2013全国电子设计大赛A题国家一等奖设计报告

大学生电子设计竞赛双向d c d c电源设计报告Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】2013年全国大学生电子设计竞赛双向DC-DC变换器（A题）2015年8月12日摘要本系统以Buck和Boost并联，实现双向DC-DC交换，以STM32为核心控制芯片。

Buck降压模块使用XL4016开关降压型转换芯片，通过单片机闭环实现恒流输出控制。

放电回路选择Boost升压模块，以UC3843作为PWM控制器，组成电压负反馈系统，通过调整PWM的占空比，实现稳压输出。

系统能自动检测外部电源电压变化，在负载端电源较高时自动切换成充电模式，反之切换为放电状态。

系统具有过流、过压保护功能，并可对输出电压、电流进行测量和显示。

关键字：DC-DC交换；Buck；Boost；PWM控制AbstractThesystemisBuckandBoostparallel,toachievetwo-wayDC-DCexchange,STM32asthecorecontrolchip.TheBuckBuckmoduleusestheXL 4016switchBuckconverterchip,takesthecurrentsignalintheoutput,co ntrolsthefeedbackofXL4016,completestheclosed-loopcontrol,andrealizestheconstantcurrentoutput.Boostboostmodul eusesUC3843asthePWMcontrolchip,accordingtotheoutputvoltagenegat ivefeedbacksignaltoadjustthePWMsignal,theclosed-loopcontroliscarriedout,inordertoachievetheregulatoroutput.Syst emcanautomaticallyswitchchargeanddischargemode,canalsobemanuall yswitch.Thesystemhasthefunctionofovercurrentandovervoltageprote ction,andcanmeasureanddisplaytheoutputvoltageandcurrent.Keywords:bidirectionalDC-DCconverter,Buck,boost,PWMcontrol目录双向DC-DC变换器（A题）【本科组】1系统方案系统要求效率，所以恒压输出、稳流输出都应采用开关电路，鉴于本题目要求的功能，系统主要由恒压控制模块、恒流控制模块组成，另为了灵活调整输出参数并实时监控系统工作状态，运用单片机控制技术，还有支持系统控制系统工作的辅助电源。

2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC/DC变换电路（A题）2013年9月7日摘要本系统以Boost升压斩波电路为核心，采用PFC功率因数校正专用控制芯片UCC28019产生PWM波形，进行闭环反馈控制，从而实现稳压输出。

实验结果表明：电源进线的交流电压和负载电流在比较宽的范围内变化时，电源输出直流电压能够保持较高的稳定性，电源交流输入功率因数达到89%，效率达到92%，具有良好的电压调整率和负载调整率，此外，本系统还具有输出2.5A过流保护，输出功率因数的测量与显示功能。

关键词：开关电源UCC28019 Boost电路功率因数校正【Abstract】This system in order to Boost the Boost chopper circuit as the core, adopts PFC control chip dedicated power factor correction UCC28019 PWM waveforms, the closed-loop feedback control, so as to realize the voltage output. The experimental results show that the power supply into line voltage and load current changes in a comparatively wide scope, can maintain the stability of the high power output dc voltage, power supply ac input power factor reaches more than 89%, efficiency of 92%, has the good voltage regulation and load regulation, In addition, this system also has 2.5 A output over-current protection, the measurement and display of power factor of the output.目录1系统方案 (1)1.1 DC／DC变换模块的论证和选择 (1)1.2 PFC控制方案的论证和选择 (2)2系统理论分析与计算 (2)2.1电路设计的分析 (2)2.1.1主电路的分析 (2)2.1.2控制电路的分析 (3)2.1.3功率因数测量电路的分析 (6)2.2主回路器件的选择及参数计算 (6)2.3 PFC控制电路参数计算 (9)3电路与程序设计 (10)3.1电路的设计 (10)3.1.1系统总体框图 (10)3.1.2 主电路子系统框图与电路原理图 (11)3.1.3 辅助电路子系统框图与电路原理图 (12)3.1.4辅助电源 (12)3.2程序的设计 (13)3.2.1程序功能描述与设计思路 (13)3.2.2程序流程图 (13)4测试方案与测试结果 (14)4.1测试方案 (14)4.2 测试条件与仪器 (15)4.3 测试结果及分析 (15)4.3.1测试结果(数据) (15)4.3.2测试分析与结论 (16)附录1：电路原理图 (17)附录2：源程序.............................................. 错误！未定义书签。

