简介：围绕电子竞赛备赛整理的这份文档，面向初次参赛的高校学生与指导教师，梳理控制类、仪器仪表类题目中反复出现的硬件模块与软件程序，帮助读者在有限时间内搭起可复用的模块库，减少临场选型与调试的盲目。全文由一份 doc 文档承载，压缩包 38KB、共 1 个文件，按「常用模块—常用程序—常用知识」三条主线组织：模块部分逐项说明电源（12V/9V/5V/3.3V 与 LM337 负压）、最小系统、键盘与液晶、AD/DA、温湿度压力角度声光传感器、集成运放、可编程逻辑、电机与继电器等器件的选型用法；程序部分覆盖 LCD 显示、键盘输入、SPI 传输、AD 采集滤波、PWM 调速与细分、延时计时及寻迹避障测速测距算法；末尾还提示模电数电基础与单片机、ARM、FPGA 的学习方向。已有 3077 人学习，可当作赛前清单对照自查，也适合作为模块采购与程序移植的速查手册。

1. 模块箱里最该先装的不是传感器：电赛备赛的取舍顺序

我见过最典型的一幕是：赛前整理模块箱，传感器塞了满满一盒，光耦、霍尔、超声波、光电开关样样齐全，真正卡住调试的却是三件事——3.3V 那一路带不动无线模块、光耦出来的波形是一段歪歪扭扭的模拟量、比较器压根没带。电赛这种四天三夜的活，决定作品能不能跑起来的，往往不是最贵的那颗传感器，而是电源、最小系统、信号调理这些没人愿意多看一眼的地基件。

这篇按我自己备模块、打控制类题目的顺序拆开讲：先按电压等级把供电算清楚，再按“感知—调理—执行”配硬件，然后把显示、键盘、AD 采集、PWM 这些程序做成赛前就能直接抄的资产，中间夹一章赛后复盘出来的翻车记录。新手可以照着清单买，熟手能对上自己当年踩坑的地方。

2. 供电与最小系统：12V/9V/5V/3.3V 和 I/O 余量一次算清

供电这块最容易被当成“买几个降压模块就完事”，实际上它是整台作品里唯一一个出错就全盘停摆的部分。我的习惯是先画一张电流预算表，把每一路的负载、峰值电流、允许压降写出来，再决定用几块模块、怎么接地。没有这张表，后面的传感器选型再漂亮也只是纸面功夫。

2.1 四种电压怎么排优先级

12V 主要喂功率器件：直流电机、步进电机、继电器、电磁阀；9V 现在用得少了，多数是给某些老式运放板或独立供电的蜂鸣器；5V 是数字主力，最小系统、液晶、数码管、编码器都在这；3.3V 给低功耗主控和一部分传感器、无线模块。排优先级的原则很直接：先保 5V 和 3.3V 干净稳定，再谈 12V 有多大的功率余量。

电流余量我一般按实测峰值再留 50%，不是按铭牌标称值留。数码管四位动态扫描，看上去每段只有几毫安，四位数一起亮、占空比 25% 的时候，5V 那一路的瞬时电流能翻好几倍，降压模块选小了就会看到亮度随显示内容跳动。接地也别图省事，功率地和信号地最后汇到一个点，电机回路和 ADC 参考地用同一段粗线，是血泪经验里最便宜也最有效的一条。

2.2 电池方案与升压模块的账

用电池就意味着要算续航，而不是“装上去能亮就行”。单节锂电 3.7V 升到 5V，效率按 85% 估，续航大致等于电池容量（Ah）乘标称电压再乘效率，除以整机平均功率。举个能落地的例子：2000mAh 的单节电池、5V 输出、整机平均 1.2W，理论续航约 5 小时出头，实际打七折，因为电机启动和无线发射都是脉冲负载。

