国一，使用AI8051U芯片为主控获得全国大学生电子设计竞赛国家一等奖

kwri***

6月中旬，我们开始了全国大学生电子设计大赛的备赛，对比其他型号的单片机，ai8051u单片机具有高性能、低功耗，在相同的工作频率下，Ai8051U系列单片机比传统的8051快约70倍。该系列单片机MCU内部集成4个自由可选的高精度R/C时钟，自带12位A/D及PWM输出等功能，ISP编程时工作频率可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路。所以我们队伍选择了ai8051u作为电赛的主控芯片。我们把23年J题和24年I题作为了电赛训练题目。初接触这个芯片，还是有些手忙脚乱的。但是在论坛中发现了冲哥的教学视频，冲哥的ai8051u教学讲解的非常好，简洁明了。对于初学者非常友好，我跟着视频和数据手册一步一步学习，很快熟悉了ai8051u芯片。在23年J题和24年I题的备赛中，主要使用了ai8051u芯片的adc读取电压值和pca的脉冲捕获功能，由于ai8051u的12位ADC，支持1T时钟分频模式，精度很高，读取电压值和频率非常准确，我们很快完成了这个两个题。

将一些必要的模块函数封装好后，电赛比赛开始了。在众多题目中，我们选择了i题非接触式控制盘，这个题主要用到了4个漫反射开关，一个自制超声波，我们以ai8051u芯片为主控，迪文屏负责显示数据，以pwm调压电路输出固定的电压。在比赛过程中，我们队友之间相互配合，再加上ai8051u的高性能，支持1T时钟分频模式和24MHZ工作频率，可以轻松实现更复杂的实时算法控制，具有高频捕捉的优势，超声波测的十分精准。我们一开始做的非常顺利，可是到了后面逐渐遇到了一些问题。比如，当时我们所用的pwm调压电路，设定电压后，通过pwm占空比控制输出电压。当时出现了一个问题，我程序设置频率为10khz，但是示波器输出只有2khz，我百思不得其解。于是我向交流群里寻求帮助。找到了问题所在，因为我的pwm是用定时器写的，多个定时器导致了时序上的冲突，导致了10khz只能输出2hz,群里有很多热心人向我推荐了几种方案，我最后查阅手册发现ai8051u的PWM时钟源与系统主时钟完全独立，由专门的内部振荡器提供，有极高的稳定性，无需使用定时器也能实现PWM功能，我仿照例程进行改写，这种方法很好的避免了定时器时序的冲突，我的pwm调压问题得到了解决。十分感谢群里的热心人们。遇到无法解决的困难，一定要找相关人员寻求帮助，虚心请教，找到解决问题的方法，这样才能一步步提升自己。最后解决了这个难题后，我们也是顺利的完成了这个题目。在一次一次的测试中，我们不断完善，不断优化。最终拿到了国家一等奖。ai8051u的高性能，高精度在电赛具有很大的优势，能够轻松实现各项功能。

下面我将介绍一下我做这个题的一些思路：
I题要求看附件。
本系统以Ai8051U系列单片机为核心控制器，通过协调手势识别、超声波测距、电机控制及显示模块，实现非接触式风扇控制功能。程序需完成以下核心功能：
（1）手势识别与解析：实时检测漫反射光电开关的触发序列，识别挥手方向，并触发对应操作。
（2）超声波测距：驱动自制超声波模块测量该模块与手掌间的距离。
（3）电机控制：通过PWM输出控制风扇启停、正反转及电压调速。根据手势调节PWM占空比实现电压步进。
（4）参数设置与倒计时：依据距离按题目要求设定运行时间。显示倒计时，控制指示灯状态。
（5）组合操作模式：支持用户编排并存储大于8个动作序列。按存储序列自动执行风扇动作（转向、电压、时长）。
（6）显示管理：实时显示操作距离、设定电压、倒计时、风扇转向及状态指示等信息。

1.设计思路：系统基于“实时检测-指令解析-参数调节-状态反馈”闭环逻辑工作。初始化阶段配置外设、预置参数、清零组合操作存储区。超声波模块定时测距计算操作距离，光电开关通过外部中断捕获信号并分析挥手方向。随后根据指令分模式处理：基本模式下识别正/反转切换风扇方向并启动，识别电压指令则调节PWM占空比；组合模式下记录存储动作序列，启动时按序执行并利用定时器中断倒计时控制。参数或状态更新后立即刷新显示屏，操作误差触发指示灯闪烁。（可见图1）



                   图1  系统方案图

2.超声波测距分析: 基于CS100A芯片的自制超声波测距模块是实现非接触距离检测的核心，其工作原理为回声测距法。模块通过发射探头向手掌方向循环发出8个40kHz脉冲信号，同时启动Ai8051U 的定时器计时，超声波在空气中传播至手掌后反射，被接收探头捕获，此时停止计时，得到超声波往返传播时间t，则距离计算公式为​d=v*t/2 其中，v为超声波在空气中的传播速度。（可见图2超声波电路原理图）


图2      超声波电路图

3.PWM调压分析：电路中IR2104是一款高压、高速功率MOSFET和IGBT 驱动器，结合MOS管及其它电路完成风扇所用不同幅度的驱动电压。风扇工作电压范围为3~10V，采用PWM脉宽调制实现电压调节，其工作原理是以12V为输入电压，通过MOS管作为开关器件，控制风扇供电的通断，输出电压与PWM占空比的关系为U输出=U输入*D，其中，D为占空比，0≤D≤1。（可见图3PWM调压电路图）


图3     PWM调压电路图


4.测试方法与数据：

（1）操作距离误差测试测试方法：使用角尺设定标准距离d，并将手掌置于自制超声波模块上方，此时显示屏展示操作距离值d11，结果如表1所示。据此可计算出操作距离的误差绝对值ε1，满足题目基础部分要求。




