GPT-4o给出的建议

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✅ 一、合理设计方案

1.1 项目目标

设计一个通过非接触式手势控制的控制盘，实现：

• 启动/停止风扇（正/反转）

• 手势调压（3~10V）

• 设定运行时间（15~30s）

• 设定目标电压（3.0~10.5V）

• 组合操作模式（存储 + 回放操作序列）

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🧰 二、平台推荐与选型

功能模块	推荐器件/平台	理由
主控 MCU	MSPM0G3507 / STM32F103	低功耗+资源充足+PWM控制能力强
光电传感器	TCRT5000 / CNY70（漫反射型）	成本低、稳定感应
超声测距	成品SR04探头 + 自制放大电路	保证精度、方便实现 5~30cm 测距
显示模块	OLED 0.96寸（I2C） / TFT SPI	显示参数/状态/距离信息
风扇驱动	MOSFET（IRF540N等） + PWM控制	电压调节/正反转通过H桥
电压测量	电阻分压 + ADC	显示实际电压 UM 用于对比 UD

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⚙️ 三、设计重点与注意事项

3.1 非接触手势识别策略

• 以“从Sx到Sy的手势顺序感应”实现方向控制（启动、停止、调速）

• S1~S4为四个 TCRT5000 模拟光电开关

• 通过 ADC 比较光强变化时间差判断挥动方向

3.2 超声波测距精度控制

• 使用 HC-SR04 或自制超声探头

• 定时器测量超声回波脉宽，换算距离 d

• 增加多次滤波（中位值、平均）确保 <1cm 误差

3.3 电压调节与控制

• 使用占空比调整 PWM → 经过 LC 滤波 → 控制风扇工作电压

• 用 ADC 测量输出电压 UM，精确控制 UD 与 UM 误差 < 0.1V

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🧠 四、考查的知识点与技能点

类别	涉及技能点
模拟电路设计	漫反射光电开关、超声波收发、电压采样与滤波
嵌入式系统设计	MCU编程、PWM调速、ADC采样、按键状态机
控制逻辑	手势方向识别状态机、组合操作序列存储与执行
信号处理	手势触发判断、多传感器融合、滤波算法
显示与交互	OLED显示、参数设定界面、倒计时实现
数据存储	操作序列存储（数组或 EEPROM）与重放机制

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👨‍💻 五、推荐程序架构（模块划分）

// main.c
int main(void)
{
    Init_All();  // 初始化系统、IO、显示、PWM、ADC
    while(1)
    {
        Update_Sensors();     // 超声 + 光电传感器处理
        Gesture_Detect();     // 手势方向判断
        State_Machine();      // 各功能控制状态机
        Fan_Control();        // 电压调节 + 正反转控制
        Display_Update();     // OLED界面更新
        Record_Sequence();    // 组合操作录制与回放
    }
}

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📌 六、设计建议总结

项目	建议方案
手势识别	比较多个光电传感器响应时间顺序
测距	超声波定时器 + 中值滤波
PWM电压控制	输出占空比比例控制、LC滤波平滑
电压采样	电阻分压 + ADC采样
显示方式	OLED 显示 d、UD、UM、t、状态字
组合操作功能	使用结构体数组记录指令序列，支持8组操作

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下面是基于 TCRT5000 或 CNY70 光电传感器实现的 手势方向识别程序框架，用于《I题：非接触式控制盘》中启动、停止、调压等控制操作的识别逻辑。

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✅ 一、硬件前提假设

编号	传感器位置	功能说明
S1	最左侧	手势起点/终点
S2	中左
S3	中右
S4	最右侧	手势起点/终点

• 用户手从左到右划过：启动风扇

• 从右到左划过：停止风扇

• 长时间停在某一区域：识别为调压/设定操作

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✅ 二、程序结构框架（以 STM32/MSPM0 平台为例）

1. 全局变量定义

#define SENSOR_COUNT 4
#define SENSOR_THRESHOLD 1000  // ADC 阈值

uint16_t sensor_adc[SENSOR_COUNT];  // ADC 原始值
uint32_t sensor_time[SENSOR_COUNT]; // 触发时间戳
uint8_t gesture_triggered = 0;

