2023年河北省职业院校学生技能大赛智能硬件装调与应用赛项样题

队员须知：任务书共21页，如出现任务书缺页、字迹不清等问题，请及时向裁判申请更换任务书。竞赛过程自备编程计算机和焊接等工具。参赛团队应在6小时内完成任务书规定内容；没有运行记录或程序文件均不予给分。队员提交的试卷不得出现学校、姓名等与身份有关的信息，否则成绩无效。由于错误接线、操作不当等原因引起机器人控制器、传感器、执行部件的损坏以及发生机械碰撞等情况，将视严重程度进行扣分处理。每一个任务具体测试要求根据评判要求现场给定或者任务书给定。在完成任务过程中，请及时保存程序及数据。赛位号：日期：

本赛题包括功能电路板装调，功能电路PCB图设计、基本任务实现、沙盘任务实现四项竞赛任务。参赛队员需在规定时间（6小时）内完成上述竞赛任务，根据要求提交相关文档，配合裁判完成竞赛任务评测。竞赛设备描述赛项竞赛设备平台包括：JC-Robot-AGV型无线智能分拣小车、JC-LOG-SWM智能仓储沙盘两个部分。图1竞赛技术平台组成（说明：左——智能分拣小车，右——智能仓储沙盘）图2JC-Robo-AGV无线智能分拣小车组装图1.JC-Robot-AGV无线智能分拣小车无线智能分拣小车包括以下组件：eq\o\ac(○,1)基础结构：支撑垫、机器人底盘、三轴机械臂、麦克纳姆轮、货物存放托盘、皮带传送机构eq\o\ac(○,2)传感组件：磁导航传感器，二维码识别模块eq\o\ac(○,3)控制组件：STC口袋机控制模块eq\o\ac(○,4)显示组件：OLED显示模块eq\o\ac(○,5)驱动组件：电机驱动板、直流电机（带编码器）eq\o\ac(○,6)通信组件：2.4GHz串口WiFi通信模块eq\o\ac(○,7)驱动电源：12V8000mAh锂离子电池组，12V锂离子充电器2.JC-LOG-SWM智能仓储沙盘智能仓储沙盘组成部分包括：沙盘台面、仓储货架、磁导引带、货物传送装置等（图3）。沙盘由WiFi无线局域网覆盖，AGV无线智能分拣小车、货物传送装置均通过WiFi模块接入该局域网，采用MQTT通信协议进行实时数据交互，参赛队员通过上位机智能仓储软件进行管理。进入赛场时，裁判会提供WiFi无线网的SSID与登录密码。图3JC-LOG-SWM智能仓储沙盘3.智能硬件虚拟开发验证平台通过GoogleChrome浏览器访问远程云平台，输入用户名、密码、选择学生角色点击登录。图4平台用户登录界面鼠标悬停在网页右上角，确认硬件设备连接情况。鼠标单击左侧实验面板。在右侧器件面板展开逻辑器件菜单，这里以自定义逻辑器件为例，鼠标选择自定义管脚MCU。将自定义管脚MCU拖拽到页面中心实验图纸上。出现如下图对话框。添加输入输出管脚，根据设计需要3个输出管脚，1个输入脚。故在输出管脚配置一栏添加3个单bit管脚，连接管脚编号依次顺延即可。同样的步骤添加1个输入管脚。此处需注意，如下图添加输出管脚一栏显示的“连接管脚”号就是我们在MCU工程分配管脚的依据。确定了“连接管脚”号在按照页面下载的文档《二代远程管脚对应关系_V1-MCU-Beta.xlsx》根据表格中编号确认远程编号对应的实际STC15管脚名称。添加管脚之后点击“完成设置”。图纸中央会出现如下图所示的自定义管脚的逻辑器件。接下来在图纸中添加实物器件菜单中LED

灯3

个，按键1

个。如下图所示。如下图所示，鼠标单击器件引出的管脚一次即可引出一根导线，再单击另一个器件的管脚即可实现导线连接。在开始使用之前，点击导出实验模型，把模型存储到本地备份。至此一个拥有按键输入和LED输出的远程工程就创建完成。下次登陆远程想重复本次实验时使用导入实验按钮导入之前导出的文件即可。然后点击单片机烧写按钮，选择您自己的keil工程生成的hex文件，稍等片刻即可烧写完成。烧写完成后，点击运行实验按钮，即可观察到实验现象。任务一：功能电路装调1.任务描述现场发放功能电路板焊接套件（含PCB板与元器件）和技术资料（电路原理图、物料清单），参赛选手对所发套件进行检查，有缺漏或坏器件，开赛后30分钟内提出，未在规定时间内提出视为齐全，超过规定时间提出申请补领，根据竞赛规定扣分。参赛队员利用自带或赛场提供的工具、仪器，按照电路原理图完成功能电路板装配及调试。2.