GPT-4o给出的设计方案：

一、总体设计

设计一个双车交替超车竞速系统，两个小车沿跑道同步起跑，过程中实现交替超车功能，最终完成竞速并终止。在设计中，使用MCU控制小车的行驶与超车。当小车接近标志线时，通过传感器检测位置，并控制电机调整速度，实现交替超车和竞速目标。

二、简单论证

1. 同步启动：两个小车通过统一的启动信号同时起跑，确保同步性。
2. 超车检测：跑道中设置多个标志点，通过小车上的传感器检测位置，以确定超车时机。
3. 速度控制：MCU根据传感器信号实时调整电机速度，控制小车实现交替超车和竞速。

三、重要指标的理论分析

1. 启动同步性：两个小车需在启动时同步起跑，启动误差应尽可能小。
2. 超车准确性：在标志点前后，传感器需精确检测位置，确保超车动作的准确完成。
3. 速度控制精度：MCU调速需要精确，部分速度控制尽可能稳定，避免小车行驶中出现偏差或失控。

四、电路原理图设计要点

1. 电机驱动电路：

   • 使用H桥电路（如L298N）驱动直流电机，通过PWM信号实现速度调节。

2. 位置检测电路：

   • 使用红外传感器或霍尔传感器检测跑道上的标志点，获取位置信号。传感器检测信号经过放大和滤波后送入MCU处理。

3. 控制电路：

   • MCU（如STM32系列）负责接收位置信号并控制电机驱动。
   • 系统包含启动按钮、LED指示灯及其他控制输入/输出接口，便于调试和运行状态的指示。

五、核心器件设计要点

1. 直流电机：

   • 要求较高转速和较大扭矩，以确保小车能够快速响应调速指令，实现竞速和超车。
   • 支持PWM调速控制。

2. H桥电机驱动模块：

   • L298N或L293D，提供正反转和PWM调速功能，并能承受电机额定电流和电压。

3. 位置传感器：

   • 红外传感器或霍尔传感器，要求触发灵敏度高，响应时间短，能够准确检测小车位置。

4. MCU（如STM32F103C8T6）：

   • 多种I/O接口，支持传感器输入和电机驱动。
   • 丰富的定时器和PWM功能，便于精确控制电机速度。

MCU主要功能代码，以下示例代码用于STM32系列MCU，实现同步启动、位置检测与速度控制：

#include "stm32f4xx.h"

#define SPEED_NORMAL 50 
#define SPEED_OVERTAKE 70 

void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Config(void);
void Motor_Control(uint8_t speed); 
int Read_Position_Sensor(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Config();

    while (1) {
        if (Read_Position_Sensor() == 1) {
            Motor_Control(SPEED_OVERTAKE);
        } else {
            Motor_Control(SPEED_NORMAL);
        }
        HAL_Delay(100);
    }
}

void SystemClock_Config(void) {
    // 配置系统时钟
}

void GPIO_Config(void) {
    // 配置GPIO引脚
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1; // 假设位置传感器连接到PA0，电机控制信号连接到PA1
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT | GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

void Motor_Control(uint8_t speed) {
    // 通过PWM信号控制电机速度
    // 这里假设使用定时器产生PWM信号，具体配置需根据实际硬件和需求调整
    TIM_HandleTypeDef htim;
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;

    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE(); // 假设使用TIM1

    htim.Instance = TIM1;
    htim.Init.Prescaler = 0;
    htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim.Init.Period = 100;
    htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim);

    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = speed;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim, TIM_CHANNEL_1);
}

int Read_Position_Sensor(void) {
    return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 读取位置传感器信号
}

通过上述设计及代码实现，系统能够满足两个小车分时超车竞速的规定要求，确保小车在行驶中能够快速准确地调整速度，实现超车和竞速功能。这些设计充分考虑了系统稳定性、精确性和易用性。

本题考察的主要知识点：

1. 电动机驱动控制：通过H桥电路实现对直流电动机的正反转和速度控制。
2. 传感器应用：使用红外或霍尔传感器检测小车位置，实现精准位置反馈。
3. 嵌入式系统编程：编写嵌入式C代码控制MCU，实现对传感器数据的读取和电机驱动控制。
4. PWM信号生成：通过MCU的定时器模块产生PWM信号，精确控制电动机速度。
5. 同步控制：确保两个小车同步启动及协调运行，实现交替超车功能。
6. 实时系统设计：处理实时的传感器数据和控制信号，保证系统的响应速度和稳定性。