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2. 传感器读取函数

void Read_Sensors(void) {
    for (int i = 0; i < SENSOR_COUNT; i++) {
        sensor_adc[i] = ADC_Read_Channel(i);  // 读取ADC
    }
}

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3. 触发时间记录逻辑

void Update_Sensor_Timestamps(void) {
    uint32_t now = millis();  // 获取当前毫秒时间
    for (int i = 0; i < SENSOR_COUNT; i++) {
        if (sensor_adc[i] > SENSOR_THRESHOLD && sensor_time[i] == 0) {
            sensor_time[i] = now;
        }
    }
}

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4. 手势判断逻辑函数

typedef enum { NONE, LEFT_TO_RIGHT, RIGHT_TO_LEFT } GestureType;

GestureType Detect_Gesture(void) {
    if (gesture_triggered) return NONE;

    // 判断触发顺序
    if (sensor_time[0] && sensor_time[3]) {
        uint32_t t1 = sensor_time[0];
        uint32_t t4 = sensor_time[3];

        if (t4 > t1 && (t4 - t1) < 500) {
            gesture_triggered = 1;
            return LEFT_TO_RIGHT;
        } else if (t1 > t4 && (t1 - t4) < 500) {
            gesture_triggered = 1;
            return RIGHT_TO_LEFT;
        }
    }
    return NONE;
}

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5. 主循环中的调用逻辑

void Gesture_Handler(void) {
    Read_Sensors();
    Update_Sensor_Timestamps();

    GestureType g = Detect_Gesture();
    switch(g) {
        case LEFT_TO_RIGHT:
            Start_Fan();
            break;
        case RIGHT_TO_LEFT:
            Stop_Fan();
            break;
        default:
            break;
    }

    // 复位逻辑（例如每秒清空一次）
    if (millis() - last_reset_time > 1000) {
        for (int i = 0; i < SENSOR_COUNT; i++) {
            sensor_time[i] = 0;
        }
        gesture_triggered = 0;
        last_reset_time = millis();
    }
}

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✅ 三、建议时序图示意

←───[S1]────[S2]────[S3]────[S4]───→

左→右手势触发顺序（S1最先、S4最迟）

每个传感器触发时间之间间隔应在 50~200ms 内，避免抖动或误判。

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✅ 四、可扩展手势种类建议

手势类型	触发规则	动作
左 → 右挥手	S1先触发，S4后触发	启动
右 → 左挥手	S4先触发，S1后触发	停止
静止停留 S2	S2持续被遮挡 > 2s	电压设置模式
连续左→右→左	时间内完成左右两次挥手	进入组合操作模式

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以下是《I题：非接触式控制盘》中使用 超声波测距 + OLED 显示测距结果 的完整参考代码框架，适用于 MSPM0、STM32、Arduino 等平台。

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✅ 一、系统构成假设

模块	说明
超声波模块	HC-SR04 或 自制发射+接收对管
显示模块	OLED 0.96"（I2C接口，SSD1306）
MCU	MSPM0 / STM32 / Arduino

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🧰 二、硬件连接（示意）

模块引脚	接 MCU
HC-SR04 TRIG	GPIO 输出
HC-SR04 ECHO	GPIO 输入（带捕获功能）
OLED SDA	I2C SDA
OLED SCL	I2C SCL

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🧠 三、程序模块结构

// 主循环结构
int main(void)
{
    System_Init();          // 时钟/IO初始化
    OLED_Init();            // OLED初始化
    Ultrasonic_Init();      // 定时器 + GPIO初始化

    while (1)
    {
        float dist = Get_Distance();       // 读取测距值
        OLED_ShowDistance(dist);           // 显示到OLED
        Delay_ms(200);                     // 周期测量
    }
}

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📡 四、超声波测距核心函数（单位：cm）

4.1 MSPM0 / STM32 定时器实现框架（定时器频率 1MHz，分辨率 1us）

float Get_Distance(void)
{
    Trigger_Pulse();       // 拉高TRIG 10us

    while (!Echo_Rising());     // 等待上升沿
    uint32_t start = TIM_GetCounter();

    while (!Echo_Falling());    // 等待下降沿
    uint32_t end = TIM_GetCounter();

    uint32_t duration = end - start;     // us 时间差
    float distance = duration * 0.017;   // cm
    return distance;
}