2013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】摘要：通过对该测控系统结构和特点的分析，结合现代控制技术设计理念实现了以微控制器MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。

通过采集的角度值与平衡位置进行比较，使用PD算法，从而达到控制电机的目的。

其工作过程为：角位移传感器WDS35D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D 采样后反馈给主控制器。

控制器根据角度传感器反馈信号进行PID数据处理，从而对电机的转动做出调整，进行可靠的闭环控制，使用按键调节P、D的值，同时由显示模块显示当前的P、D值。

关键字：倒立摆、直流电机、MC9S12XS128单片机、角位移传感器WDS35D、PD算法目录一、设计任务与要求31 设计任务32 设计要求3二系统方案41 系统结构42 方案比较与选择4（1）角度传感器方案比较与选择4（2）驱动器方案比较与选择5三理论分析与计算51 电机的选型52 摆杆状态检测53 驱动与控制算法6四电路与程序设计61 电路设计6（1）最小系统模块电路6（2）5110显示模块电路设计7（3）电机驱动模块电路设计8（4）角位移传感器模块电路设计8（5）电源稳压模块设计82 程序结构与设计9五系统测试与误差分析105.1 测试方案105.2 测试使用仪器105.3 测试结果与误差分析106 结论11参考文献11附录1 程序清单（部分）11附录2 主板电路图14附录3 主要元器件清单15一、设计任务与要求1 设计任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。

旋转倒立摆的结构如图1所示。

电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。

摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。

如下图所示2 设计要求基本要求：①摆杆从处于自然下垂状态开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过﹣60°~+60°；②从摆杆处于下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；③在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤出同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动不大于90°。

瑞萨杯2013全国电子设计竞赛设计报告单相AC-DC 变换电路（A题）【本科组】摘要：本设计是基于被广泛应用在小功率及各种电子设备领域的开关电源而设计的直流供电电路。

通过变压器将220V的单相工频交流电源降为24V，再经由AC-DC 变换电路、boost电路升压，最后输出稳定的36V直流电压向负载供电，并在此基础上，实现输出电流在0.2A~2.0A的范围内连续变化。

此外当电源电压在20V~30V的范围内发生波动时，能够保持输出电压基本不变。

除了实现以上基本功能外，还对电路进行了过流保护。

关键词：开关电源AC-DC变换电路boost电路稳压Abstract：This design is based on the low-power switch powers and those widely applied to all kinds of electronic devices to drive DC circuit .The220V one-phase AC power is lowered to24V with a transformer ,rectified with a AC-DC circuit ,then pulled up with a boost circuit to output permanent36V DC voltage providing power for load resistance,and on this circumstances,realizing that the output current can consistently change within the range of0.2A to2.0A.Besides,the output voltage should stay basically unchanged when the source voltage comes to fluctuating between20V~30V.This circuit is ensured with over-current protection as well beside the basic functions as mentioned before. Keywords：switch power, AC-DC converting circuit , boost circuit , stabilivolt目录1.设计任务与要求 (3)1.1设计任务(见附1) (3)1.2设计要求(见附1) (3)1.3题目分析 (3)2.方案的比较与论证 (3)2.1主电路方案的提出比较与选择 (3)2.2方案选择： (4)2.3方案论证： (5)2.4具体方案的确立 (5)3.系统硬件设计与元器件选择 (6)3.1系统的总体设计 (6)3.2 各个电路模块的设计 (6)4.系统软件设计 (10)4.1程序总体流程图 (11)4.2功能模块的流程图 (12)5.系统测试 (12)5.1系统调试的方案（方法） (12)5.2系统测试仪器 (12)5.3测试结果 (13)6.系统电路存在的不足和改进的方向与结论 (14)7.附录 (15)7.1 附录1 设计任务 (15)7.2 附录2 主电路原理图 (16)7.3 附录3 部分程序清单 (17)7.4 附录4 元器件清单 (22)7.5 附录5 参考文献 (22)1.设计任务与要求1.1设计任务(见附1)1.2设计要求(见附1)1.3题目分析开关电源电路是电力电子电路中的一种，被广泛应用在小功率及各种电子设备领域，顾名思义，开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源，对于AC/DC电路，主要控制对象是电压和电流。

