2023年电赛K题

《K题：全国大学生电子设计竞赛开源揭秘》

前言：

欢迎阅读本次全国大学生电子设计竞赛K题的开源方案前言。作为一项旨在激发创新思维和提升电子设计能力的竞赛，我们深知开源的重要性和价值。通过分享和交流，我们可以共同推动电子设计领域的进步，促进技术的发展与应用。

本次竞赛的K题涉及的是一项富有挑战性和前瞻性的任务。在这个演化迅速的数字化时代，电子设计扮演着越来越重要的角色。我们的目标是培养具备创新思维和解决问题能力的大学生，为未来科技发展做出贡献。

希望为各位参赛选手提供更多的参考和启发，同时也欢迎广大电子爱好者积极参与讨论与分享。无论是在硬件设计、软件编程还是系统集成方面，每一位读者都能找到一些有价值的收获。

本次开源方案的撰写倾注了参赛团队的心血和智慧，也凝聚了众多专业人士的经验和贡献。我们希望通过这份开源方案，能够为您提供实用、可行的解决方案，并激发更多的创新灵感和思考。

最后，感谢所有参与本次竞赛的团队和个人，无论您的方案是否入选，您的努力和付出都值得赞赏。希望这份开源方案能够为您提供参考和启示，推动电子设计领域的不断进步与发展。

祝愿每一位参与本次竞赛的选手都能收获成功和成长，让我们一起为电子设计的未来添砖加瓦！

团队介绍

参赛队伍：K728

指导老师：曹阳 赵倩

参赛队员：杨安乐 黄浩 陈中其

题目选择

2023年8月2日是充满激情和奋斗的一天，电赛官方终于公布了备受期待的题目。团队花费了相当一定时间来纠结、权衡三个题目：I、J、K。经过多次的讨论和分析，我们最终选择了挑战K题。接下来，将详细讲解我们团队在制作 "辨音识键奏乐系统" 的整个过程。

题目要求

一、要求

1.基本要求

（1）一键启动识别控制器自动演奏简单乐曲（如:起床号、两只老虎等)，时长不超过15s。

（2）分别敲击放置在1、3、5号位置上的3个空水杯进行识别学习训练，然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上，用时≤90s。

（3）在3个空水杯（2、4、5号)中各倒入50、100、150ml的水，分别进行敲击识别学习训练,然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上,用时≤90s。队员敲击水杯，识别控制器同时发出对应音高的声音。

2.发挥部分

（1）在5个空水杯中由队员注入不同容量的水，各杯中水容量之差不小于20ml，分别进行敲击识别学习训练，然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上，用时≤120s。队员敲击水杯演奏简单乐曲（如:起床号)，由识别控制器发出乐曲声。

（2）在完成发挥部分任务(1）的基础上，再增加3个加有不同水量（30、100、150m1)的杯子，按要求打乱8个杯子排序后并排放置，从其中敲击识别出打乱排序前的1~5号杯子，并在敲击的同时显示其杯号，敲到新增杯子后显示数字0，总用时≤90s。

（3）其他。

总体设计框图

作品构成

STM32H743核心板+淘晶驰串口屏+LM259电源转换模块+MAX9814麦克风模块+TPA3138功放模块+PAG117模块+航模电池+220V转12V开关电源+外壳机箱构成

各模块作用说明：

220V转12V开关电源

在赛题公布前认为使用12V电源可能更为适合。不过，现在赛题已经公布，我们可以对这个电源做一些优化和改进，以确保它能够满足实际需求。

12V转5V开关电源模块

把12V电源通过LM2596电源模块转换成我们需要的5V电源，采用的这个模块的原因是实训室太多LM2596模块，在这里也算是物尽其用了吧。

MAX9814麦克风模块

由于MAX9814是一款低成本，高品质的麦克风放大器，具有自动增益控制(AGC)和低噪声麦克风偏置。该器件具有低噪声前置放大器、可变增益放大器(VGA)、输出放大器、麦克风偏

置电压发生器和AGC控制电路，所以选择用MAX9814设计了一款麦克风模块，作为音频检测。

PGA117模块

PGA117是一款具有 10 通道多路复用器的零漂移、100µV 失调电压、12nV/√Hz 噪声、RRO（范围增益）可编程增益放大器，采用SPI通信，可以通过编程的方式调整内部增益，方便调试。我们选择的是CH1通道作为信号输入，输入端放置了一阶RC滤波器。

TPA3138功放模块

扬声器驱动选择TPA3138功放，选择它的原因是以前电赛剩下来的库存，缺点就是卖家打着电赛的理由疯狂涨价，价格非常高，必须吐槽一下这个卖家。自己做的成本才不超过20，于是根据手册提供的参考案例重新画板出来了。

STM32H743核心板

STM32H743核心板作为本次的主控，控制所有外部模块。STM32H743核心板没有完全layout，可以使用以前的STM32H750核心板替换，只需要更换一下即可。

以前的开源https://oshwhub.com/wyh200159/dian-saik-ti

航模电池

航模电池作为整机的备用电源，是为了防止现场测试没有地方上220V电源，此电池具有危险性，充电时最好有人在旁边守着，一定要小心已经鼓包的电池。

淘晶驰串口屏

淘晶驰串口屏是一款非常方便容易开发的一款屏幕同时价格友好，不需要写太多的代码，适合不怎么会写代码的人使用。开发工具也很简单容易半天时间就可以入门，同时还能仿真。性价比贼高。由于比赛的时间限制，屏幕制作过程中有一些bug，没有时间修改，如需更完善的屏幕界面，复刻者可以根据提供的模板进行二次修改。

硬件工作整体流程：

麦克风模块将检测到的信号通过模块OUT引脚输出，经过一阶RC滤波器输入进PGA117模块CH1通道，利用PGA117的SPI引脚与单片机建立通信，PGA117模块通过DOUT引脚输出信号，接入单片机的ADC引脚，通过ADC检测后利用傅里叶变换使用优化算法或库来实现快速傅里叶变换（FFT），以提高处理速度和准确性，处理成需要的信号，信号检测就此完毕。同时接入一个LED作为指示，检测到信号后就亮起来。单片机输出一个PWM信号作为扬声器播放的输入音源，通过控制PWM信号得到需要的音频，在输入到功放进行信号放大，增大驱动能力，扬声器采用4欧3W，音频模块需要给VCC接入5V才能使能。通过制作串口屏的界面，制作为需要的界面样式，确保用户操作的便捷性和直观性，单片机通过查找page页面和对应的ID即可改变屏幕中对应位置替换文本中显示的内容。点击屏幕中相应的位置，获得相应的功能。

程序运行流程图：

整机连线展示

由于我觉得他们制作的不方便维修，于是让他们拆掉重新做。懂压榨他们熬夜的。最终是下附图的样子，3D堆叠一下就看着更规范了。

机箱整体图如下

由于视频太大只能发布在b站上，视频链接https://www.bilibili.com/video/BV1Hu411P79M/?spm_id_from=333.999.list.card_archive.click