4.2 触发脉冲函数

void Trigger_Pulse(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);
    Delay_us(10);
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

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📺 五、OLED 显示函数（SSD1306）

5.1 显示距离函数

void OLED_ShowDistance(float dist)
{
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Distance:", 16);
    
    char buf[10];
    sprintf(buf, "%.1f cm", dist);
    OLED_ShowString(0, 2, buf, 16);
}

5.2 示例输出界面（16x2格式）

Distance:
12.3 cm

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✅ 六、稳定性优化建议

问题	处理方式
距离抖动	多次采样取平均 / 中值
假回波/干扰	设置最大超时时间（>30ms）
OLED刷新闪烁	分区域更新 or 加屏缓存
ECHO 脉冲过长或不准	使用定时器输入捕获方式

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📦 七、平台适配说明

平台	建议实现方式
MSPM0	使用 Timer A + GPIO 中断
STM32	使用 TIM 输入捕获通道 + HAL 库
Arduino	使用 pulseIn() + delayMicroseconds()

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以下是《I题：非接触式控制盘》中用于风扇 PWM 电压调节 + 正反转控制的完整逻辑与程序结构框架，适用于 MSPM0、STM32、Arduino 等平台。

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✅ 一、控制目标

功能	实现方式
可调电压输出	PWM 输出经 LC 滤波控制风扇
风扇正反转	H 桥电路（如L298N或MOS驱动）控制极性
精准电压控制	ADC 实测 UM 与目标 UD 比较调整占空比

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🧰 二、硬件控制策略

2.1 控制方式

⬛ PWM 输出（调压）：

• 占空比调节范围对应 3.0V ~ 10.5V（可线性映射）

⬛ 正反转控制：

• 采用 H 桥（如 IRF540N+IRF9540N 或 L298N）

• 控制两路 IO：DIR1, DIR2，如下：

DIR1	DIR2	方向
1	0	正转
0	1	反转
0	0	停止

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🧠 三、主控逻辑框架

#define PWM_TIMER htim1
#define PWM_CHANNEL TIM_CHANNEL_1

#define DIR1_PIN GPIO_PIN_0
#define DIR2_PIN GPIO_PIN_1
#define DIR_GPIO GPIOA

float target_voltage = 5.0f;  // UD
float actual_voltage = 0.0f;  // UM
uint8_t direction = 1;        // 1: 正转, 0: 反转

void Set_Direction(uint8_t dir)
{
    if (dir == 1) {
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR1_PIN, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR2_PIN, GPIO_PIN_SET);
    }
}

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⚙️ 四、PWM调压函数（目标电压控制）

void Set_PWM_ByVoltage(float voltage)
{
    // 假设满占空比输出 12V，对应 TIM->ARR = 1000
    float duty = voltage / 12.0f;      // 范围 0.25~0.875
    if (duty > 0.9f) duty = 0.9f;
    if (duty < 0.25f) duty = 0.25f;

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL, duty * PWM_TIMER.Init.Period);
}

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🧪 五、电压反馈闭环控制（可选 PID）

void Voltage_Control_Loop(void)
{
    actual_voltage = Read_ADC_UM();    // 实测输出电压
    float error = target_voltage - actual_voltage;

    float Kp = 150.0f;
    float duty = (actual_voltage + error * Kp) / 12.0f;

    if (duty > 0.9f) duty = 0.9f;
    if (duty < 0.25f) duty = 0.25f;

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL, duty * PWM_TIMER.Init.Period);
}

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🧩 六、主循环集成示意

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    PWM_Init();              // 启动PWM
    GPIO_Init();             // DIR引脚
    ADC_Init();

    Set_Direction(1);        // 设置初始方向正转

    while (1)
    {
        Voltage_Control_Loop();       // 电压闭环控制
        OLED_Show_UM_UD();            // 实时显示 UM 与 UD
        HAL_Delay(100);
    }
}

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📦 七、PWM硬件设计建议

• PWM输出端接LC滤波后再驱动风扇

• 建议使用**MOSFET（N+P管H桥）**代替继电器，提升速度和可靠性

• 若采用 L298N 则占空比控制精度稍差，功耗大

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✅ 八、总结与扩展

功能项	实现方式建议
正反转	2 GPIO 控制 H 桥输入
电压可调	PWM 占空比控制 + LC 滤波
电压检测	分压后接 ADC
闭环调节	简易比例控制或 PID
电压范围控制	占空比限幅在 25~90%之间

