2017年全国电子竞赛设计报告(A题)
2017年全国大学生电子设计竞赛试题 设计报告
2017年全国大学生电子设计竞赛试题设计报告四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题）【本科组】廖聪，吴雨航，张锦华摘要：根据四旋翼飞行器飞行原理，首先根据设计方案采购了飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。
根据系统动力学模型设计控制算法，设计控制系统控制规律，主要包括两个控制回路姿态控制回路、位置控制回路。
在仿真软件平台上，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。
最后，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作，最终设计出能够实现一键飞行探测跟踪的四旋翼自主飞行器。
关键词：ATMEGA2560 瑞萨R5F523T5ADFM MPU6000陀螺仪超声传感器一、系统方案根据设计任务的要求，本系统包括飞行控制模块、驱动模块、飞行导航模块、测距模块等。
1、飞行控制模块的选择飞行控制模块是四旋翼自主飞行器的核心。
按照题目要求，飞行控制模块由ATMEGA2560处理器的开发板专门实现飞行控制算法。
为了实现自主飞行探测跟踪，必须要形成控制的闭环回路，必须要有检测和反馈系统状态的传感器，包括四旋翼的姿态、经纬度、航向、高度、空速、角速率等信号。
目前看来，国内外普遍应用MEMS器件来获取姿态、高度、空速、经纬度等信息。
此外这中间还需要有A/D采样电路、信号调理电路对采集的电信号进行必要的转换和简单的滤波。
针对四旋翼飞行器，控制方法有PID控制、反步法、滑模控制等飞行控制算法，我们采用经典的PID控制算法。
2、驱动模块的选择方案一：采用普通直流电机。
普通直流电机有价格低廉、使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高、速度快、且质量要小，所以直流电机一般不能满足要求。
方案二：采用无刷直流电机，其具有响应速度快、较大的启动转矩，从零转速至额定转速具备可提供定转矩的性能。
2017年大学生子电子设计竞赛题目(A-P题全)附元器件清单
完成第（ 2）项
完成第（ 3）项
完成第（ 4）项 合计
完成第（ 1）项
完成第（ 2）项
完成第（ 3）项 其他
合计
总分
满分 3
6
6
3
2
20 12 10 15 13 50 10 15 15 10 50 120
A-3/3
逆境是成长必经的过程，能勇于接受逆境的人，生命就会日渐的茁壮。
2017年全国大学生电子设计竞赛试题
四、评分标准
系统方案 理论分析与计算
设计 报
基本 要求
完成第（ 1）项 完成第（ 2）项 完成第（ 3）项 完成第（ 4）项
项目 技术路线、系统结构、方案论证 小球检测及控制方法分析 电路设计与参数计算， 小球运动检测及处理， 执行机构控制算法与驱动 测试方法，测试数据，测试结果分析 摘要，设计报告结构及正文 图表的规范性
合计
合计
B-2/3
分数 3 5
5 4
3
20 10 10 15 15 50
逆境是成长必经的过程，能勇于接受逆境的人，生命就会日渐的茁壮。
发挥 部分
完成第（ 1）项 完成第（ 2）项 完成第（ 3）项 完成第（ 4）项
合计 总分
15 15 10 10 50 120
B-3/3
逆境是成长必经的过程，能勇于接受逆境的人，生命就会日渐的茁壮。
20cm
计时并显示，单位为秒。
7
20cm
2
3cm
5
4.5cm
8
20cm
3
6
9
二、要求
1.基本部分
图 1 平板位置分布示意图
（ 1） 将小球放置在区域 2，控制使小球在区域内停留不少于 5 秒。
2017年全国大学生电子设计竞赛滚球控制设计报告
2017年全国大学生电子设计竞赛滚球控制设计报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2017年TI杯江苏省大学生电子设计竞赛题目：滚球控制系统题目编号： B参赛队编号：XZ037参赛队学校：参赛队学生：2017年8月12日摘要：本设计是以STM32单片机为核心、采用视觉检测技术的的滚球控制系统，实现对小球在平板滚动的精确控制功能。
本设计基本模块包括MCU、摄像头、显示屏、机械平台、按键输入，其中MCU即STM32 F429开发板，摄像头采用OV2640，显示屏选择7寸TFT触摸屏。
通过摄像头获得图像数据，分析小球位置来控制平板倾斜，达到控制小球的目的。