2013年全国大学生电子设计竞赛A题论文2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC 变换电路（A题）【本科组】2013年9月7日目录1.设计任务 (6)2.设计要求 (6)2.1基本要求 (6)2.2发挥部分 (7)3.设计方案评定与选择 (7)方案一： (7)方案二： (7)方案三： (7)4.单元模块设计 (8)4.1 AC/DC电源模块 (8)4.2 Boost升压模块 (9)4.2.1Boost升压结构特性分析 (9)4.2.2 样机电路设计 (11)4.2.3储能电感L (11)4.2.4 输出电压取样电阻R1、R2 (12)4.2.5 开关S (12)4.2.6 输出二极管D和输出电容器C2 (13)4.2.7 外补偿网络 (12)4.2.8 斜坡补偿 (14)4.3 功率因数校正模块 (15)4.4 功率因数测量模块 (15)4.5 电路保护模块 (16)4.6 89C54单片机控制模块 (16)4.7 LCD液晶显示模块 (17)4.7.1液晶显示原理 (17)4.7.2引脚功能说明 (17)4.7.3 1602液晶模块的指令（说明：1为高电平、0为低电平） (17)4.8 直流电源供电模块 (18)5.程序设计 (18)6.系统调试与分析 (19)6.1测试仪器： (19)6.2 硬件调试 (19)6.3 软件调试 (20)6.4 软硬联调 (20)6.5结果分析（系统对题目完成情况） (20)7．结束语 (21)参考文献： (21)附录一：控制电路 (21)附录二：源程序 (22)单相AC-DC 变换电路（A题）【本科组】1.设计任务设计并制作如图1 所示的单相AC-DC 变换电路。

输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A。

图1 单相AC-DC 变换电路原理框图2.设计要求2.1.基本要求（1）在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A 条件下，使输出直流电压Uo=36V±0.1V。

2013全国电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）摘要：本系统以STM32单片机为核心，兼有硬件电路和软件系统。

硬件电路分为两大部分，主电路和控制电路，控制电路中有分为驱动电路和过流保护电路。

主电路由MBR2045组成的整流桥，功率开关管75NF75，绕制电感和滤波电路组成。

STM32单片机控制电路的显示以及产生PWM波和进行PID调节实现题目要求的稳压要求和功率因数的测量和功率因数的调整。

本系统采用多种有效的方法提高输出电压的稳定性，电路的效率和误差，仔细比较各种元器件的性能和参数方能得出符合要求的方案。

Abstract: STM32 MCU as the core, this system both hardware circuit and software system. Hardware circuit is divided into two parts, the main circuit and control circuit, control circuit is divided into the drive circuit and over current protection circuit. Main circuit composed of MBR2045 rectifier bridge, power switch tube 75 nf75, winding inductance and the filter circuit. STM32 MCU control circuitof display and generate PWM wave and subject demands on voltage stability of PID adjustment and power factor measurement and adjustment of power factor. This system USES a variety of effective ways to improve the stability of the output voltage, the efficiency of the circuit and error, carefully compare the performance of the various components and parameters in order to conform to the requirements of the solution are obtained.目录一、方案比较与论证 (3)1.电路的选择 (3)2.整流桥的选择 (3)3.单片机的选择 (4)4.硬件控制与软件控制的选择 (5)二、理论分析与参数计算 (6)1.提高效率的方法 (7)2.功率因数的调整方法 (7)3.稳压控制的方法 (8)三、电路与程序设计 (8)1.主回路与器件的选择 (9)2.控制电路与控制程序 (9)3.保护电路 (10)四、测试方案与测试结果 (10)1.测试方案及测试条件 (10)2.测试结果及其完整性 (11)3.测试结果分析 (12)附录：12864的转接板原理图 (13)一、方案比较与论证（1）电路的选择方案一.题目要求的是AC-DC变换，而且需要进行升压变换，选择BOOST拓扑结构，BOOST变换电路的结构还是比较简单的，也满足题中升压的要求，但是题中有一个隐含的条件，当输出电流在2A时，输入电压在20~30V变化时，电压调整率Su小于等于0.5%。