 

以下是《I题：非接触式控制盘》中用于**风扇 PWM 电压调节 + 正反转控制**的完整逻辑与程序结构框架，适用于 MSPM0、STM32、Arduino 等平台。

--- ## ✅ 一、控制目标 | 功能 | 实现方式 | | ------ | ------------------------ | | 可调电压输出 | PWM 输出经 LC 滤波控制风扇 | | 风扇正反转 | H 桥电路（如L298N或MOS驱动）控制极性 | | 精准电压控制 | ADC 实测 UM 与目标 UD 比较调整占空比 | --- ## 🧰 二、硬件控制策略 ### 2.1 控制方式 #### ⬛ PWM 输出（调压）： * 占空比调节范围对应 3.0V \~ 10.5V（可线性映射） #### ⬛ 正反转控制： * 采用 H 桥（如 IRF540N+IRF9540N 或 L298N） * 控制两路 IO：DIR1, DIR2，如下： | DIR1 | DIR2 | 方向 | | ---- | ---- | -- | | 1 | 0 | 正转 | | 0 | 1 | 反转 | | 0 | 0 | 停止 | --- ## 🧠 三、主控逻辑框架

c
#define PWM_TIMER htim1
#define PWM_CHANNEL TIM_CHANNEL_1

#define DIR1_PIN GPIO_PIN_0
#define DIR2_PIN GPIO_PIN_1
#define DIR_GPIO GPIOA

float target_voltage = 5.0f;  // UD
float actual_voltage = 0.0f;  // UM
uint8_t direction = 1;        // 1: 正转, 0: 反转

void Set_Direction(uint8_t dir)
{
    if (dir == 1) {
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR1_PIN, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR2_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR1_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_GPIO, DIR2_PIN, GPIO_PIN_SET);
    }
}

--- ## ⚙️ 四、PWM调压函数（目标电压控制）

c
void Set_PWM_ByVoltage(float voltage)
{
    // 假设满占空比输出 12V，对应 TIM->ARR = 1000
    float duty = voltage / 12.0f;      // 范围 0.25~0.875
    if (duty > 0.9f) duty = 0.9f;
    if (duty < 0.25f) duty = 0.25f;

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL, duty * PWM_TIMER.Init.Period);
}

--- ## 🧪 五、电压反馈闭环控制（可选 PID）

c
void Voltage_Control_Loop(void)
{
    actual_voltage = Read_ADC_UM();    // 实测输出电压
    float error = target_voltage - actual_voltage;

    float Kp = 150.0f;
    float duty = (actual_voltage + error * Kp) / 12.0f;

    if (duty > 0.9f) duty = 0.9f;
    if (duty < 0.25f) duty = 0.25f;

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL, duty * PWM_TIMER.Init.Period);
}

--- ## 🧩 六、主循环集成示意

c
int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    PWM_Init();              // 启动PWM
    GPIO_Init();             // DIR引脚
    ADC_Init();

    Set_Direction(1);        // 设置初始方向正转

    while (1)
    {
        Voltage_Control_Loop();       // 电压闭环控制
        OLED_Show_UM_UD();            // 实时显示 UM 与 UD
        HAL_Delay(100);
    }
}

--- ## 📦 七、PWM硬件设计建议 * PWM输出端接LC滤波后再驱动风扇 * 建议使用\*\*MOSFET（N+P管H桥）\*\*代替继电器，提升速度和可靠性 * 若采用 L298N 则占空比控制精度稍差，功耗大 --- ## ✅ 八、总结与扩展 | 功能项 | 实现方式建议 | | ------ | ----------------- | | 正反转 | 2 GPIO 控制 H 桥输入 | | 电压可调 | PWM 占空比控制 + LC 滤波 | | 电压检测 | 分压后接 ADC | | 闭环调节 | 简易比例控制或 PID | | 电压范围控制 | 占空比限幅在 25\~90%之间 | ---

 

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以下是针对全国大学生电子设计竞赛 I题《非接触式控制盘》 的项目报告模板，适合 3 人团队在 4 天内整理文档成果。内容结构涵盖硬件设计、控制逻辑、实验验证和创新点等方面，便于直接在 Word 中编辑。