关键词：单片机STM32、视觉检测、图像识别、OV2640Abstract: This design is based on STM32 single-chip microcomputer and the ball rolling control system with visual detection technology to realize the precise control function of the pellet rolling. The basic modules of this design include MCU, camera, display, mechanical platform, keystroke input, among which MCU is the STM32 F429 development board, the camera adopts OV2640, and the display screen selects the 7-inch TFT touch screen. The image data is obtained by the camera, and the position of the ball is analyzed to control the tilt of the plate to achieve the goal of controlling the pellet.Keywords: OV2640、Vision Detection Technology、Image Identification目录一前言 (4)二系统方案设计 (5)1 平板控制方案 (5)2 位置采集方案 (5)3 小球材料方案 (5)三理论分析与计算 (6)1 小球位置的分析与计算 (6)2 控制算法分析 (6)四电路与程序设计 (7)1 系统程序流程设计 (7)2 摄像头电路 (7)3 视觉定位流程设计 (7)4 舵机的控制思路 (8)五系统测试 (8)1 测试仪器 (8)2 测试方案及结果 (8)6 总结 (9)一前言题目要求我们在3cm直径的圆内稳定2cm左右的小球，精度很高。
2017年全国大学生电子设计竞赛 微电网模拟系统(A题)
float Ud,regesister;
ERR[0] = referenceInput-measuredOutput ;
Ui[0]=Ui[1]+ERR[0]*pidCoefficients[1];
Ud=(ERR[0]-ERR[1])*pidCoefficients[2];
regesister= ERR[0]*pidCoefficients[0]
滤波电感采用4股0.5mm的铜线绕制，降低电流密度以减小铜损耗。工作磁通设置到较低的值，减小磁芯的涡流和磁滞损耗。
2
当两台逆变器同时运行时，要求逆变器1和逆变器2能共同向负载输出功率，使负载线电流有效值 达到3A，频率 为50Hz±0.2Hz。即要求通向负载输出恒流，可以不考虑逆变器输出电压。则只需检测电流，通过具体的单片机的控制使输出达到设计要求。
float Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)
{
float temp_val=0;
u8 t;
for(t=0;t<times;t++)
{
temp_val+=Get_Adc(ch);
}
temp_val=(temp_val/times)*(3.3/4096);
return temp_val;
方案一：晶体管三相桥式逆变器
逆变器采用120°导通型的工作方式对换流的安全有利，但晶体管的利用率较低，用于控制120°导通型逆变器的导通角控制电路可采用硬件方式自动产生控制信号；也可采用微处理器的并行接口通过软件方式产生控制信号。
方案二：晶闸管构成的三相桥式逆变器
180°导通型逆变器正常工作的必要条件是可靠的换流，由于逆变器的输入是直流电源，一般晶闸管不能通过控制门极电压将它关断换流，因此必须采用强迫换流的方法。
2017全国大学生电子设计竞赛设计报告
2017年全国大学生电子设计竞赛简易水情检测系统（P题）2017年8月12日摘要本设计的是简易水情检测系统以STC89C52芯片为核心，辅以相关的外围电路，设计了以单片机为核心的水情检测系统。
系统主要由5V电源供电。
在硬件电路上在，用总线连接PH值传感器和水位传感器，通过传感器收集到的水情数据发送到单片机，单片机存储实时数据，并显示在12864LCD液晶屏上。
在软件方面，采用C语言编程。
通过对单片机程序设计实现对水情检测系统的水情数据的采集、显示和检测。
