精度（≤1cm）和手势启停/正反转（识别正确性 + 显示状态）。第 (3) 项调压 10 分相对低，因为"只观察趋势不考核量值"。 - 发挥部分 50 分
——组合操作 (3) 占 20 分，是发挥部分最大单项；这意味着**"如何让 8 个动作可编辑、可存储、可回放"是拉开差距的关键**
①.5 题目工程背景
这道题是非接触式人机交互 + 嵌入式测控的浓缩版——把工业 HMI、医疗无接触控制、消费电子手势识别这三类场景同时压进 40×40cm² 的面板。
现实工程对照：
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为什么出这道题？
出题人想考核的不是"做得多炫"，而是三类基本功的工程化整合：
- 传感器 + 信号调理
（光电开关 + 超声波测距 + 抗干扰） - 执行器 + 闭环控制
（H 桥正反转 + DAC/PWM 调压 + 调速精度） - 状态机 + 人机界面
（手势方向识别 + 显示器反馈 + 组合操作 8 动作编辑）
为什么放在高职高专组？
I 题是高职高专组专用——难度比本科组略低，砍掉了通信协议和算法复杂度（没有 FFT、没有锁相环、没有自适应滤波），但保留了完整嵌入式系统架构。这是高职组"上手快、做出东西"和本科组"算法深、理论强"的天然分工。
延伸认知：
- 手势识别 ≠ 摄像头 + AI
——这道题刻意排除了视觉方案，要求纯硬件级"光电 + 超声波"，考察的是对传感器物理原理的深度理解（漫反射式光电开关的红外调制解调、超声波飞行时间测距） - 0.1V 调压精度 ≠ 高精度 DAC
——可以用 PWM + LC 滤波（成本低），也可以用 DAC + 功放（精度高），不同方案反映不同的工程哲学 - 8 动作组合操作 ≠ 多任务调度
——本质是带状态的指令序列，在裸机上用一个结构体数组 + 状态机就能搞定
二、大白话版解读
想象一个"幽灵触控板"：你面前有一个 40×40cm² 的方板，上面没有任何按键，只有 4 个小灯（漫反射光电开关 S1~S4 在四角） + 1 个圆形探头（超声波 S5 在中央）+ 一块 LCD 屏 + 一个 12V 小风扇。
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硬件三件套拆解：
大白话总结：本题是"手势方向编码 + 距离值查表 + 双极性电压驱动"三件事的工程化整合，难度不在算法，在系统可靠性和工程细节——光电开关的抗环境光、超声波的温漂补偿、520 电机空载防乱转、串口屏与 MCU 的时序配合。
三、核心指标速查表
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≤1 cm |
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t 误差 ≤1s |
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U_D-U_M 误差 ≤0.1V |
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≥8 个动作 |
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d-t 关系（图 2，等差数列）：
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拟合公式：t = 35 - d（d 单位 cm，t 单位 s，d ∈ [5, 20]）
d-U_D 关系（图 3，等差数列）：
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拟合公式：U_D = 12 - 0.5d（d ∈ [5, 20]）
四、最大卡脖子难点
按"工程坑大、扣分重、难发现"排序：
难点 1：手势方向识别的可靠性（4 光电阵列 + 去抖 + 抗环境光）
为什么难：4 个漫反射光电开关理论上能识别 8 个方向（S1↔S2、S3↔S4、S1↔S4、S2↔S3，及反向），但实际挥手的轨迹是任意曲线，光斑可能同时触发 2~3 个开关。
怎么破：
- 窗口检测
——设定"触发窗口"（如 200ms），只有首个 Sx 触发后 200ms 内出现 Sy 触发才认作"有效方向"；超时则清空 - 优先级排序
——多个开关同时触发时，按"先触发者"为起点，例如 S1 和 S2 同时被遮挡时，看哪个先撤遮挡（撤遮挡 = 起点） - 环境光滤波
——选带红外调制的漫反射光电开关（E18-D80NK），抗可见光干扰 - 物理布局
——S1~S4 间距 ≥5cm（避免一个手势同时遮挡 2 个）
难点 2：自制超声波 5~30cm 测距误差 ≤1cm（温度补偿 + 滤波）
为什么难：声速 v = 331.5 + 0.6T，温度每变化 10℃，声速变化 6m/s，对 30cm 距离误差 0.3cm；定时器 1μs 分辨率 → 时间误差 50μs → 距离误差 0.85cm，几乎是临界。
