2014年TI杯大学生电子设计竞赛赛陕西赛题

2014年全国大学生电子设计竞赛(D题)编号：题目：电能消耗计量装置 (D题)学校：学院：信息科学与电气工程学院参赛学生：联系方式：2014年月日电能消耗计量装置的设计报告摘要：本设计以ATMEGA16A为控制核心，通过交流整形电路连接AD637KQ真有效值转换芯片量锰铜电阻，实现负载电流有效值检测；市电电压有效值的监测是通过连接市电电压的负载分压之后，由AD637KQ真有效值转换器实现测量；通过功率因数测量电路，市电电压经过二极管电桥正弦波变为方波，经单片机捕获测量出负载的功率因数和市电频率；单片机连接键盘和12864B v2.0液晶显示屏，通过中断服务模式实现控制负载用电时间、电能消耗、二氧化碳排放量的显示，以及显示市电电压有效值和市电频率、负载的工作电流有效值和有功功率、负载的功率因数；该装置还具备最大门限值设置、过流保护功能，进行了大量试验和测试，验证了设计的有效性，完成了基本部分和发挥部分功能要求。

关键词：电能消耗计量装置，ATMEGA16A，AD637，低能耗，精度1.系统方案1.1系统要求设计一款用于市电的电能消耗计量装置，该装置能耗低，由非分体式独立供电结构供电，具备过流保护功能和声光报警功能，并可设置被测负载最大门限值。

能够监测所在电网的市电电压有效值和市电频率，以及连接负载的工作电流有效值和有功功率值，并显示出负载的功率因数、用电时间和负载用电量对应的二氧化碳排放量及电能消耗值，1.2 方案论证1.2.1 控制器模块采用ATMEGA16A控制器。

ATmega 16A是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，功能强大，性价比高，使用方便。

1.2.2电压有效值测量模块和电流有效值测量模块方案一：带有AD637KQ真有效值转换器，AD637BQ可以计算各种杂波形的真有效值，最大3dp宽带可达8MHZ，可选择测量直流信号和交流信号，带载能力强。

2014年全国大学生电子设计竞赛陕西赛区设计报告作品编号：（由组委会填写）… …………… ……………剪切线……………… ………… …作品编号：（由组委会填写）说明1.为保证本次竞赛评选的公平、公正，将对竞赛设计报告采用二次编码；2.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；3.“作品编号”由组委会统一编制，参赛学校请勿填写；4.“参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。

5. 本页允许各参赛学校复印。

1、设计任务 (2)2、系统方案的设计与论证 (2)2.1 系统总体框架 (2)2.2 方案论证与比较 (2)3、系统的硬件设计与实现 (3)3.1 系统的总体设计 (3)3.2理论分析与计算 (4)3.3 软件设计 (5)4、测试结果与误差分析 (6)5、结论、心得体会 (7)6、附录：原理图 (8)摘要金属探测器是专门用来探测金属的仪器。

广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域。

这里我们设计的是一个基于单片机MSP430F5529自主定位探测器，利用智能小车横向扇形扫描，检测到地面上的金属元素并对其所在位置给出指示（探头指针指向该金属所在位置），如若发现附近有金属物体存在该探测器回发出声音警报和LED灯发亮提示，同时LED12864给出明显指示定位。

实现金属探测器功能。

单片机原理的测得值与设定的电压基准值相比较后，决定是否探测到金属。

定位准确。

关键词：金属探测器，LDC1000，LED12864，MSP430F55291、设计任务设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器（以下简称探测器），可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示。

该探测器需采用TI公司LDC1000电感/数字转换器评估板（AY-LDC1000）作为金属物体探头，探头上应有定位指针，以给出明显定位指示。

陕西理工学院2014年电子设计竞赛题目微弱信号检测装置（A题）一、任务设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。

为便于测评比较，统一规定显示峰值。

整个系统的示意图如图1所示。

正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。

噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。

图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。

图1 微弱信号检测装置示意图二、要求1. 基本要求（1）噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V±0.1V；加法器的输出V C =V S+V N，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。

（2）微弱信号检测电路的输入阻抗R i≥1 MΩ。

（3）当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。

2. 发挥部分（1）当输入正弦波信号V S 的幅度峰峰值在20mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。

（2）扩展被测信号V S的频率范围，当信号的频率在500Hz ~ 2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。

