微型四旋翼控制系统_毕业设计论文(编辑修改稿)

微型四旋翼控制系统_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

D A T A A C K D A T A A C KP 图 37 完整的 I2C数据传输 Complete I2C data transfer 如果要写 MPU6050 寄存器，处理器除了发出开始标志（ S） 和地址位， 还要加一个 R/W位， 0为写， 1为读。 在第九个时钟周期（高电平）时， MPU6050 产生应答信号。 然后处理器开始传送寄存器地址，接到应答后，开始传送寄存器数据，然后仍然要有应答信号，以此类推。 如果要读取 MPU6050 寄存器的值，首先由处理器产生开始信号（ S），然后发送 MPU6050 的地址位和一个写数据位，然后发送寄存器地址，才能开始读寄存器。 紧接着，收到应答信号后，处理器再发一个开始信号，然后发送 MPU6050 地址位和一个读数据位。 然后，作为从设备的 MPU6050 产生应答信号并开始发送寄存器数据。 通信以处理器 产生的拒绝应答信号（ NACK）和结束标志（ P）结束。 拒绝应答信号（ NACK）产生定义为 SDA 数据在第 9 个时钟周期一直为高。 数字罗盘模块 霍尼韦尔 HMC5883L 是 一种表面贴装的高集成模块 ， 并带有数字接口的弱磁传感器芯片 ， 应用于低成本罗盘和磁场检测领域。 HMC5883L 包括最先进的高分辨率 HMC118X 系列磁阻传感器 ， 并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在 1176。 ~2176。 的 12位模数转换器 和 简易的 I2C 系列总线接口。 HMC5883L 广泛应用于 手机、笔记本电 脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。 原理图如图38。 在惯性导航算法中，导航参数会随着传感器的测量误差积累和发散，因而不能满足长时间自主飞行的需要，故选用霍尼韦尔公司的三周是数字罗盘 HMC5883L 对惯性导航系统进行姿态校准。 它的工作电压时 5V，采用 USART 协议通信，通过转换电路之后可以和 STM32的 SCI 口通信，并且自带模数转换，以便于微处理器直接通信。 在实际测试中发现，电机辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 旋转 会对 数字罗盘的数据产生干扰，故暂时不加入数字罗盘的数据。 SETP8SETC12C110NC13NC25NC36NC47NC514VDD2VDD_IO13S14SCL1SDA16DRDY15GND19GND211U2HMC5883LC3CapC4CapGNDVCC2K2R2Res22K2R3Res2GNDSCL_SENSORSDA_SENSOR 38 数字罗盘模块 Digital pass module 无线数据传输模块 无线数据传输模块是四旋翼无人飞行器和控制中心之间通信的桥梁。 本设计选用NORDIC公司生产的 NRF24L01芯片。 NRF24L01 是一款工作在 ~ 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯片。 无线收发器包括 : 频率发生器 、 增强型 SchockBurst™模式控制器 、 功率放大器 、 晶体振荡器 、 调制器 、 解调器 ， 输出功率频道选择和协议的设置可以通过 SPI 接口进行设置。 CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5IRQ6VDD17VSS18XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS214VDD215IREF16VSS317VDD318DVDD19VSS420U6NRF24L01VCCGND12Y2XTALGND22pFC2522pFC30GNDVCC33nFC2322KR16GNDGNDC31CapC26CapC28CapC27CapL2InductorL4InductorL3InductorGND GNDGNDC24CapGNDC29CapGND12T1 TPGND1MR17Res2c24,c29,c31 无，不上ANT 天线C33Cap 图 39 无线数据传输模块 Wireless data transmission module 王宾： 微型四旋翼控制系统 14 极低的电流消耗当工作在发射模式下发射功率为 6dBm 时电流消耗为 接收模式时为。 掉电模式和待机模式下电流消耗更低。 本系统通过无线模块发送数据 ， 无线遥控器接收数据并传送至电脑上位机。 通过上位机 ， 可以实时地显示四旋翼的姿态 ， 并可通过上位机控制飞行器的飞行。 原理图如图 39。 NRF24L01 模块与处理器通过 SPI 接口进行通讯， SPI 为四线同步串行接口，两个控制线，两个数据线。 其中，串行时钟输出（ SCLK） 、数据输出（ SDO）和数据输入（ SDI）三条线 为所有设备共享。 主设备为每个从设备分配一个独立的片选（ CS）（本系统仅 NRF24L01为 SPI 设备）；传输开始后 CS为低，传输结束 CS又变为高。 当 NRF24L01 没有被片选信号启动时，它的数据输出线（ SDO）保持为高阻态。 SPI 传输特点： 1） 数据的最高位（ MSB）先传，最低位（ LSB）后传 2） 数据在时钟（ SCLK）的上升沿捕获 3） 数据在时钟（ SCLK）的下降沿转换 4） 最大时钟频率为 1MHz 5） SPI的每次读 /写操作需要 16 个时钟周期或更多。 传输的第一个字节为 SPI 地址，第二个字节为 SPI 数据。 首字节的第一位为读 /写 位， 0 为写， 1 为读，后面 7 个位为寄存器地址。 如果要发送多个字节，连续发送数据位即可。 