怎么破：
- 多阶滤波
——限幅滤波剔除突变（剔除飞鸟/气流干扰） + 滑动均值（5~10 个点平均） + 中位值滤波（防脉冲） - 温度补偿
——加 DS18B20 测环境温度，按 v = 331.5 + 0.6T实时修正（精度 0.5℃ 即可） - 多次测量取平均
——5 次测量求均值（参考国二 bysjqu 方案） - 发射波形优化
——发射 8 个 40kHz 脉冲方波（而不是 1 个），增加回波能量，提高信噪比
难点 3：0.1V 调压精度（U_D-U_M 误差 ≤0.1V）
为什么难：12V 直流风扇的电压-转速曲线是非线性的（电枢反电动势随转速变化），开环 PWM 控制误差可能 0.3~0.5V。
怎么破：
- 方案 A（国一 liandaye）
：DAC8830 + OPA541 双极性输出，直接给 ±10V 模拟电压，0.1V 精度由 DAC 的 16 位分辨率保证（LSB = 0.0003V），精度冗余超大 - 方案 B（国二 bysjqu）
：TB6612 PWM 输出 + PID 闭环，实测 U_M 跟踪 U_D，误差 ≤0.1V - 方案选择
：A 简单稳定但成本高（DAC 芯片 + 功放 ~50 元）；B 便宜（TB6612 模块 5 元）但要调 PID 参数
难点 4：组合操作 8 动作的存储与回放
为什么难：发挥 (3) 占 20 分（最大单项），是拉开差距的关键。需要：
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8 个动作的"动作结构体"（包含时间 t、电压 U_D、转向） -
状态机：设置态 → 录入态 → 存储态 → 回放态 -
UI：动作编辑界面（哪几个动作、参数显示）
怎么破：
- 动作结构体
： typedef struct {
uint8_t action_id; // 动作序号 1~8
uint8_t direction; // 转向：0=正转 1=反转
float voltage_ud; // 设定电压 V
uint16_t time_t; // 运行时间 s
} Action_t;
Action_t actions[8]; - 状态机
——常规态 → 进入设置 → 录入动作 i → 录入动作 i+1 → ... → 结束设置 → 回放所有 - 手势编码进入
——参考国一方案的手势全集（详见五、参考设计方案）：
难点 5：系统可靠性（4 天连轴转，炸板一次扣 10 分）
为什么难：现场测评时间紧，板子要稳定工作 4 小时以上，中间不能重启。
怎么破：
- 电源隔离
——主控 3.3V 与电机 12V 必须分开供电（否则电机堵转时电流反灌烧 MCU） - 看门狗
——STM32 内置 IWDG，超时复位 - SPI 上拉
——DAC8830 的 SPI 线必须加 10kΩ 上拉（否则 16 位数据易出错） - 光电开关的 NPN 上拉
——参考国一方案注意事项第 5 条：漫反射光电开关内部是 NPN 输出，必须外接 3.3V 上拉电阻
🛠️ 二、硬件方案
2.1 系统架构
按"感知层 / 控制层 / 执行层 / 交互层"四层架构：
2.2 主电路拓扑
A 方案（国一 liandaye · 高精度）：
B 方案（国二 bysjqu · 低成本）：
2.3 元器件选型（按模块）
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| 功率放大 |
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| 超声波探头 |
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| 串口屏 |
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| 语音模块 |
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| DC-DC 隔离 |
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| 电机驱动 (B 方案) |
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2.4 电源设计
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为什么用 DC-DC 隔离模块？——金升阳 VRA / URA 系列是隔离型 DC-DC（输入输出耐压 1500VDC），把电机噪声（堵转瞬间电压毛刺）挡在电机侧，不会窜到 MCU 侧烧芯片。别用非隔离的 LM2596（共地会让电机噪声直接灌到 MCU）。
💻 三、软件算法
3.1 整体闭环逻辑