（3）进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。

（4）其它（例如，进一步降低V S 的幅度等）。

三、说明1.微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。

常用的微弱信号检测方法有：滤波，锁相放大，取样积分等（仅供参考）。

2.为便于各个模块的测试，所有测试端点（A~E）应做成跳线连接方式。

3.检测并显示正弦波信号的幅度值是指输入正弦波信号V S 的幅度（即峰值）。

4.测评时，应固定使用某一装置（PC机或MP3）来产生噪声源，所有作品均应采用该噪声源进行测试。

四、评分标准简易直流电子负载（B题）一、任务设计和制作一台恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载。

2014年TI杯竞赛陕西赛区设计报告封面说明1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；2. “参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会统一编排的编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。

3. 本页允许各参赛学校复印。

无线电能传输装置摘要电能谐振耦合无线传输是一种新的电能传输概念和方法，它能在中距离范围传递能量。

本文基于空间隔离的两线圈，设计制作了一个谐振耦合电能无线传输装置。

系统以MSP430F149单片机控制振荡频率，通过驱动电路与单管逆变电路产生高频功率源，经发射与接收线圈进行无线能量传输，到后级再经整流滤波电路，用来点亮LED。

设计分四个模块:单片机控制模块、驱动与高频逆变模块、发送与接收模块、整流滤波模块。

从输入15V经辅助电源给单片机与驱动电路提供电压，产生的功率源经收发线圈，可以实现DC-AC-DC的无线电能传输。

测试结果表明，空间隔离的两空心线圈达到谐振耦合时，线圈之间的传递能量最大，从而很好的实现了无线电能传输的功能。

关键词：能量无线传输；谐振耦合；单管逆变- 1 -1 引言随着电子技术的快速发展与个人电子设备的普及，无线电能传输装置也应运而生。

无线电能传输解决了传统电能传输的大电能存储和传输材料的问题，若技术成熟，可以广泛的应用到医疗电子产品、个人电子产品、工业电子产品等方面。

而本次题目要求设计一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，因此我们采用单管高频逆变搭建高频功率源。

此次要求要接收端电压至少为8V，电流0.5A，这使得系统中的设计及参数要求更加的精准、严格。

2整体设计本系统设计输入为15V直流，输出为8V以上直流电压，0.5A电流的无线电能传输装置。

整个系统主要采用MSP430F149为主控芯片，12864液晶显示，IR2110驱动，IRF540 MOS管，通过单片机控制频率振荡、稳压和驱动电路、高频单管逆变电路、发射线圈等几部分组成发射部分，再由接收线圈、整流电路、滤波电路等几部分组成接收部分。

2014年TI杯全国大学生电子设计竞赛模拟电子系统专题邀请赛在武汉华中科技大学举行2014年TI杯全国大学生电子设计竞赛模拟电子系统专题邀请赛于8月29日在武汉华中科技大学落下帷幕。

历经五天时间紧张的培训、竞赛、交流、展示，来自武汉大学的候义东、杨永怀、林方组成的代表队从全国62所高校的116支参赛团队中脱颖而出，夺得大赛最高奖“TI杯”。

两院院士、全国大学生电子设计竞赛组委会主任委员王越、湖北省教育厅副厅长欧阳建平、华中科技大学常务副校长罗俊，德州仪器全球大学计划经理Douglas Phillips及德州仪器中国大学计划总监沈洁出席了颁奖仪式。

全国大学生电子设计竞赛模拟电子系统专题邀请赛（TI杯）由全国大学生电子设计竞赛组委会主办，华中科技大学和东南大学共同承办，德州仪器（TI）协办。

邀请赛以模拟电子系统设计为主题，由专家组在模拟信号获取、处理、转换、产生，以及变流技术等方面进行命题。

参赛队根据命题的要求，自主设计、独立完成一个有一定功能的应用系统（竞赛作品）参加评奖。

该竞赛旨在引导学生进行研究性学习、主动实践和科技创新，开发学生潜能，探索创新教育的新途径。

全国大学生电子设计竞赛组委会主任委员王越院士在参会时表示：“大赛从2008年至今，已经成功举办四届。

通过比赛有效地促进了我国高校电子信息类学科专业基础课教学内容的更新、整合与改革，培养了相关学科专业大学生的创新意识、综合设计和工程实践能力，影响力与日俱增，受到社会各界的充分肯定和广泛好评。

学生们在此平台上得以充分接触业界先进的技术，了解业界未来发展方向，同时在参赛过程中强化理论知识，锻炼动手实践能力，激发创新意识，培养科研兴趣和团队合作精神，为成为产业界卓越工程师打下良好基础。