升压模块真正麻烦的地方在瞬态。电池内阻加上线阻，电机一启动母线电压凹下去一大截，主控欠压复位，现象就是“一动就重启”。我的做法是在升压输出端并 470μF 到 1000μF 的电解电容，电机那一路单独再并一个小容值瓷片，同时在软件里加电池电压监测，掉到阈值以下就降速或报警，别等到算法失灵才发现是电压问题。

2.3 负压需求：LM337 什么时候必须焊

需要负压的场景其实很集中：运放要处理正负双向摆动的小信号，比如电桥、振动、音频这类传感器输出；或者某颗必须双电源供电的芯片。判断标准很简单——传感器的输出会不会跑到零以下。如果只会从 0 摆到某个正电压，单电源加虚地就够了，没必要动负压。

真要上负压，LM337 和 LM317 配成对称的正负稳压是最省事的组合。注意几个坑：LM337 的输入必须是负压，管脚顺序和 317 不一样，照着 317 的板子改会直接冒烟；输入端的滤波电容极性要反；散热片如果和外壳共地，得加绝缘垫片。我一般会把负压做成一块独立小板，用排针和主板连接，万一烧了直接换板，不用整机拆线。

2.4 最小系统与 I/O 余量

最小系统板至少备两套，一套在车上，一套在桌上调程序。板子上的每一根 I/O 都引到排针，旁边用丝印标好端口号，调试时不用翻原理图。测试点也要留：电源、地、复位、每个通信口各一个，示波器探头一夹就能看波形。

I/O 不够是控制类题目的常事。我的经验是先做一张 I/O 预算表，把每个外设的占用列清楚，再决定要不要上扩展。

真要扩，CPLD 或者小规模 FPGA 是干净的办法，但前提是题目允许，且队里有人能写 Verilog。不然的话，宁可换一颗 I/O 更多的封装，也别在赛场现学。

3. 感知与执行：从一颗 RPR220 光耦到一台能跑的小车

控制类题目的硬件骨架基本就是“感知—调理—执行”三段。中间那段调理最没存在感，却决定了传感器到底能不能用。很多队伍买了传感器直接接单片机，读数乱跳就怪器件质量，其实八成是缺了比较器或者上拉电阻。

3.1 寻迹光耦和霍尔：先分清数字量和模拟量

RPR220 是反射式光耦，里面一颗红外发射、一颗接收。它的输出是模拟量，反射率越高电压越高，黑线和白底的差别体现在电压差上，不是现成的开关信号。有效距离大概 1 到 15 毫米，太近了光斑太小，太远了信号弱，我一般在 3 到 8 毫米之间调。环境光干扰是它的天敌，加一圈黑色热缩管做遮光罩，比换器件管用。

A04E 是开关型霍尔，磁钢靠近就翻转，输出是数字量。它适合测速、限位、计数，缺点是检测距离短，磁钢得贴得足够近，而且要注意极性，单极性和全极性器件对磁钢方向的要求不一样。光电槽配合码盘做测速很稳，缺点是怕灰尘，赛场上桌面有碎屑就会丢脉冲。

角度传感器确实贵，我的态度是能不买就不买，用加速度计模块替代，虽然要多写点姿态解算，但成本差一个数量级。接近开关和超声波这类器件属于“备着玩”的性质，用不上就当熟悉器件，用上了就是意外之喜。

3.2 光耦出来的不是开关量：比较器怎么配阈值

这是控制类里最高频的一个坑。RPR220 输出的电压在黑白线之间可能只差零点几伏，直接接单片机的数字口，读数会随温度、光照、电池电压一起飘。正确做法是接比较器，把模拟量切成干净的数字量。

LM339 是四路比较器，LM393 是双路，两者都是开漏输出，必须外接上拉电阻。上拉到 3.3V 就能直接进 3.3V 主控的 I/O，上拉到 5V 就得确认主控的 I/O 是否耐 5V，这一步烧过板子的人都不会再忘。