比赛要求（1）功能电路装调参赛队员须按照典型电子产品装配工艺要求进行功能电路装配。装配完成后，上电前要测试装配的电路是否存在短路现象（测量电容C9、C18两端是否短路），若存在短路，请自行检查排除。确认电路板可以正常工作后，完成下列任务并观察：使用mini-USB（USB1和USB2均可以供电）和12V电源适配器给电路板上电，LED9~LED11均应该被点亮，其余功能见后续表述。该电路板正常的功能描述如下：本电路为模拟话筒放大器，能够实现市场上销售的便携式话筒扩音器的相关功能。所提供的成品电路板能够实现内部信号测试及功率放大功能。+VCC1、GND1为电源供电输入端，输入电压为+6V，Vin1及GND2为外部音频信号输入端，Vout1、GND3为信号输出端，S1为内部测试信号与外部音频信号输入切换开关，RW1为音量调节电位器，调节该电位器可以实现输出信号幅度的调节，R25为模拟负载，代替扬声器。电路由模拟正弦音频测试信号产生电路及语音信号功率放大电路组成，在成品板功能正常的情况下，能够实现如下功能：（1）以U1A为核心的电路产生800~1000Hz（不同的成品板可能存在差异，但不影响选手完成竞赛任务。）范围内不失真的模拟正弦音频测试信号，滤波后经开关S1切换送入后级放大电路放大。（2）以Q1及U2为核心构成语音信号功率放大电路，其中Q1构成前置放大器，U2构成功率放大器。音频信号（内部测试信号或者外部输入信号）经Q1前置放大和滤波后送入U2实现音频信号功率放大，在负载R25上获得不失真的正弦音频信号。3.比赛内容（1）元器件检测参赛队员须参照阅读物料清单进行元器件的辨识、清点和检测。元器件种类包括：待焊电路板、驱动芯片等。（2）功能电路装调及提交参赛队员须依据电路原理图、位号图（印制板顶层和底层丝印图）及物料清单，按照典型电子产品装接工艺要求完成装配及调试，开赛2.5小时后提交给裁判评判（选手提交所装配的电路板时必须将下发的功能测试程序（下发U盘中“功能电路板测试程序.hex”）下载至MCU中并验证相关功能），同步提交功能电路板提交确认单，裁判依据确认单进行确认。选手装配的功能电路下载程序后，应具备表1所示功能。表1功能电路功能表序号功能现象1USB串口功能串口助手界面显示UART1OK（波特率设置为115200）2蜂鸣器上电后鸣响一次停止3数码管0~9循环计数4按键按下SW1~SW8，LED1~LED8对应点亮5继电器上电后吸合一次6发光二极管1.上电后LED9正常点亮，按下SW9，LED11微微发光。2.仅插入DC12V或者USB1或者USB2，LED9，LED10点亮。选手需要将下发U盘中串口助手程序并下载程序后，方可实现表1的功能。任务二：功能电路PCB绘制1.任务描述选手完成下发功能电路原理图的功能电路PCB图绘制（相关下发资料在U盘“PCB设计文档”文件夹中），比赛开赛后6小时提交所绘制的PCB图，延时提交本任务以0分计入总成绩。2.比赛内容及要求根据下发SchDoc格式原理图（功能电路原理图.SchDoc），PCB绘制约束条件和相应元器件封装库（下发的功能电路原理图中标号为S1，VD2的元器件封装需要选手根据下发的数据手册中的封装由选手自行绘制(数据手册在U盘“选手自行绘制封装库元器件手册”文件夹中)，其余元器件的封装库利用下发的“功能电路PCB封装库”中的封装），利用AltiumDesigner14及以上版本软件完成功能电路PCB的绘制。选手绘制的PCB图必须满足的要求如下：（1）根据赛题给定的功能电路原理图和PCB约束条件（下发的“功能电路PCB.PcbDoc”文件中锁定位置的元器件（如图10所示）不得改变位置，否则本任务以0分计入总成绩）完成PCB设计。（2）线路板约束规则要求：采用双层板，最小间距8mil（集成电路U3不受此条件限制），最小线宽6mil，过孔最小孔径8mil，过孔最小直径12mil，敷铜最小间距20mil，位号丝印高度为50mil；3.3V，5V电源线宽30mil，锁定元件不可移动，PCB外形尺寸不可改变，敷铜为网格形式。（3）所绘制的PCB外形为给定的功能电路PCB.PcbDoc文件中给定图形的外侧图形。（4）参赛队所绘制的功能电PCB图，以电子稿形式（按照任务书指定要求格式）保存在U盘中提交，开赛后6小时提交，同步上交U盘提交确认单，裁判依据确认单进行确认。