本次大赛共吸引了来自21个省份、62所高校的116支参赛队。

经过激烈角逐，评审委员会共评出三等奖42个、二等奖16个、一等奖10个。

2014年陕西工科五校联赛题目一、任务以TI公司的升压控制器TPS40210DGQ芯片和CSD18534KCS MOS场效应管为核心器件，设计并制作一个升压型直流开关稳压电源。

额定输入直流电压为U INrv＝6V时，额定输出直流电压为U Orv＝9V，输出电流最大值为I Omaxrv＝2A。

测试电路可参考图1。

图1 电源测试连接图二、要求1．基本要求（1）输出电压偏差：|∆U O|＝|U O6V－U Orv| ≤240mV；（2）最大输出电流：I Omax≥2A；（3）输出噪声纹波电压峰－峰值：U OPP ≤180mV (U IN＝U INrv，U O＝U Orv，I O＝I Omax)；（4）I O从满载(I Omax)变到轻载(0.2×I Omax)时，负载稳定度(负载调整率)：S i＝|U轻载／U满载－1|×100%≤10%(U IN＝U INrv)；（5）U IN变化到5.1V和6.6V，电压稳定度(源电压调整率)：（6）S v＝max{|U O6.6V－U O6V|,|U O6V－U O5.1V|}／U O6V×100%≤2%(R L＝U O6V／I Omax)；（7）η≥60%(U IN＝U INrv，U O＝U Orv，I O＝I Omax)；（8）作品重量：W≤0.5kg。

2．发挥部分（1）增加电源输出电压、电流、功率测量指示功能；（2）I Omax≥2A时，增加过流保护功能，动作电流I Oth＝2.2±0.1A；（3）进一步减小输出噪声纹波电压峰－峰值：U OPP ≤100mV；（4）进一步提高负载稳定度，使S i ≤6%；（5）进一步提高电压稳定度，使S v ≤0.5%；（6）进一步提高效率，使η≥80%；（7）进一步减少重量，使W≤0.3kg；（8）其他。

三、说明（1）该开关稳压电源不得采用成品模块制作。

（2）稳压器若含其它控制、测量电路都只能由U IN端口供电，不得增加其他辅助电源。

，可TI公司19mm“探头进。

探头不得再移动。

（30分）（2）将1角硬币更换成直径约25mm的镀镍钢芯1元硬币（第五套人民币1元硬币），重复要求（1）的探测过程。

定位完成后，定位指针与硬币圆心之间的定位误差应控制在5mm以；探测定位速度越快越好，探测定位总时间不应超过2分钟。

完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动。

（30分）（3）将硬币改为自制圆铁环（用Φ2铁丝绕制），铁环外直径4cm。

重复要求（1）的探测过程，应使定位指针尽可能指向铁环圆心，定位误差应控制在5mm以内；完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动，探测定位总时间应不超过3分钟。

（30分）（4）其他自主发挥功能。

（10分）（5）3.说明（1）金属物体探测定位装置探头采用AY-LDC1000板（由TI公司提供），可直接用AY-LDC1000板上的覆铜线圈，也可自制线圈；不得安装其他传感与摄像装置。

探测开始后，不得手动或遥控探测器。

（2）玻璃板可采用普通无色玻璃（玻璃边沿需贴上胶带以防划伤），也可用无色透明有机玻璃板；玻璃板长宽尺寸应大于50cm、厚度约3mm。

（3）探头从“探头进入区”一侧进入时探头的起始位置和摆放方向，以及探测区域内的被测金属物体摆放位置均由测试专家在现场指定。

2014年TI杯大学生电子设计竞赛题C题：锁定放大器的设计1．任务设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。

锁定放大器基本组成框图见图1。

信号通道2．要求（1）外接信号源提供频率为1kHz 的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R (t )端。

R (t )通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S (t )端，S (t )幅度有效值为 10μV ~1mV 。

（5分）（2）参考通道的输出r (t )为方波信号，r (t )的相位相对参考信号R (t )可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。

（20分）（3）信号通道的3dB 频带范围为900Hz ~1100Hz 。

2014年全国大学生电子设计竞赛地方赛区TI杯
评分
竞赛简介| 竞赛使用仪器及器件、设备 | 竞赛通用参考题
2014年TI杯地方赛区大学生电子设计竞赛由德州仪器公司冠名赞助，旨在吸引各地高校的电子信息技术及其相关专业的大学生广泛参与到学生创新活动中来，提升电子设计制作能力，培养大学生创新意识、动手能力和工程实践能力，并最新最先进的单片机和模拟技术带到高校的教学和科研中去。