阈值电压按分压算：Vth = Vcc × R2 / (R1 + R2)。实操时我不会一次算准，而是把上分压电阻换成 10k 电位器，让车在白底和黑线上各跑一遍，示波器看着输出波形拧到刚好翻转，再把电位器换成固定电阻焊死。这样做的原因是光耦的离散性很大，同一批器件的最佳阈值能差 20%。

阈值定好之后还有抖动问题。光线临界、纸面有污渍，输出会在阈值附近来回跳，软件读到一串假的边沿。解决办法是加正反馈做迟滞：从输出端拉一个大电阻（比如 1M）回同相输入端，翻转之后阈值自动偏移一点，抖动就被吃掉了。迟滞窗口我一般取 50 到 100 毫伏，太小没效果，太大又会漏掉细线。

3.3 运放 TL082/TL084：单电源下最容易翻车

TL082 是双运放，TL084 是四运放，JFET 输入，输入阻抗高，做小信号放大和滤波都够用。它们的问题在于不是轨到轨器件，输出摆幅到不了电源轨，单电源供电时靠近 0V 和 Vcc 的那一段是死区。

单电源用法的关键一步是抬基准。用两个等值电阻分压出 Vcc/2 做虚地，信号围绕这个虚地摆动，输出才不会削顶。分压电阻别用太大，10k 量级配一个 10μF 电容到地，虚地才稳。如果要处理正负双向信号，那就老老实实上正负电源，LM337 那块板子就是为这个准备的。

放大倍数按反相或同相公式算，但实际装配时我会把反馈电阻做成“固定电阻 + 微调电位器”的组合，先按理论值焊，再用示波器看实际增益往上调。滤波也一样，一阶 RC 的低通截止频率 f = 1/(2πRC)，我通常把截止频率设在信号带宽的三到五倍，既压掉高频噪声，又不至于把有用边沿磨平。

3.4 电机与驱动：L298 到 L297 的选型账

L298 是双 H 桥，每桥标称 2A，实际用起来要打折。它内部是双极型晶体管，导通压降接近 2V，12V 供电到电机端只剩 10V 左右，剩下那 2V 全变成热。所以散热片必须装，别指望靠空气对流。PWM 调速频率我一般取 15 到 20kHz，避开人耳听觉范围，电机不会发出尖叫；频率再往上，开关损耗和驱动能力就跟不上了。

步进电机如果用 L298 直接驱动，只能做整步或半步，细分做不了。要细分就上 L297 加 L298 的组合：L297 负责脉冲分配和斩波恒流，外部只给脉冲和方向两根线，单片机负担立刻降下来，I/O 也从 4 根压到 2 根。L297 的斩波频率由 RC 决定，我一般设在 20 到 30kHz，太低会有可闻噪声。

驱动继电器和小功率负载，ULN2803 或者 2003 这类达林顿阵列比三极管省事，内置续流二极管，八路一路搞定。要注意它是灌电流输出，负载接在电源和输出之间，共地。

机械件这块最容易被忽略，也最影响成绩。联轴器必须备，电机轴和轮轴不同心，跑起来抖得传感器全在跳。轮径量准确，测速和测距全靠它。底盘刚性不够，小车一走就扭，循迹参数怎么调都不对。这些东西加起来不值多少钱，缺一个就得现场想办法，那才是真正的后悔药。

3.5 显示与反馈：LCD、数码管、LED、蜂鸣器一个都不能少

显示的本质是给人反馈，不是给机器。调试阶段，数码管实时显示一个变量，比串口打印快得多，因为你不用切窗口。LCD 适合显示多个参数和菜单。LED 做状态位，一眼看出程序跑到哪一步。蜂鸣器则是最便宜的结果反馈——平衡点稳住了叫一声，参数越界了叫一声，人在旁边不用盯屏幕。

我习惯在车尾做一块小的调试面板：两位数码管显示当前误差，一颗三色 LED 表示状态机阶段，一个按键切换显示内容。这块面板在赛场上的价值远超它那点成本，因为四天三夜里，你能不能快速判断“是传感器飘了还是控制参数错了”，全看它。