（5）各参赛队完成的文件需要将自行设计的PCB图文档（*.PcbDoc）文件保存在下发U盘中根目录下的文件夹中，文件夹名称：2023-JC**（**为选手赛位号，文件夹由选手自行创建），PCB图文件命名为“2023-JC**.PcbDoc”（**为选手赛位号）。在PCB图文件中不得出现选手的任何信息，否则视为作弊，总成绩以0分计算。图10印制板约束条件示意图任务三：基本任务实现1.任务描述基于远程云端硬件实验平台编程实现：流水灯、数码管和LCD1602液晶控制。2.任务说明（1）参赛队员在远程云端硬件实验平台上，利用平台现有资源，设计一个流水灯、数码管和LCD1602液晶控制功能电路,编写程序，编译后在线下载后完成相关功能，在平台上呈现相关结果，由裁判在比赛开始后1小时30分到选手赛位根据选手完成情况完成评判。（2）电路基本组成电路由MCU、1个LED灯（LED1~LED4）、2个数码管（SMG1及SMG2）、1个LCD1602液晶组件及3个独立按键SW1~SW3组成，选手实现的基本功能要求如表2所示：表2基本功能要求序号基本功能要求1按下SW1，LED1~LED4依序流水点亮；再次按下SW1，LED1~LED4熄灭。2按下SW2，数码管循环显示0~9，再次按下SW2，数码管保持显示当前数值。3按下SW3，液晶屏第一行显示：13579，第二行显示：02468。4连续2次按下SW1，LED1、LED4点亮；LED2、LED3熄灭。5连续2次按下SW2，数码管依序显示0，2，4，6，8，再次按下SW2，数码管熄灭。说明：以上任务均在远程云端硬件实验平台上实现，不提供实物供选手调试。（3）程序项目及所有源代码保存在一个独立的文件夹内，裁判评判时调用。裁判评判时选手操作，裁判员记录相关结果。（4）选手需要绘制电路图，编写能够实现表2功能的程序，通过远程登陆账号，在线运行程序。各参赛队使用现场下发的用户和密码登录后完成上述任务。（5）调用功能模块介绍1）独立按键独立按键器件为有源模块，当按下按键时，其对应的信号输出为高电平，默认电平状态为低电平。图标如图11所示：图11独立按键示意图2）数码管本数码管器件为有源模块，数码管的亮段当成7个发光二极管。根据内部发光二极管的共连接端不同，可以分为共阳极接法和共阴极接法，共阳极接法是七个发光二极管的正极共同接电源VCC，通过控制MCUgpio口的输出状态决定每个发光二极管的负极是否接地来显示字母。共阴极接法是每个发光二极管的负极共同接地GND，通过控制MCUgpio口的输出状态决定每个发光二极管的正极是否接电源来显示字母，其示意图如图12所示。图12数码管示意图3）LED灯LED灯默认为低电平灭，高电平点亮（具体默认状态可根据LED灯右击参数设置进行修改）图13LED灯示意图4）1602液晶屏LCD1602采用双行、并行8总线、5*8显示，不支持读忙信号，指令操作信息参考一下说明手册。其示意图如图14所示。图14液晶屏示意图（6）相关说明1）接口信号说明如表3所示：表3LCD1602液晶显示屏接口信号说明序号符号引脚说明1RS数据/命令选择端（H/L）2RW读/写选择端（H/L）3EN使能信号4D0~D7数据信号2）基本操作时序♦读状态：输入：RS=L，RW=H，EN=H，输出：D0~D7；♦写指令：输入：RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，EN=高脉冲，输出：无；♦读数据：输入：RS=H，RW=H，EN=H，输出：D0~D7；♦写数据:输入：RS=H，RW=L，D0~D7=数据，EN=高脉冲，输出：无。3）状态字说明表4-1状态字说明STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D00表4-2状态字说明STA0-6当前数据地址指针的数值STA7读写操作使能1：禁止0:允许注：对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保STA7为0。