全国大学生,电子设计竞赛,控制类备战刚要

全国大学生电子设计竞赛控制类赛题备战纲要
一笔丹青
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2013年，四旋翼飞行器首次出现在全国电赛的本科组题目中，电赛控制类开始从二维平面空间走向三维立体空间。

对于这样的“跨越”，当年参赛的学生绝大多数准备并不充分，无可避免，13年四旋翼飞行器项目的比赛情况非常糟糕。

本人亲历了13年的电赛，获得了控制类本科组全国一等奖，从2015年开始协助老师指导学生参加全国电赛，相较于13年，15年四旋翼飞行器项目的比赛情况好了很多，某种程度上，这要归功于近几年旋翼飞行器的飞速发展（大疆的崛起是最好的注解），互联网为大量实用的开源程序的传播提供了便利。

不得不说，在电赛所有类别的题目中，控制类绝对是“宠儿”，自2005年开始，每届电赛，控制类赛题几乎都是两个，如2011年：自由摆和小车；2013年：旋转倒立摆和四旋翼飞行器；2015年：风力摆和四旋翼飞行器。

近日，收到关于电赛的许多咨询，一一回答效率太低，在此，针对电赛的准备，我列出了几点建议，请大家批评指正。

1.基础知识
1.1硬件方面
数电、模电、电路，熟悉基本元器件的使用，初期至少能够搭建稳定可用的单片机最小系统；后期逐渐掌握基于开关电源芯片的供电电源电路搭建，电机驱动电路搭建，液晶屏及数码管显示电路搭建等等；
1.2软件方面
熟练C语言，掌握模块化编程的思想，掌握硬软件联合调试办法，掌握参数整定办法（如最常用的PID算法，其参数整定尤为重要）。

2、常用元器件
2.1 电机
作为执行机构，一个控制系统中没有执行机构几乎没有意义。

电机是最为常用的执行机构，如05年悬挂系统中的步进电机；07年、09年所用到小车的直流电机；11年自由摆的步进电机和智能小车的直流电机；13年旋转倒立摆的直流减速电机和四旋翼飞行器的空心杯直流电机；15年风力摆的直流电机、飞行器的空心杯直流电机。

鉴于此，在准备过程中，要很好的掌握直流电机、步进电机以及空心杯直流电机的使用。

2.2 传感器
控制系统离不开传感器，如：07年电赛跷跷板赛题采用的倾角传感器，09年声音引导系统所采用的拾音器；11年自由摆平板系统采用的角度传感器（光电编码器或者精密电位器）；11年智能小车采用的光电接近开关；13年旋转倒立摆采用的光电编码器；13年四旋翼飞行器采用的三轴倾角传感器、陀螺仪、电子罗盘、测距传感器…
因此，常用的传感器必须掌握，如：
⏹旋转角度测量：光电编码器，精密电位器；
⏹倾斜角度测量：单轴倾角传感器，三轴倾角传感器，如SCA1600等；
⏹加速度测量：陀螺仪，如ENC03等；
⏹距离测量：超声波传感器，激光传感器，光电接近开关；
⏹黑线检测：光电对管；
⏹….
2.3 输入输入设备
⏹键盘，分立式按键，矩阵键盘；
⏹显示屏：简单的液晶显示屏，如LCD1602，LCD12864等；
⏹串口：串口在调试中具有十分重要的作用，务必掌握；
2.4 供电电源
⏹基于7805芯片的供电模块，简单但不推荐，该电路热功耗极大，效率低；
⏹基于2596等同类开关电源芯片的供电模块，稍微复杂一点，但是热功耗低，效率高，
为推荐电路；
⏹供电源：非移动控制系统（如自由摆、旋转倒立摆、风力摆），由于耗电量大，建议由
220V民用电降压的获取；移动控制系统（如智能小车，四旋翼飞行器），建议采用高性能锂电池供电；
3、数据采集通信方式
在使用传感器的过程中，通信方式是绕不开的话题。