4. 软件资产：显示、键盘、AD 滤波、PWM 四类程序怎么写成能抄的模板

硬件备齐只是及格线，真正拉开差距的是软件能不能复用。我的做法是赛前把常用程序写成“参数可配、接口固定”的模块，赛场上只改参数不改结构。这样即使换主控，也只需要重写底层读写，上层逻辑原样搬。

4.1 显示和键盘先搭骨架再填内容

按键扫描绝对不能用死循环加延时。一旦程序卡在延时里，显示会闪、采样会丢、控制环会崩。标准做法是定时器每 5 到 10 毫秒扫一次键，做消抖和状态机，主循环只读状态。

/* 非阻塞按键扫描：10ms 调用一次，主循环只查事件标志 */ #define KEY_NUM 4 #define DEBOUNCE_CNT 2 /* 连续 2 次同状态才算稳定，即 20ms */ typedef struct { uint8_t raw; /* 本次采样电平 */ uint8_t stable; /* 消抖后的稳定电平 */ uint8_t cnt; /* 状态计数 */ uint8_t pressed; /* 按下事件，读后清零 */ } key_t; static key_t keys[KEY_NUM]; void key_scan_10ms(void) { for (uint8_t i = 0; i < KEY_NUM; i++) { uint8_t now = KEY_READ(i); /* 读实际 I/O，低电平有效则取反 */ if (now != keys[i].raw) { /* 电平变化，重新计数 */ keys[i].raw = now; keys[i].cnt = 0; continue; } if (keys[i].cnt < DEBOUNCE_CNT) { keys[i].cnt++; } else if (keys[i].stable != now) { keys[i].stable = now; if (now) keys[i].pressed = 1; /* 只在上升沿产生一次事件 */ } } }

这里的关键是“事件”和“电平”分开：主循环读 pressed 标志做一次性动作，读 stable 做长按判断。DEBOUNCE_CNT 按调用周期算，10ms 调一次、设 2 就是 20ms 消抖，机械按键够用；如果是薄膜键盘或者导电橡胶，可以加到 3。显示部分同理，用定时器驱动的刷新函数，主循环只管往显存里写内容，不要在业务代码里直接调 LCD 写命令。

4.2 AD 采集与滤波：中值和平均各管一段

AD 采集最怕两种噪声：一种是偶发的尖峰，比如电机换向、继电器吸合造成的单点野值；另一种是持续的高斯噪声。前者用中值滤波，后者用滑动平均，两个串起来效果最好，顺序不能反——先中值把野值剔掉，再平均压随机噪声，否则一个尖峰会被平均摊到后面好几个采样点上。

/* AD 两级滤波：9 点中值去毛刺 + 8 点滑动平均压随机噪声 */ #define MED_N 9 /* 中值窗口，必须奇数；越大越抗尖峰，跟随越慢 */ #define AVG_N 8 /* 平均窗口，取 2 的幂，可用移位代替除法 */ static uint16_t med_buf[MED_N]; static uint16_t avg_buf[AVG_N]; static uint32_t avg_sum; static uint8_t med_idx, avg_idx, med_ready; static uint16_t median9(const uint16_t *src) { uint16_t t[MED_N]; uint8_t i, j; for (i = 0; i < MED_N; i++) t[i] = src[i]; /* 9 个数的插入排序，开销可控，别在这个位置上去调快排 */ for (i = 1; i < MED_N; i++) { uint16_t key = t[i]; j = i; while (j > 0 && t[j - 1] > key) { t[j] = t[j - 1]; j--; } t[j] = key; } return t[MED_N / 2]; } uint16_t ad_filter(uint16_t raw) { uint16_t med; med_buf[med_idx] = raw; med_idx = (med_idx + 1) % MED_N; if (med_idx == 0) med_ready = 1; /* 攒满一窗才输出，避免前 8 次是脏数据 */ med = med_ready ? median9(med_buf) : raw; avg_sum -= avg_buf[avg_idx]; /* 滑出最旧值 */ avg_buf[avg_idx] = med; avg_sum += med; avg_idx = (avg_idx + 1) % AVG_N; return (uint16_t)(avg_sum >> 3); /* 除以 8，必须和 AVG_N 一致 */ }