SPI 读写操作时序图如下： 图 310 SPI读操作 SPI read operation 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 图 311 SPI写操作 SPI write operation 电机驱动模块 本设计 采用 PWM 控制直流电机的转速。 微型四旋翼飞行器的动力系统由电机和旋翼组成。 电机选用直接为 7mm 的空心杯电机。 直流电机是功率器件，需要很大的驱动电流，控制器的驱动能力有限，因此必须选用专门的驱动芯片。 本 设计选用 N沟道场效应管 SI2302来控制和驱动直流电机，它具有较大的漏极电流，最大能通过 的电流。 由于飞行器的电机在转动过程中会产生比较大的冲击电流，所以加二极管 D D3 给电机的反电动势提供放电回路（图 312）。 下拉电阻 R4防止上电时电机转动。 Q1NMOS210KR4Res2GNDD1D3C1CapPWM_UPBAT12J1MOTOR 图 312 电机驱动模块 driver module of electric motor 电源模块 稳压芯片采用低压差线性稳压器 SP6205， 此芯片噪声低 ， 纹波小 ， 电路简单。 本系统采用 动力电池提供电源， 两路 电压 输出 ， 一路供主控芯片 ， 一路供陀螺仪输出 ，两路电源相互隔离 ， 防止陀螺仪的数据被干扰。 原理图如图 313。 王宾： 微型四旋翼控制系统 16 VIN1GND2EN3BYP4VOUT5U4SP6205BAT10uHL1Inductor47uFBC1GND GND GND GND GNDC11CapGND GND47uFBC2C12CapC13CapC14CapC15CapVCCGND GND GNDC16CapC17CapC18Cap主控芯片电源输出VIN1GND2EN3BYP4VOUT5U5SP6205GNDGND100KR12Res2100KR14Res2GNDBAT_ADGNDC20CapGND10uFC21CapGNDC22CapVDD陀螺仪电源输出 图 313 电源模块 power module 充电模块 充电电路采用 TP4056 芯片 ， 此芯片是一款完整的单节锂离子电池 线性充电器。 其底部带有散热片的 DOP8/MSOP8 封装与较少的外部引脚数目使得 TP4056 成为便携式应用的理想选择。 TP4056 可以适合 USB 电源和适配器电源工作。 由于采用了内部 PMOSFET 架构 ， 加上防倒充电路 ， 所以不需要外部隔离二极管。 热反馈可对充电电流进行自动调节 ， 以 便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。 充电电压固定于 ， 而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。 当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值 1/10 时 ， TP4056 将自动终止充电循环。 当输入电压（交流适配器或 USB 电源）被拿掉时 ， TP4056 自动进入一个低电流状态 ， 将电池漏电流降至2uA 以下。 TP4056 在有电源时也可置于停机模式 ， 从 而将供电电流降至 55uA。 TP4056 的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的 LED状态引脚。 原理图如图 314。 T E M P1P R O G2G N D3V C C4B A T5S T D B Y J6C H R G J7C E8H E A T _ P A D9U 7T P 4 0 5 6G N DG N D1 K 2R 1 9R e s 20 . 1 u FC 3 2C a pG N DG N DD 1 1L E D _ B L U E1 K 2R 1 8R e s 2+ 5D 1 0D i o d e4 7 u FB C 3C a p P o l 1G N DNC1COM2EXT3INT4J 6 S W 4B A T12J 7L I _ B A T _ 2 P I NG N DB A T _ I NG N D 图 314 充电模块 charger module 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 17 电池 本设计的电池选用的是飞行航模专用的动力电池，可以提供足够的电流来保证飞行器的飞行，参数如下： 电量： 400mAh 电池电压： 放电倍率： 25C 充电终止电压： 放电终止电压： 尺寸： 39mm  重量： 11g 放电倍率指的是放电电流，以电池容量的倍数计算，此电池的 最大 放电电流可根据下面的公式计 算： 400mAh  25C = 10A，足以满足飞行器飞行需要。 无线遥控器 V B A TP C 1 3P C 1 4P C 1 5O S C _ I NO S C _ O U TN R S TG N DV D D AP A 0P A 1P A 2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1BOOT1PB10PB11GND+3.3V+ 3 . 3 VG N DJ T A G _ T M SU S B _ D PU S B _ D MU 1 _ R XU 1 _ T XP A 8P B 1 2P B 1 3P B 1 4P B 1 5JTAG_TCKJTAG_TDIJTAG_TDOJTAG_NTRSTPB5PB6PB7BOOT0PB8PB9GND+3.3V12Y 23 2 . 7 6 8 K H z1 0 P FC 31 0 P FC 4G N D12Y 18 M2 2 P FC 12 2 P FC 2G N DD 21 KR 9G N D0 RR 7+ 3 . 3 VB 1B a t t e r yG N DG N D1 0 KR 61 u FC 5+ 3 . 3 VK 1K E Y 21 0 m HL 1G N D0 . 1 u FC 9+ 3 . 3 VV B A T1P C 1 3 /。