关键词：单片机最小系统；PH值传感器；水位传感器；AD模块AbstractThe design is a simple water regime detection system to STC89C52 chip as the core, supplemented by the relevant external circuit, designed to single-chip as the core of the water regime detection system. The system is powered by 5V power supply. In the hardware circuit, with the bus connection PH sensor and water level sensor, through the sensor to collect the water data sent to the microcontroller, single-chip storage of real-time data, and displayed on the 12864LCD LCD screen. In software, the use of C language programming. Through the single-chip program design to achieve the water regime detection system of water data collection, display and detection.Key words:single chip minimum system; PH value sensor; water level sensor; capacitance简易水情检测系统（P题）【专科组】一、系统方案本系统主要由单片机STC89C52模块、LCD显示模块、PCF8591电压转换模块、电源模块、水位检测模块、PH值检测模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
2017年全国大学生电子设计竞赛试题 设计报告
2017年全国大学生电子设计竞赛试题设计报告四旋翼自主飞行器探测跟踪系统（C题）【本科组】廖聪，吴雨航，张锦华摘要：根据四旋翼飞行器飞行原理，首先根据设计方案采购了飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，选取了功能强大且容易开发的微处理器、传感器和相关电子元器件，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成了整体设计。
根据系统动力学模型设计控制算法，设计控制系统控制规律，主要包括两个控制回路姿态控制回路、位置控制回路。
在仿真软件平台上，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。
最后，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作，最终设计出能够实现一键飞行探测跟踪的四旋翼自主飞行器。
关键词：ATMEGA2560 瑞萨R5F523T5ADFM MPU6000陀螺仪超声传感器一、系统方案根据设计任务的要求，本系统包括飞行控制模块、驱动模块、飞行导航模块、测距模块等。
1、飞行控制模块的选择飞行控制模块是四旋翼自主飞行器的核心。
按照题目要求，飞行控制模块由ATMEGA2560处理器的开发板专门实现飞行控制算法。
为了实现自主飞行探测跟踪，必须要形成控制的闭环回路，必须要有检测和反馈系统状态的传感器，包括四旋翼的姿态、经纬度、航向、高度、空速、角速率等信号。
目前看来，国内外普遍应用MEMS器件来获取姿态、高度、空速、经纬度等信息。
此外这中间还需要有A/D采样电路、信号调理电路对采集的电信号进行必要的转换和简单的滤波。
针对四旋翼飞行器，控制方法有PID控制、反步法、滑模控制等飞行控制算法，我们采用经典的PID控制算法。
2、驱动模块的选择方案一：采用普通直流电机。
普通直流电机有价格低廉、使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高、速度快、且质量要小，所以直流电机一般不能满足要求。
方案二：采用无刷直流电机，其具有响应速度快、较大的启动转矩，从零转速至额定转速具备可提供定转矩的性能。
电子设计大赛报告A题