参数量级要心里有数：采样率 1kHz 时，这个组合的群延迟大约是 (MED_N + AVG_N) / 2 个采样周期，也就是 8 到 9 毫秒。放在循迹环里问题不大，放在需要快速响应的电流环里就得把窗口砍到 3 点中值加 4 点平均。另外 avg_sum 是 32 位累加，8 个 12 位采样最大不到 33 万，不会溢出，但如果把 AVG_N 加到 64 就要重新核算。

还有一个常见失误：AD 参考电压取自 Vcc。电池一掉压，所有采样值一起漂，循迹阈值全部失效。要么用内部基准，要么在软件里同步采一路基准电压做归一化。

4.3 PWM 与步进细分：频率和占空比的参数账

PWM 的频率和分辨率是一对矛盾。定时器时钟固定，自动重装值越大频率越低，可调的占空比档位越多。20kHz 的电机驱动频率下，如果定时器只有 1MHz 计数，重装值是 49，占空比只有 50 档，低速时脉动明显；1kHz 时重装值 999，1000 档，调起来很细，但电机有可闻噪声。

/* 定时器 PWM 初始化：以 72MHz 主频、向上计数模式为例 */ void pwm_init(uint32_t freq_hz, uint8_t duty_pct) { uint32_t timer_clk = 72000000UL; uint32_t psc = 71; /* 预分频后计数频率 1MHz */ uint32_t arr = timer_clk / (psc + 1) / freq_hz - 1; /* 重装值决定频率 */ uint32_t ccr = (arr + 1) * duty_pct / 100; /* 比较值决定占空比 */ /* arr 越小频率越高，ccr 的可调档位也越少，这是硬约束 */ PWM_SET_PSC(psc); PWM_SET_ARR(arr); PWM_SET_CCR(ccr); PWM_ENABLE(); }

上面这段里的 psc 和 arr 需要按实际主频改。如果主频是 72MHz、要 20kHz，算出来 arr 约等于 49，此时占空比每档约 2%，做闭环调速会看到明显的台阶，解决办法是把主频提上去，或者换成更高分辨率的定时器。步进电机的细分则是硬件层面的事，L297 通过两个输入脚选择整步、半步和斩波模式，软件侧只需要发脉冲，脉冲频率决定转速，脉冲总数决定位移，加减速曲线要自己写，不能一上电就全速发脉冲，那样必丢步。

4.4 软件延时和定时器计时不是一回事

软件延时只能用在微秒级、对精度要求不高的地方，比如单总线器件的时序、上电初始化的等待。它的实际时长依赖主频、编译优化等级、甚至中断是否开着，换台机器、换个优化选项就得重新标定。

/* 软件延时：只用于初始化、单总线时序这类微秒级场合 */ void delay_us(uint32_t us) { while (us--) { NOP(); NOP(); NOP(); NOP(); /* 每轮约 1us，换主频必须重新标定 */ } }

秒表、测速、测距全部要用硬件定时器。测速的基本式子是：转速（rpm）= 60 × 单位时间脉冲数 / (码盘线数 × 采样时间秒)。用输入捕获测两个脉冲之间的间隔，比固定周期数脉冲精度高，尤其在低速时。测距用超声波的话，回响脉宽除以声速再除以二，温度对声速有影响，要求高的场合得补一个温度传感器做修正。

4.5 寻迹、避障、测速这些算法落到函数上

循迹我一般用加权平均而不是简单的开关量判断：几路光耦各给一个权重，算出的偏差是连续值，PID 才有得调。避障用状态机而不是一堆 if 嵌套，状态分为“直行、减速、转向、后退重试”，每个状态有明确的退出条件，赛场上出问题能一眼看出卡在哪一步。

