2017年全国电子竞赛设计报告(A题)

1题目：可见光室内定位装置（I题）2017年8月12日2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%。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，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TPS54560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：（1）经计算得出恒流源输出电流：12iorrVVVIRR（2）2.2.2储能电感线圈的计算充电时，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：)((max)(max))(swfVVKIVVLINoutINDoutoutINBuckO（3）放电时，输入电压18V-24V，输出电压为30V。计算公式如下所示：swINDNDCDoutfKIVVLBoost41)()(（4）其中INDK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。)(swf是输入频率，经过计算得出)(BuckL=22uH,)(BoostL=10uH。2.2.3充电电流步进可调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小，故PWM波可实现对电流的步进可调0.80.82.50.8123PWMOUTVVRRR（5）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（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-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，4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脚的电压为输出电压为0.8V，在输入端构成了简单的拓扑结构，BRA-端的电压只会受恒流输入的电流值控制。实现给电池充电的步进可调。主要原理图如下所示：图（5）降压电路模块升压（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3．电路与程序设计3.1电路设计3.1.1基本要求测试（1）手动S1、S2、S3开关，将装置设定为充电模式，调节输入电源为30V，设置I1=1A,充电电流显示为1.017A，代表充电电流恒定。（2）步进可调测量，并测试电流的控制精度。根据电流控制精度的定义：%10010101IIIeic(7)1I为B和BRA-两端的充电电流，10I为设定值。测试数据：10I(A)计算步进值（A）1I（A）控制精度1.100.11.1030.29%1.210.011.2160.49%（2）设定1I=2A，调节输出电压为24V和36V测量1I两端的电流。当2U=36V时，充电电流值为11I；当2U=30V时，充电电流值为1I；当2U=24V时，充电电流值为12I,电流变化率%100112111IIISI(8)测量数据：2UI（A）24V2.023SW1SW2VIN3EN4SS5SYNC6AGND7COMP8FB9FREQ10NC11PGND12PGND13PGND14U1TPS55340C10100nFR360.4KL110uHC1122nFC94.7uFAGNDAGNDC12620pFR72.15KC1333nFAGNDC14.7uFC41uFR110mRIS1+R4220KR810KIS1-AGNDC24.7uFC34.7uFAGNDAGNDD1SK54EN1R651kAGNDR10015K11.4mR536V1.945根据计算结果，电流变化率为0.9%，达到要求。(3)DC-DC转换效率转换效率：%100inoutPP；IUP（9）3.2程序设计开始初始化检测拨码开关LED1LED1LED1高频流水灯高频流水灯高频流水灯开始初始化捕获判断信号频率位置检测额音频接受位置检测电压转化音频输出解调4.测试方案与测试结果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。（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。64.1.1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规格数量DP832线性直流源134401A数字万用表1DG1022函数发生器1INSTEK数字存储示波器1表1仪器列表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，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。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。实际坐标（cm）显示坐标（cm）绝对误差A（Xp，Yp）BCD