2019 线路负载及故障检测装置（C题）

设计并制作线路负载及故障检测装置，示意图如图1所示。检测装置只通过两个连接端子与两根导线连接。导线上A、B两点距离各自连接端子约5cm，远端30cm范围内为连接负载和故障区域。负载由电阻（额定功率0.25W）、电容（耐压16V）和电感（额定电流50mA）3个元件中任意2~3个元件串联或者并联组成。其中电阻值范围：200Ω~2kΩ，电容值范围：200nF~2μF，电感值范围：100μH~1mH。检测装置由5V单电源供电，能实时检测和显示负载网络结构，负载开路、短路故障报警，以及短路故障点位置测量。响应时间不大于5s 全国大学生电子设计竞赛是一项旨在培养大学生创新能力和团队协作精神的赛事。2019年的C题，即"线路负载及故障检测装置"，要求参赛队伍设计一个装置，该装置能够实时检测并显示负载网络结构，同时具备开路、短路故障的报警功能，并能定位短路故障点。 基础要求主要包括： 1. 装置需有开路和短路故障的独立指示报警。 2. 装置能准确测量给定电阻、电容和电感的值，误差不超过5%，测量时间不超过5秒。 3. 能识别由2至3个元件串联或并联组成的负载网络结构。 发挥部分则增加了难度： 1. 当短路故障点与A点或B点距离相等时，装置需测量并显示该距离，误差不超过1.0cm。 2. 在模拟环境噪声条件下，利用扫频信号1（100Hz至1kHz）测量故障点距离，同样要求误差不超过1.0cm。 3. 在此基础上，再使用扫频信号2（1MHz至10MHz）进行测量，保持相同的精度要求。 4. 其他可能的扩展功能。 测试环境会提供高精度元件，导线使用特定规格的铜芯网线，而参赛者需要准备自己的导线和短路线。扫频信号具有特定参数，如方波形、峰峰值、扫描时间和频率范围。短路故障点定位需要实时且稳定，不允许使用测距传感器，且允许短路线与导线焊接连接。 评分标准涵盖设计报告、理论分析、电路与程序设计、测试方案和结果等多个方面，总计120分。其中，完成基本要求和发挥部分的各项目均有明确的分数分配，强调了设计的完整性、创新性和实用性。 在实际设计过程中，参赛队伍需要考虑以下关键知识点： - 电路设计：如何构建能检测不同负载组合的电路，以及处理开路、短路故障的电路逻辑。 - 数字信号处理：理解并应用扫频信号进行故障点定位，这涉及到滤波、频率分析和信号处理算法。 - 误差分析：计算和控制测量误差，确保测量精度。 - 抗干扰技术：设计电路以减小环境噪声的影响，提高测量的准确性。 - 微控制器编程：实现自动化检测和报警功能，以及数据显示和控制。 - 电源管理：确保装置仅使用5V单电源供电，满足低功耗要求。 这个竞赛题目涵盖了电子工程中的多个核心领域，要求参赛者具备扎实的理论基础、实践技能和创新能力，以完成这样一个全面的电子产品设计。