2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变幻电路（A题）2013年9月7日目录1系统方案 (4)1.1辅佐电源模块的论证与选择 (4)1.2稳压模块的论证与选择 (4)1.3 过流保护模块的论证与选择 (4)1.4 功率因数测量模块的论证与选择 (4)2系统理论分析与计算 (6)2.1 主控制的分析与计算 (6)2.2提高效率的方法及实现方案 (6)3电路的设计 (9)3.1主电源电路与器件选择 (9)3.2辅助电路的设计 (9)3.3保护电路的设计 (9)4测试方案与测试结果 (11)4.1测试方案 (11)4.2 测试条件与仪器 (11)4.3 测试结果及分析 (11)4.3.1测试分析与结论 ........................................................................ 错误！未定义书签。

摘要根据A题的题目要求，我们将交流220V电压通过变压器降到交流24V，后用整流桥及其滤波电容将其变为直流24V，运用555振荡器模块压升到36V左右，外加稳压与过流保护模块达V0.1V的要求。

我们还利用功率因数的定义电流相位与电压相位的相量脚来求得。

为此我们设计出功率因数测量电路来测AC-DC变换电路输入侧的功率因数，并且通过控制振荡器的频率来调整功率因数输出。

经多次实验，我们通过实验数据与理论值的比较，能较好的得出，当U s=24V，I o在0.2A～2.0A范围内变化时，负载调整率S I ≤ 0.5%；当I o=2A，U s在20V～30V范围内变化时，电压调整率S U ≤ 0.5%；动作电流为2.5A±0.2A。

1系统方案本系统主要由主电源模块、辅佐电源模块、稳压模块、过流保护模块、功率因数测量模块组成，下面分别论证几个模块的选择。

1.1辅佐电源模块的论证与选择方案一:由220V的交流电通过变压器得+5V的辅助电源，它是运用LM7805稳压管以及配套的滤波电容得到的。

2013年度电子竞赛总结报告截止到2013年9月7号晚8点，长达四天三夜的全国大学生电子设计大赛结束了。

虽然最终的结果没有如我们自己所愿地3拿到名次，但是也在这个准备和比赛的阶段学到了很多东西。

我们依然是成功的，可以这么说。

当时的训练的日子，现在回想起来，还有一点后怕，湖南长沙的火炉天气算是真正感受到了。

我们组3人每天基本都会在早上九点到实验室，要么是继教楼，要么是电气院，然后开始一天的长征。

刚刚开始的时候我们的基础知识还不是很牢固，所以都在看模拟电子技术完全学习与应用这本书，索性这本书有视频，有配套的实验器材，我们没看完一章就会自己动手把相应的实验做一做，验证实验是否正确，同时观察实验过程中的实验现象以及思考这样的现象出现的原因。

不记得我们是花了多少时间来看这本书的了，书上的配套实验有些没有办法做，有时候在办公室那边的话，我们没有信号发生器，而实验的输入信号大都是交流信号，即使是搭好电路，也要拿到电气那边来验证；有时候是电路搭好了，但是验证结果出现不符，像那个用到线圈的是手机吊坠的实验就没有做成功，我还记得当时做的结果是发光二极管只要一上电就亮了，打通电话之后，还是一样，当时的线圈是自己动手做的，要100多砸，感觉当时做的不是很好。

这样例子还有蛮多的。

另外我们把老师给的那个信号发生器原理图弄懂之后，每个人都焊了一个信号发生器的板子。

这一次是真刀实枪的做起来了。

信号发生器主要分为三个部分，输出矩形波，输出三角波，输出正玄波，我们焊接也分三块来焊，焊完矩形波的电路之后先测试一下，当然在接电源之前要认真检查几遍，确保没有什么问题之后才能上电，否则很容易就把元器件烧坏，这样就得从头再来一遍了，组里确实也有这样的经历，啪一声，芯片烧毁了，或者是短路，这样焊了一早上或者一下午的电路板基本就报废了。

测试过程是需要很大的耐心的，因为会出现各种奇怪的是波形，比如我们要的是正玄波，测试的时候偏偏出来一个三角波，原因是哪里呢。

2013年全国电子设计大赛单相AC-DC变换电路（A题）设计报告作者：参赛学校：北京邮电大学2013年8月31日摘要：本系统由四个模块组成：整流滤波电路，DC-DC电路，PFC控制电路和数据采集电路。