测距和测速的输出要做限幅和死区，传感器偶尔跳一个野值不至于让控制器发疯。这些细节不写进模板，赛场上现补一定来不及。

5. 避坑与排查：五条赛后复盘出来的翻车记录

下面五条都是我自己或者旁边队伍真实撞过的，现象、原因、解决按顺序写，照着对号入座能省不少时间。

5.1 电机一转主控就复位

现象：小车静止时程序跑得好好的，一给电机 PWM，主控立刻重启，串口输出从头开始。

原因：电机启动电流把 5V 母线拉低到复位阈值以下，或者大电流走线和信号地共用一段，地弹把复位脚拉低。

解决：电机电源和逻辑电源彻底分开，只在一点共地；升压或降压输出端并 470μF 以上电解；复位脚加 100nF 到地；PWM 加软启动，占空比从 0 逐步升上去，别一步到位。做完这几条还复位的，查一下电机两端有没有加续流二极管。

5.2 光耦读数乱跳，静止时也在变

现象：车停着不动，循迹光耦的数字口读数一秒跳好几次。

原因：把模拟输出直接接了数字口，阈值由 I/O 的输入门限决定，而这个门限随温度和电源电压漂。

解决：加比较器，用 LM339 或 LM393，配电位器现场调阈值，再加正反馈做迟滞。调完之后再测一遍，静止状态下读数应该完全不动。

5.3 数码管一亮，LCD 就花屏

现象：单独显示都正常，两个一起工作，LCD 出现乱码或者对比度变差。

原因：数码管动态扫描的瞬时电流把 5V 拉出纹波，LCD 的对比度电压跟着抖；或者扫描在中断里跑，打断了 LCD 的写时序。

解决：数码管段选串限流电阻，别靠软件调占空比硬压亮度；LCD 写操作加忙标志判断，不要在中断里写 LCD；5V 那一路给 LCD 单独加 100μF 加 100nF 的去耦组合。

5.4 步进电机丢步，位置越走越偏

现象：空载时正常，装上负载走几十步就开始偏，走一圈回来对不上原点。

原因：脉冲频率上得太快没有加减速；L297 的斩波电流设定偏小，带不动负载；机械上有回程间隙。

解决：写梯形或 S 形加减速曲线，启动频率从几百赫兹开始；调 L297 的参考电压把相电流设到电机额定值的 80% 左右；联轴器和齿轮的间隙用单向回零的方式规避，别指望机械精度。

5.5 电池用到后半程，所有阈值都失效

现象：满电时循迹很正常，跑一小时后开始乱拐，换了新电池又好。

原因：AD 参考电压取自 Vcc，电池掉压导致所有采样值同比缩小，之前调好的阈值全部偏移。

解决：改用内部基准，或者在软件里同步采一路已知基准做归一化；加电池电压监测，低于阈值就在显示上报警，让人知道是电压问题而不是算法问题。

6. 赛前一周的落地动作：六项检查和一块调试面板

清单写得再全，不做一遍通电检查都是纸上谈兵。我现在的习惯是赛前一周把模块全部摊在桌上，按下面的顺序过一遍，每项都实测，不留“应该没问题”。

具体到那个最省钱的动作：把所有模块做成可插拔的小板，每块板上印好电压、信号名、输入输出方向，接插件统一用同一种间距的排针。听上去是强迫症，实际收益是赛场上换一个坏掉的光耦只要三秒，而不是拿烙铁在车底下拆线。线材也要贴标签，至少把电源正负、编码器 A/B、PWM 这几根标出来，半夜三点的时候，人眼分不清红黑线。

从那以后我每次备赛都强制走一遍这套流程：先算电流，再配调理，最后才碰传感器。传感器买贵了顶多是浪费钱，电源和调理没做好，是四天三夜全搭进去。希望帮到你。

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