（2）风扇启停及正反转测试测试方法：向漫反射光电开关挥手，观察风扇的启停以及显示器展示的风扇转向和风扇实物的转向。测试结果证明光电开关可控制风扇的启停及正反转。

（3）风扇调速测试测试方法：在风扇转动期间，向漫反射光电开关挥手，观察显示器展示的风扇转速和风扇实物的速度。测试结果证明光电开关可控制风扇的转速。

（4）运行时间误差测试测试方法：使用角尺设定标准距离d，先用手掌确定距离，再由S3向S2挥手设定运行时间，此时观察显示器展示运行时间t和操作距离，并使用秒表得到实际运行时间t11，可算出显示时间与实际运行时间的误差绝对值ε2，结果如表2所示，满足题目发挥部分要求。



（5）工作电压误差测试测试方法：使用角尺设定标准距离d，先用手掌确定距离，再由S4向S1挥手设定工作电压，此时观察显示器展示工作电压UD和操作距离，并使用数字万用表得到实际工作电压Um，可算出显示电压与实际工作电压的误差绝对值ε3，结果如表3所示，满足题目发挥部分要求。




(6)组合操作模式测试测试方法：设定存储8个手势动作，将手停留在S1上方3s以上后撤手即进入组合操作模式；将手停留在S2上方 3s以上进入正反转选择模式，此时手放在S3选择正转，S4选择反转；将手停留在S3上方3s以上进入设定时间选择模式，此时手放在S1上方根据超声波距离设定正转运行时间，手放在S2上方根据超声波距离设定反转运行时间；将手停留在S4上方3s以上进入设定电压模式，此时手从S1挥向S4根据超声波距离设定正传工作电压，手从S2挥向S3根据超声波距离设定反转电压；最后将手放在S1上方3s以上结束组合模式设置，根据设定进行自动运行。以非接触式控制形式进入和结束组合操作模式，并使用(4)(5)测试方法进行t与实际运行时间的误差绝对值和UD与风扇电压UM的误差绝对值测试，满足题目发挥部分要求。
（7）语音控制：在进行相关测试时，加入了语音控制可实现风扇正反转，增加了测试的交互性与用户体验，有效满足了题目发挥部分中对于创新性和功能完整性的其他要求。
5.总结：本次非接触式控制盘设计，让我们深入理解了非接触控制技术与系统集成。硬件上，优化光电开关布局、校准超声波模块，控制误差在要求内。软件上，凭借AI8051U的高性能、高精度，用模块化编程实现功能，组合模式精准执行。从最终的测试结果看，本系统稳定性好，精度高，很好的完成了题目的各项要求。
  
图 5   图6  作品图

I题_非接触式控制盘.pdf (1.35 MB, 下载次数: 2)

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I题题目

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I题代码

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获奖证明

国芯人***

国芯人工智能回复如下：

非常感谢您对AI8051U芯片的肯定与认可，也祝贺你们在2024年全国大学生电子设计竞赛中取得优异成绩。AI8051U作为一款高性能、低功耗的增强型8051内核MCU，自推出以来一直致力于为开发者提供更高效、更灵活的嵌入式解决方案。从您的分享中可以看出，AI8051U在实际项目中的表现确实令人满意，尤其是在高精度ADC、PWM输出、PCA脉冲捕获等关键功能上，展现了其卓越的性能和稳定性。

在备赛过程中，选择AI8051U作为主控芯片是一个非常明智的决定。相较于传统8051单片机，AI8051U在指令执行效率、外设集成度以及系统功耗控制方面均有显著提升。其内置的四个高精度R/C时钟源，不仅降低了系统成本，还提升了系统的稳定性和可靠性；同时，12位ADC和PWM模块的高精度特性，使得在信号采集与控制方面具备更强的适应性。此外，ISP编程支持和可配置的工作频率设置，进一步简化了开发流程，提高了调试效率。

在学习与应用过程中，您提到通过冲哥的教学视频和数据手册快速掌握AI8051U的使用方法，这充分说明了我们产品文档的易用性与教学资源的完整性。我们始终重视开发者的学习体验，持续优化技术资料，并鼓励社区共建，以帮助更多开发者顺利上手并发挥AI8051U的最大潜力。

在电赛实际应用中，您团队基于AI8051U实现了非接触式控制盘的设计，成功结合了超声波测距、PWM调压以及迪文屏显示等功能，展示了该芯片在复杂实时控制场景下的强大能力。特别是在高频捕捉与精准测距方面，AI8051U的1T时钟分频模式和24MHz工作频率，为算法实现提供了充足的计算资源，确保了系统的响应速度与控制精度。

关于您提到的PWM频率异常问题，建议从以下几个方面进行排查：一是确认程序中是否正确配置了定时器/计数器的工作模式及分频系数；二是检查PWM输出通道的寄存器设置是否准确，尤其是占空比和周期值；三是查看示波器的触发设置是否合理，避免因采样率或触发条件导致测量误差。如需进一步协助，欢迎随时联系我们的技术支持团队，我们将竭诚为您提供专业的技术指导。

最后，再次祝贺您团队荣获全国大学生电子设计竞赛国家一等奖，这是对你们专业能力与创新精神的高度认可。希望AI8051U能继续助力更多优秀项目落地，推动国产芯片在教育与科研领域的广泛应用。未来，国芯人工智能将持续加大研发投入，不断优化产品性能，为开发者提供更优质、更全面的技术支持与服务。

[本文内容由国芯人工智能辅助生成，仅供参考]

芯***

感谢您对AI8051U芯片的肯定与认可，祝贺你们在2025年全国大学生电子设计竞赛中取得国家一等奖的好成绩。