DC-DC电路部分为Boost电路，通过控制开关管通断的占空比来达到控制输出电压的目的。

PFC电路以UCC28019为核心。

UCC28019是专用的功率因数校正控制芯片，能以极小的谐波失真获得接近单位功率因数的水平。

该芯片通过双闭环完成控制功率因数，内环为电流环，外环为电压环。

数据检测部分以单片机C8051f020为核心，通过片内AD采样输出电压和电流，通过相位差测量法测量功率因数。

另外单片机还能控制继电器完成过流保护的功能。

本设计具有输出电压稳定，电压和负载调整率小，高功率因数和高AC-DC转换效率的特点。

关键词：Boost电路；PFC控制；UCC28019；C8051f020一、方案设计与论证1方案的比较与选择通过初步分析，我们认为要实现电路要求的功能，可以将电路整体进行划分，各模块功能如下图所示：2方案的描述与论证下面就电路的主要模块：整流模块，BOOST升压电路，PFC控制电路，检测电路以及过流保护电路模块进行方案选择与论证。

（1）整流方案比较：方案一：由于整流电路结构比较简单，所以可以采用二极管和电容搭建出模拟的全波整流桥，但是一般来说这样的电路效率不高，所以不采用。

方案二：采用集成整流桥，配合铝电解电容进行滤波。

这种方案有比较成熟的芯片技术为基础，更加简单可靠。

（2）BOOST升压电路与PFC控制模块：BOOST基本的结构如下：使用通过控制S1的开合的占空比，可以调节电路的输出电压。

这里采用脉宽调制技术（PWM）进行控制。

方案一：采用FPGA实现通过对后级反馈回的信号采样计算，纯软件计算调整PWM波的占空比等控制参数，这样可以简化电路，减少功耗，降低材料和装配的成本，而且可减小干扰，但是程序设计复杂，限于本组知识和能力的限制，不选用该方案。

2013年全国大学生电子设计竞赛射频宽带放大器（D题）【本科组】摘要本系统采用TI公司的可控增益放大器VCA810和电流反馈放大器THS3001实现增益可调的射频宽带放大器。

系统主要有三个模块组成：前置放大电路、可控增益放大电路、单片机控制显示模块。

可控增益放大部分由VCA810构成，可实现80dB的动态增益调节范围；前级放大电路使用的THS3001具有420MHz 的-3dB带宽和良好的带内平坦度【1】。

在设计过程中充分考虑了高频小信号的自激和外界干扰的问题，采取了一系列的保护和改善的措施以提高放大器稳定性。

关键词：射频放大器自激振荡增益平坦度AbstractAdopting the controllable gain amplifier --VCA810 produced by the TI and combining with THS3001, the system can achieve a wideband RF amplifier with adjustable gain. The system is mainly constituted by three block: Pre-amplifier circuit，controllable-gain amplifier circuit, MCU display and control module .Constituted by VCA810, the controllable-gain amplifier can achieve 80dB of gain adjustment range .The pre-amplifier circuit is constituted by THS3001,which is a high-speed current-feedback operational amplifier.The THS3001 offers a 420-MHz bandwidth , a good gain flatness ,making it suitable to the requirement . In the progress of the designing ,we take the H. F. small signal fully into account and adopt a series measure to improve the stability of the whole system.Key Words: Radio-frequency amplifier self excited oscillation gain flatness一、系统方案论证经过仔细的分析和论证，最终设计的射频宽带放大器包括3个模块：前置放大电路、可变增益放大电路、增益控制模块，下面针对这些模块分别进行方案论证与选择。

2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了《全国大学生数学建模竞赛章程》和《全国大学生数学建模竞赛参赛规则》（以下简称为“竞赛章程和参赛规则”，可从全国大学生数学建模竞赛网站下载）。

我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。

我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛章程和参赛规则的，如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。

我们郑重承诺，严格遵守竞赛章程和参赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。

如有违反竞赛章程和参赛规则的行为，我们将受到严肃处理。

我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等）。

我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）：我们的报名参赛队号为（8位数字组成的编号）：所属学校（请填写完整的全名）：参赛队员(打印并签名) ：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：（论文纸质版与电子版中的以上信息必须一致，只是电子版中无需签名。

以上内容请仔细核对，提交后将不再允许做任何修改。

如填写错误，论文可能被取消评奖资格。

）日期：年月日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：摘 要锅炉是火力发电厂的关键设备之一，其效率直接影响电厂的经济性。

在现代电站中，反映锅炉运行状况好坏的主要性能指标是锅炉效率。

本文针对锅炉运行效率的优化问题，利用回归分析与层次分析法等模型并结合SPSS 与MATLAB 软件，分析研究了影响锅炉运行效率的主要参数。