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全国大学生电子设计竞赛项目报告

I题：非接触式控制盘

队伍编号：_______
学校名称：_______
队员姓名：、、_______
指导老师：_______
比赛时间：2025年7月30日 ～ 8月2日

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一、课题理解与设计目标

简要说明题目要求：

本设计旨在实现一个无需接触即可通过手势控制风扇启停、调压、倒计时和组合操作的智能控制盘。采用非接触式传感器检测手势动作，通过MCU进行逻辑控制，驱动风扇进行正反转与电压调节，具备设定目标电压、运行时间与组合操作功能，提升人机交互智能性与安全性。

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二、系统总体设计

2.1 系统结构图

（插入结构框图，标出光电传感器、超声测距、MCU、电压采样、PWM控制、H桥驱动、OLED等）

2.2 功能模块划分

模块	功能说明
光电手势识别	检测手势滑动方向、停留状态
超声波测距	实时获取手-面板之间距离
MCU主控	状态机逻辑判断、PWM调压
电压采样	反馈当前风扇电压UM
显示模块	实时显示目标电压、距离、状态
风扇驱动	MOS或L298N实现PWM+正反转控制
操作记录模块	存储与回放组合操作序列

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三、硬件设计

3.1 器件选型

功能	器件型号	说明
MCU主控	MSPM0G3507 / STM32	具备ADC、PWM、I2C接口
光电传感器	TCRT5000	检测遮挡或滑动
超声波模块	HC-SR04	距离精度 < 1cm
显示模块	OLED 0.96" I2C	实时数据显示
风扇驱动	L298N / MOSFET桥	实现PWM调压与正反转
电压采样	电阻分压+滤波+ADC	实时反馈UM电压

3.2 电路原理图

插入系统主要电路图：MCU接口、传感器连接、电压调节与采样、驱动模块等

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四、软件设计与控制流程

4.1 控制流程图

（插入流程图：手势识别 → 状态识别 → 电压设置/启动 → 倒计时 → 停止）

4.2 模块程序结构

模块	功能说明
Gesture_Detect()	判断左右挥动、静止等动作
Ultrasonic_Read()	获取当前手距
Voltage_Control()	PWM调整输出电压
Fan_Direction_Set()	控制正反转方向
Display_Update()	OLED界面更新
Record_Replay()	操作记录与组合执行

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五、关键技术与难点

技术点	实现说明
多通道光电滑动识别	利用多通道 ADC 采样 + 时间戳判断方向
超声波测距抗抖动	增加中位值滤波、设置最大超时门限
PWM调压与采样反馈闭环	根据UM与UD误差调整占空比，确保误差小于0.1V
正反转逻辑控制	通过H桥切换极性实现正/反转
OLED人机交互界面	多行数据实时更新、状态指示

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六、实验测试与验证

测试项目	预期结果	实测结果	是否达标
左右手势响应时间	≤ 300ms	180ms	√
距离测量误差	≤ ±1cm	±0.6cm	√
电压控制精度	UM误差 ≤ 0.1V	0.07V	√
组合操作存储条数	≥ 8条	10条	√
倒计时功能	可设定至30s	支持	√

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七、创新点与特色

• 非接触式多点手势识别算法，支持左右滑动与静态识别；

• 动态调压+闭环采样反馈，精确控制目标电压；

• 支持组合操作录制与回放，模拟真实控制行为；

• UI界面友好，具备运行状态、倒计时、电压实时显示；

• 抗干扰设计，保证手势识别鲁棒性与可靠性。

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八、项目分工

姓名	负责内容
队员A	硬件搭建、电路焊接与调试
队员B	MCU软件逻辑开发、手势识别算法
队员C	显示界面、美观设计、测试验证

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九、总结与反思

本项目提升了我们在多传感器融合、嵌入式控制、电压调节与人机交互方面的能力。在有限时间内完成方案设计与样机实现，对任务划分与团队配合提出了较高要求。通过项目，我们深入理解了非接触交互的实用性和挑战。

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十、附录

• 系统结构图、流程图

• 原理图与PCB截图

• OLED 界面示意

• 核心代码片段

• 实测图片与数据记录

• 参考文献与外部资料链接（如HC-SR04说明书等）

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