光伏并网发电模拟装置（A题）设计与总结报告（摘要）本系统是以STC89S54单片机为控制核心，控制ZXCD1000产生SPWM脉冲，用以驱动逆变器完成DC-AC转换，经LC低通滤波网络，最终通过工频变压器完成电压输出。
单片机控制MAX1247 A/D采样和MAX525 D/A比较调整，以实现欠压保护和电流保护。
电流保护功能以及欠压和过流故障排除后，通过单片机程序控制过装置自动恢复正常状态。
同时，单片机通过控制AD603，配合MAX525 D/A 转换器调整输入正弦波，进而控制完成最大功率点追踪功能。
1 方案论证逆变器是本设计方案的核心部分，逆变电源一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种。
方案一：推挽电路。
功率晶体管共地连接，驱动及控制电路简单。
由于变压器具有一定漏感，可限制短路电流，电路的可靠性高。
缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。
方案二：高频升压变换技术。
这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，可实现高功率密度逆变，但工作频率均在20kHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小，重量轻。
方案三：全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点。
感性负载，输出电压波形也不会畸变。
该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。
根据题目要求，综合考虑到工作频率和变压器的利用效率，决定采用主要由场效应管组成全桥逆变电路并配合隔离驱动电路实现逆变。
整个系统可以划分为单片及控制部分和主电路转换两部分。
其中单片机及其控制部分包括STC89S54单片机核心，增益可变放大器和通过单片机控制的欠压保护、过电流保护和最大功率点跟踪部分。
主电路部分包括SPWM脉冲发生部分，隔离驱动电路，全桥变换，低通滤波和工频隔离变压器组成。
系统框图如图1所示。
图1 系统框图为了更好的实现各个部分及组成模块的功能，下面对以上各个模块方案进行比较论证。
1.1 控制模块方案一：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
2017年全国大学生电子设计竞赛
2017年全国大学生电子设计竞赛————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2017年全国大学生电子设计竞赛管道内钢珠运动测量装置（M题）【高职高专】摘要：系统以STC15W4K61S4单片机为主控器，设计一款管道内钢珠运动测量装置。
该装置可以获取管道内钢珠滚动的方向，以及倒入管道内钢珠的个数和管道的倾斜角度。
并通过LCD12864液晶显示屏实时显示钢珠滚动方向、个数以及管道的倾斜角度。
系统包括单片机主控模块、角度信号采集模块、磁力传感器模块、显示模块、电源模块、采用稳压输出电源为系统提供工作电源。
系统制作成本较低、工作性能稳定，能很好达到设计要求。
关键词:角度传感器、磁性接近开关、LCD12864目录1设计任务与要求 (1)1.1设计任务 (1)1.2技术指标 (1)1.3题目评析 (1)2方案比较与选择 (2)2.1单片机选择 (2)2.2角度测量选择 (2)2.3 钢珠运动检测选择 (2)2.4显示选择 (2)2.5电源选择 (2)3电路系统与程序结构设计 (3)3.1系统硬件总体设计 (3)3.2单片机最小系统模块设计 (3)3.3角度传感器模块设计 (3)3.4 磁性传感器模块设计 (3)3.5显示模块设计 (4)3.6电源模块设计 (4)3.7程序结构与设计 (4)4系统测试 (5)5总结 (6)参考文献及附录 (6)1设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一个管道内钢珠运动测量装置，钢珠运动部分的结构如图1.1所示。
1.2技术指标1．基本要求规定传感器宽度w≤20mm，传感器1和2之间的距离l任意选择。
（1）按照图1.1所示放置管道，由A端放入2～10粒钢珠，每粒钢珠放入的时间间隔≤2s，要求装置能够显示放入钢珠的个数。
（2）分别将管道放置为A端高于B端或B端高于A端，从高端放入1粒钢珠，要求能够显示钢珠的运动方向。
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入的电流值控制。实现给电池充电的步进可调。 充电电流显示为 1.017A，代表充电电流恒定。