比如，将倾角传感器采集到的倾角数据传回单片机，数据如何传输呢？目前传感器数据传输采用的制式有两种：
⏹模拟量：也就是电压信号，单片机对其进行读取时，须先经过A/D转换，一般的单片
机均自带A/D转换器，因此，可以直接读取，方便，但是数据易受干扰，稳定性差；
⏹数字量：传感器芯片将采集到的数据进行预处理之后以数字信号的形式返回单片机，常
用的通信方式为IIC，SPI；
⏹鉴于，目前大多数传感器采用数字式传输方式，SPI、IIC两种数据通信方式需要掌握，
同时需要注意，对于高性能单片机，如STM32系列自身集成了IIC和SPI通信模块（虽然不好用），可以经过简单配置之后使用，自己只需要编写极少的代码；但是对于普通单片机，如STC89C51系列，没有继承SPI和IIC通信模块，这种情况下，一般采用I/O 口进行时序模拟从而构建IIC和SPI通信模式，此方法需要编写的程序量较大。

4 控制器的选择
对于一个控制系统，控制器性能的好坏决定了控制效果，因此，选择控制器必须慎重。

然而，对于初学者，一上来就学习高性能的单片机，如STM32，难免应基础薄弱而难以入手，因此，大家可以根据自己的情况选择单片机，我仅给出几种参考意见：
4.1 51内核单片机
51内核单片机是最为常见的8位单片机，使用简单，学习资源丰富，适合初学者，如STC89/90系列。

51单片机硬件资源极少，一般不具备A/D转换器、硬件IIC、SPI、PWM等资源，I/O数量有限，定期器、外部中断资源以较少。

从13年开始，51单片机基本不可能完成设计指标，因此，若为准备电赛，应尽可能选择性能优良的单片机。

4.2 增强型51内核单片机
同样是51内核的8位单片机，增强型51集成了A/D转换器、硬件PWM等资源，外部中断和定时器的数量也有增加，能够满足一些复杂系统的设计，如IAP15W4K58S4-单片机甚至可以满足四旋翼飞行器的设计指标，目前市面上已经有基于该单片机的小型四旋翼飞行器
售卖，足见其功能强大。

4.3 MSP430系列单片机
这是TI公司出品的一款著名的低功耗16位单片机，集成了常用的所有硬件资源，开源程序较多。

4.4 STM32系列
STM32系列单片机是一种广泛应用的32位单片机，在嵌入式系统中备受青睐，功能强大，具备诸多硬件资源，并且网络上开源代码丰富，是一个不错的选择。

4.5 瑞萨单片机
2013年、2015年的全国大学生电子设计竞赛均由日本瑞萨半导体公司赞助，因此，在四旋翼飞行器题目中明确规定，只能使用瑞萨单片机，型号R5F100LEA，这是一款16位的高性能单片机，并且瑞萨公司为其开发了极为强大的集成开发环境，使得其开发变得异常简单。

通过集成开发环境，可以点击鼠标勾选的方式，直接设置定期器，外部中断、A/D转换器、SPI、IIC以及普通I/O等硬件资源，集成开发环境会根据设置生成代码，开发人员只需要书写核心代码，极大的提高了开发效率。

鉴于13/15年电赛均有瑞萨公司赞助，有理由相信下一届全国电赛仍有可能由其赞助，故掌握瑞萨单片机有一定必要性。

5 控制算法
控制算法是控制系统的灵魂，若准备选择控制类赛题，控制算法将是无法绕过的壁垒。

需要掌握的控制算法主要是PID算法，可以这样说，只要掌握了PID算法，完成控制类赛题全无问题。

PID算法在实际应用中也有不同，如13年的旋转倒立摆和四旋翼飞行器采用的都是“双环”PID，这比一般的单闭环PID要复杂一些，参数整定也更为困难。

对于控制算法，书本上、网上资源虽多，但真正要灵活应用没有良好的控制思想是做不到的，建议从最简单的电机调速开始做，这是练习PID算法的一个经典实验，借助它理解掌握PID算法的思想和参数整定办法大有裨益。