4）指令说明♦初始化设置♦显示模式设置表5显示模式设置指令码功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口♦显示开/关及光标设置表6显示开/关及光标设置指令码功能00001DCBD=1开显示；D=0关显示C=1显示光标；C=0不显示光标B=1光标闪烁；B=0光标不显示000001NSN=1：读或写一个字符后地址指针加1，且光标加1N=0：读或写一个字符后地址指针减1，且光标减1S=1：写一个字符，整屏显示左移(N=1)或右移（N=0），实现光标不移动而屏幕移动的效果。S=0：写一个字符，整屏显示不移动♦数据控制控制器内部设有一个数据地址指针，可通过它们来访问内部的全部80字节RAM。♦数据指针设置表7数据指针设置指令码功能80H+地址码(0-27H，40H-67H)设置数据地址指针♦其他设置表8其他设置指令码功能01H显示清屏：1.数据指针清零2.所有显示清零02H显示回车：数据指针清零♦初始化过程（复位过程，按照下列顺序依次执行）♦延时15ms♦写指令38H（不检测忙信号）♦延时5ms♦写指令38H（不检测忙信号）♦延时5ms♦写指令38H（不检测忙信号）♦后续每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号♦写指令38H：显示模式设置♦写指令08H：显示关闭♦写指令01H：显示清屏♦写指令06H：显示光标移动设置♦写指令0CH：显示开及光标设置5）接口时序♦读操作时序图15读操作时序♦写操作时序图16写操作时序♦时序参数表9时序参数时序参数符号极限值单位测试条件最小值典型值最小值E信号周期tc400--ns引脚EE脉冲宽度tpw150--nsE上升沿/下降沿时间tR、tF--25ns地址建立时间tsp130--ns引脚E、RS、R/W地址保持时间tHD110--ns数据建立时间（读操作）tD--100ns引脚DB0-DB7数据保持时间（读操作）tHD220--ns数据建立时间（写操作）tSP240--ns数据保持时间（写操作）tHD210--ns任务四：沙盘任务实现1.任务描述：针对特定任务要求，通过编程和调试使AGV无线智能分拣小车在智能仓储沙盘场地上运行并按要求完成自主搬运作业。2.任务说明：（1）比赛要求参赛队员须根据仓储分拣搬运任务要求，在规定时间内编写程序并配置任务清单，使小车能够在程序的控制下自动完成赛题所规定的智能仓储货物分拣和搬运任务。本任务要求选手在5分钟内完成，测试时超过5分钟完成的任务以0分计入本任务总成绩。（2）沙盘地图根据应用场景，设置仓储沙盘如图17所示，尺寸规格为长3000mm，宽2000mm，离地高度为600mm，周边用透明围栏防止小车跌落。整个沙盘分为四个区域：出发区、仓储区、终点区、卸货区。按编号1-6设置六个货架，每个货架为3×3结构，即上下三层，每层摆放三个货物（场地中间的货架是两排货物，共六个），每个货物均贴有商品二维码（朝向外侧摆放），见图17-2，小车通过机械手抓货物前需通过二维码识别货品。图17-1中，小车行驶赛道宽度为500/700mm；循迹磁导引线宽度为30mm。沙盘任务测试时将小车摆放在沙盘的“出发区”，根据赛题任务进入“仓储区”经过各个货架由机械手取出物品，放置在小车的货箱上，任务完成后行驶到“终点区”，小车与卸货平台握手通信后，自动将车载装有货物的电动货箱推送到卸货平台上。传送带的运行状态数据通过无线通信上传至上位机，上位机软件记录运行数据。图17-1智能仓储沙盘地图（示意图）图17-2智能仓储沙盘地图（货架示意图）（3）沙盘任务图18智能仓储沙盘实物货品分拣任务说明：要求小车在规定时间（5分钟）内，分别在1，2，3-1，3-2，4-1，4-2，5，6号货架内取回编号（编号为3位阿拉伯数字，位数不足的在前面添0，例如58号编号为058，其余以此类推）如表3所示的货物（位图见图17-2），其中存在一定数量摆放货物的二维码与给定任务不一致，选手识别但不取回，在该货物识别后需控制蜂鸣器长鸣1S，具体不一致的摆放货物数量以比赛现场摆放的货物为准，选手自行识别判断后完成比赛任务。比赛根据货物取回数量及任务完成度进行评分。选手练习时，59号货物的二维码与给定任务不一致，测试时由裁判现场设定一定数量编号货物的二维码与编号不一致，由选手自行判断，要求选手在测试时不取回实际放