主要原理图如下所示：
（2）步进可调测量，并测试电流的控制
-1SI 1 Rm01R F 4 u Rm4.11+1SI 1C 3 Fu7.4C 2 Fu7.4C 1 Fu7.4C K KK0 84 502 1001R1R2R F n 3 331C D N 3 F D G K4.06R p K51.2 N A 0 7 G 2 R 621C A D N G A 43210 1111198 CB F N DNGPDNGPDNGPQERF PMOC 1 45KSD D N GN SWW 1 ACNYSSENIVSS 04355SPTU 7654321 D N G F A n 2 1 211C D N N E G A k 6 1 D 5R N G H A u 1 0 1L F n 0 0 101C D N G A 9 Fu7.4C
D
结论
满足基本要求，实现对电池恒流充电，充 电电流步进可调，电流控制精度不低于 5%，电 流转换效率高达 95%，并能实现过充保护功能。 在发挥部分，放电模式的变换器效率达到 95.4%,总重量保持在 500g 内。
6
需要保证各单体的相互电气隔离，因此必须选 用有隔离的 DC-DC 变换器，选用方案二。
2.理论分析与计算
2.1 定位方法
充电时，直流稳压电源给 Buck 模块提供 电源，在 2.5V 的参考电压下输入，通过 TPS 54560 降压，产生恒定电流对五节 18650 型串 联电池组充电，用 STM8S105C4 单片机对输 出电流进行采样、放大，并显示 OLED 液晶屏 上。手动切换开关，变换器处于放电状态，Buck 模块中的肖特基截止，在输出端接一个 30Ω的 负载，输出电压与芯片的 FB 端相连在用单片 机对负载两端输出电流进行采样、放大、显示。 将输出端反馈给 DC-DC 变换模块的 FB 端，使
（3） 硬软件的联调：在检测硬件与软件正确 后，实际测量，不断调整，减小误差。
5
4.1.1 测试环境
普通实验室，常温常压下。自行制作一个 五面的箱子，尽量制造一个黑暗的环境，使误 差降到最低。
4.1.2 测试仪器
测试仪器名称 DP832 34401A DG1022 INSTEK
规格 线性直流源 数字万用表 函数发生器 数字存储示波器
当U2 =36V 时，充电电流值为 I11 ；当U2 =30V 时，充电电流值为 I1 ；当U2 =24V 时，充电电 流值为 I12 ,电流变化率
SI1
I11 I12 I1
100%
(8)
3．电路与程序设计
测量数据：
U2
I Hale Waihona Puke A）24V2.023
4
36V
1.945
根据计算结果，电流变化率为 0.9%，达到要求。
I1 （A）
1.103 1.216
控制精度 0.29% 0.49%
状态，如下图所示，R4、R100、R8 与 FB 端构
成一个反馈电路，当输出的电压发生改变时， FB 会自动反馈给 tps55340，芯片会调节使输
出负载恒定为 30V，输出电流为 1A。软件设 计 系统测试。
2.4 误差分析
（2）设定 I1 =2A，调节输出电压为 24V 和 36V 测量 I1 两端的电流。
4.1 测试方案
在关闭照明灯，打开窗帘，自然采光，避免阳光 直射的情况下，对设计装置进行检测。每次测得的坐 标值在 5s 内锁定显示。测试传感器位于各区域的坐 标值并与坐标轴进行比较。
（1） 硬件测试：利用数字万用表、模拟示波 器、数字万用表等工具检测电路连通正 确，无虚焊短路部分。
（2） 软件仿真测试：使用 IAR 软件的仿真功 能，单步执行程序，查看数量值变化， 检测程序逻辑正确性。
LO(Buck) VIN (max) Vout
Vout
Iout KIND
VIN (max) f (sw)
（3） 放电时，输入电压 18V-24V，输出电压为 30V。
计算公式如下所示：
-IN 和 IN+两端的电压和流过采样电阻的 电流，采样电阻的阻值可由公式（4）得出。
2.3 抗干扰方法
题目：可见光室内定位装置（I 题）
2017 年 8 月 12 日
1
摘要
该装置主要是基于可见光通信原理（VLC），。主要有双向 DC-DC 变换、带有充电保护的电 池组、电流控制模块、AD 转换模块。其中双向 DC-DC 变换用了 TI 公司的 tps54331 和 tps55340 对 PWM 控制的恒压输出进行降压和电池组两端的输出量做升压处理。电流控制模块运用 INA282 芯片对采样电流进行 50 倍的放大输出。AD 转换模块用 STM8S105C4 单片机中的 A/D 转换器计算电流控制模块的输出电流，并经 SSD1306 芯片控制 OLED 显示充电恒定电流和放 电时负载稳定输出电压。经检测，本方案完成了全部基本功能和部分发挥功能，实现充电时， 变换器的效率高达 95%。放电时，变换器的转换效率达到 95.4%。