2014年，德州仪器公司和16个地方赛区合作，他们分别是：北京、上海、江苏、浙江、天津、陕西、湖北、四川、重庆、山东、湖南、广西、辽宁、黑龙江、福建、安徽。

为了协助各赛区参赛队利用业界先进的半导体技术快速开展设计，TI大学计划部在每个赛区安排了一系列的相关培训，培训内容涵盖TI的超低功耗MSP430单片机、高性能运算放大器、数据转换器以及开关电源转换器。

各赛区的集中培训一方面为参与竞赛的老师和学生提供技术指导，以帮助他们在设计竞赛中快速、简单、高效的实现模拟系统和MSP430设计；另一方面也为今后的模拟电子相关科目的教学和科研提供帮助。

目前竞赛正处于紧张的赛前培训、学生训练和准备阶段，所有赛区竞赛会在9月份全部结束。

4251.2014年TI杯电子设计竞赛推荐芯片列表.xlsx。

2014 年TI杯大学生电子设计竞赛E题：∑-Δ型A/D转换电路1．任务设计并制作1阶∑-Δ调制器，并在此基础上设计并制作∑-Δ型A/D转换电路，电路结构如图1所示。

图1 ∑-Δ型A/D转换电路框图2．要求（1）设计并制作1阶∑-Δ调制器，具体电路框图如图2所示。

图中U为2V。

要REFf自定。

（12分）求∑-Δ调制器输出的1位数据流为TTL电平，时钟频率CLK（2）利用（1）中制作的1阶∑-Δ调制器，设计并制作∑-Δ 型A/D转换电路。

要求A/D转换电路可设置工作于下列两种模式：（32分）●模式1，采样频率为100Hz，采样位数为12位；●模式2，采样频率为1600Hz，采样位数为8位。

（3）设计并制作∑-Δ型A/D转换电路的采样数据显示装置。

要求可以显示A/D转换电路连续采样数据波形，显示的波形数据点数不少于200点。

同时，在波形上显示一个光标，移动光标时能显示相应波形点的采样数据。

（6分）（4）改进∑-Δ 型A/D转换电路的显示装置，要求能计算A/D转换电路输出的采样，并实时显示。

方差的计算使用连续1秒的采样数据直接计算。

数据的方差2（10分）（5）改进∑-Δ型A/D转换电路的设计，尽量减小A/D转换电路的本底噪声和量化噪声，提高∑-Δ 型A/D转换电路的采样精度。

实现∑-Δ 型A/D转换电路能工作于下列模式：（20分）●模式3，采样频率为100Hz，采样位数为16位，有效位数不少于13位。

图2 1阶∑-Δ调制器的结构框图（6）进一步提高∑-Δ型A/D转换电路的采样速度。

实现∑-Δ 型A/D转换电路能工作于下列模式：（15分）模式4，采样频率为1600Hz，采样位数为16位，有效位数不少于13位。

（7）其他自主发挥。

（5分）（8）设计报告（20分）3．说明（1）要求（1）中，要求减法器、积分电路、比较器和1位DAC分别用独立电路实现，并在A、B、C、D信号处应留有测试口，以便对信号波形进行观察。

（2）将1角硬币更换成直径约25mm的镀镍钢芯1元硬币（第五套人民币1元硬币），重复要求（1）的探测过程。

定位完成后，定位指针与硬币圆心之间的定位误差应控制在5mm以；探测定位速度越快越好，探测定位总时间不应超过2分钟。

完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动。

（30分）
（3）将硬币改为自制圆铁环（用Φ2铁丝绕制），铁环外直径4cm。

重复要求（1）的探测过程，应使定位指针尽可能指向铁环圆心，定位误差应控制在5mm以内；完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动，探测定位总时间应不超过3分钟。

（30分）
（4）其他自主发挥功能。

（10分）
（5）设计报告。

（20分）
3.说明
（1）金属物体探测定位装置探头采用AY-LDC1000板（由TI公司提供），可直接用AY-LDC1000板上的覆铜线圈，也可自制线圈；不得安装其他传感与摄像
装置。

探测开始后，不得手动或遥控探测器。

（2）玻璃板可采用普通无色玻璃（玻璃边沿需贴上胶带以防划伤），也可用无色透明有机玻璃板；玻璃板长宽尺寸应大于50cm、厚度约3mm。

（3）探头从“探头进入区”一侧进入时探头的起始位置和摆放方向，以及探测区域内的被测金属物体摆放位置均由测试专家在现场指定。