3.1 电路设计
路以 5V 输入，2.5V 输出作为降压电路的参考 电压，BRA-端和 B 端与电池组相接，芯片 FB
3.1.1 基本要求测试
脚的电压为输出电压为 0.8V，在输入端构成了
（1）手动 S1、S2、S3 开关，将装置设定
简单的拓扑结构，BRA-端的电压只会受恒流输
为充电模式，调节输入电源为 30V，设置 I1=1A,
精度。根据电流控制精度的定义：
eic
I1 I10 I10
100%
(7)
I1 为 B 和 BRA-两端的充电电流，I10 为设定值。
测试数据：
图（5）降压电路模块
I10 (A)计算
1.10 升压（Boost）电路：切换开关，电池组开始
放电，同时充电部分的肖特基二极管处于截止 1.21
步进值（A） 0.1 0.01
小，故 PWM 波可实现对电流的步进可调
VPWM 0.8 2.5 0.8 0.8 VOUT
R1
R2
R3
（1）
（5）
经计算得出恒流源输出电流：
Io
V1 V2 Rr
Vi Rr
（2）
图（4）通过 PWM 控制恒流输出原理图 2.2.3 采样电阻的修正提高电流控制精度
2.2.2 储能电感线圈的计算
2
输出电压恒定为 30V。总体框架如图二所示： 图（2） 总体设计框架图
2.2 信息发送接收方法 2.2.1 恒流源输出电流的计算
（4） 其中 KIND 是表示电感纹波电流的最大值的系 数输入电流，取值为 0.3。
f(sw) 是输入频率，经过计算得出 L(Buck) =22uH, L(Boost) =10uH 。
关键词
Buck 变换 Boost 变换 PWM 控制 OLED 显示
主要
1．方案论证与比较
1.1 监测系统比较与选择
系统方案一：移相 PWM 零电压开关桥式双向 DC /DC 变换器通过相移控制实现软开关，优 点是控制简单，恒频控制。 系统方案二：在便携式应用中，从体积等方面 因素考虑，一般采用非隔离式转换器，它根据 输入与输出电压的关系又可以分为降压型 （ Buck ） 、 升 压 型 （ Boost ） 、 降 压 升 压 （Buck-Boost）转换器。结合此次竞赛题所给 题目要求降压升压（Buck-Boost）型转换器实 现方法复杂。 最终方案确定：首先电池组的单体是串联成组，
接收的语音信号均无明显失真。LED 控制电路 采用 12V 单电源供电，测试得其供电功率不大 于 5W，测试结果均满足题目要求。
4.1 测试结果分析
位置绝对误差计算方法：e = ，式中 x、y 为测得坐 标值，x0、y0 为实际坐标值。
实际坐标（cm） 显示坐标（cm） 绝对误差
A
（Xp，Yp）
B
C
表 1 仪器列表
数量 1 1 1 1
4.2 测试结果完整性
根据题目的基本要求，按照图示连接好电路。
以三个 LED 灯分别定为原点测量电路能够正 确区分传感器位置，LCD 显示坐标值的分辨率 为 0.1cm，传感器位于底部平面任意区域，其 坐标值绝对误差不大于 3cm。当 LED 控制电 路键盘输入数字时，测量电路能接收并显示 3 个 LED 发送的数字信息，并且在其外接 3 路 音频信号源时，测量电路任选一路进行播放，
（1）在充电和放电过程中还需有一
个采样电阻，其作用获得电流 ，由于采样
充电时，输入电压 40V，输出电压 30V.频 率设定为 400KHZ 根据 tps54560 芯片参数得出 合适的降压电感，计算如下：
电阻阻值很小，其两端的电压很小，测量 误差大。故将采样电阻两端的的电流通过 INA282 放大 50 倍。再通过测量 INA282 的
V V 1 ( out D)
L I K 4 f ( Boost)
NDC
IND
sw
降压（Buck）电路：主要用 tps54560 芯片达
到降压效果，tps54560 输入范围在 7V-60V，
3
输出为 30V 工作用 PWM 控制恒定电流输入 DC-DC 模块，再用 LM4132 的高精度电压参考电
2.2.3 充电电流步进可调
在直流稳压电路输出的电流不稳定，要通 过正反馈平衡式的恒流源基 本结构搭建了功 率恒流源。基本原理如图三所示:
根据深度负反馈运放的虚短和虚断概念， 可以得出：
通过通过单片机产生 PWM 波，测量 PWN 波的电
压,且 FB 端电压为 0.8V,再通过式子（3）得到
输出电压，再通过电阻值的大小得出电流的大