基于单片机的四轴飞行器毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于单片机的四轴飞行器毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

F 24 L 01无线模块电机驱动电机惯性测量单元状态指示 L E D电池电量监控遥控器M C U( L P C 1 5 4 9 )电源n R F 24 L 01无线模块状态指示 L E D摇杆控制液晶显示模块蜂鸣器按键串口调试程序下载串口调试程序下载复位与时钟 图 21 系统 硬件 总体框图 各部分功能作用 1. MCU控制中心 MCU是飞行器和遥控器的控制中心，是它们的大脑，主要功能是收集数据和处理数据并且做出指示。 本次设计选用的是 32位的基于 ARM CortexM3 为内核的 NXP LPC154作为中央处理器， 设置 72M的时钟频率，完全能达到设计的要求。 2. 电源模块 电源模块起着为系统充能量的作用，任何电子系统没有了电源，系统肯定会瘫痪，所以电源起着至关重要的作用。 本次电源设计模块选用 CAT6219作为 转 稳压芯片； CAT6219 的低压差的优点完全符合设计要求，遥控还使用了 ； ADC电位器做参考电压使用。 3. 通信模块 通信模块在 整个系统中起着信号交流的作用，遥控器通过 MCU 读取的按键信息以及油门方向值发送到飞行器端，飞行器端接收到之后做出相应的动作。 本吉林建筑大学学士学位论文 7 次设计采用 NRF24L01 无线通信模块，选着此模块的原因是因其通信协议简单、传输距离相对较远、价格低廉等优点。 4. 惯性测量单元 惯性测量单元主要是在飞行器飞行过程中实时检测姿态的传感器，对于飞行 器想要平稳飞行来说具有极其重要的作用。 本次设计之所以选用 MPU6050作为 姿态传感器作为惯性测量单元，是因其具有跟 MCU 之间进行 I2C 数据传输，传输速率为 400KHz，通信协议简单、价格低廉等优点。 5. 电机驱动 电机驱动部分主要是 MCU通过控制 PWM然后控制 MOS管打开和闭合作为开关从而控制电机的转动。 本设计采用 SI2302 N沟道型 MOS管，其具有低开启电压大电流并且价格便宜等优点，电路设计也很简单。 6. LED状态指示 在硬件电路设计中， LED 首先必须要有电源指示灯，判断系统是否上电；其次 需要有信号指示灯，指示遥控器和飞行器是否通信；最后就是状态显示 LED灯显示飞行器状 态等等。 系统软件设计方案 本次设计软件部分包括遥控器程序设计和飞行器程序设计。 遥控器程序设计主要包括有无线 NRF24L01发送、 ADC电压采集之后的处理、显示器驱动显示、读取按键状态以及 LED灯指示等 ，涉及软件包括 SPI通信协议、 ADC模数转换、I/O口驱动等。 飞行器程序设计部分主要包含无线 NRF24L01接收、读取 MPU6050的数据并通过四元数滤波计算（ IMU）以及 PID 自动控制、电机 PWM 产生以及控制、 LED状态灯等 ，飞行器软件涉及 SPI通信协议驱动、 I2C通信协议驱动等。 吉林建筑大学学士学位论文 8 第 3 章 系统 硬件电路设计 Altium Designer Summer 09 简介 Altium Designer是目前国内最流行的通用 EDA软件， Altium Designer Summer 09是 Altium公司在 2020年发布的版本，它将电路原理图设计、 PCB版图设计、电路仿真、 PLD 设计以及 FPGA 设计等多个实用工具组合起来构成 EDA 工作平台，是第一个将 EDA软件设计成基于 Windows 的普及型产品。 与早期 Protel 99SE以及 Protel DXP2020软件相比， Altium Designer Summer 09功能更加完备、风格更加成熟，并且界面更加灵活操作也简单，尤其是在仿真和 PFGA 电路设计方面有了重大的改进，摆脱了 Protel 前期版本基于 PCB设计的产品定位，显露出一个普及型全线 EDA产品崭新的面貌。 本次毕业设计所有硬件设计部分包括原理图和 PCB 部分都是使用 Altium Designer Summer 09 来完成的。 总体电路设计 遥控器总体电路设计 在 本次硬件 电路设计中， 原理图 采用 把每个模块分开来绘制，然后 在所需接口上使用连接口连接，这 使得 整个遥控器电路图 能够 直观的显示 其中 包括了哪 些模块单元 ，并且每个模块之间 的 连接 也 非常清楚。 此时不需要 去 知道每个模块 的内部 连接，知道模块有哪些可用的 接口就可以。 遥控器硬件电路总图如图 31 所示。 由图 31可以清晰 看出，遥控器供电有两种供电方式，一 种 是 采用 供电，第二种 是通过 Micro USB 电源线 供电。 在 电源模块中， 可 输入 5V直流电源或 输入 源。 此次设计中考虑到可能出现两种电源同时接上的情况，所以采用电源开关来控制电源输入类型。 从该模块还 能看 出 电源输出的有。 遥控器硬件电路 除了电源模块电路，还 包括最小系统电路模块、吉林建筑大学学士学位论文 9 串口调试电路模块、 ADC电路模块以及按键跟 LED灯模块。 TXDRXDSW_CLKSW_DIOAGNDGNDNRF_LEDLED[0..4]SYS_RSTGAS_FlyYAW_FlyLEFT_FlyRIGHT_FlyPROWERNRF_CSNNRF_IRQNRF_MISONRF_MOSINRF_CENRF_SCKSDINSCLKLCD_DCLCD_CETUN[0..3]LEFT_RotateRIGHT_RotateBEEPLCD_RSTLCD_BLACKDesignator01. 最小系统 .SchDocVIN_5VAGNDGNDDesignator02. 电源电路 .SchDoc12J1电池接口GNDAGNDGAS_FlyYAW_FlyRIGHT_FlyAGNDLEFT_FlyGNDPOWERDesignator 电路 .SchDocGNDGNDAGNDLED1RUN470R1VCC_5VLED[0..4] Designator 指示灯电路 .SchDocAGNDGNDRIGHT_RotateTUN[0..3]LEFT_RotateGNDDesignator05. 按键电路 .SchDocGNDSW_CLKSW_DIOSYS_RES10kR5GNDGNDGNDRXDTXDCH340_D+GNDCH340_DDesignator03. 串口下载电路 .SchDocGNDGND1VCC2CE3CSN4SCK5MOSI6MISO7IRQ8NRF24L01U2NRF24L0110kR210kR3D1Diode 1N41481kR4GND12AX1205F4, 有源BZ1LED[0..4]TUN[0..3]VCC1D2D+3GND5ID4U1USB_MICRO12345678P1LCD 接口S1SWDPDT12345P2JLINK 接口C1104Q1PNP 图 31 遥控器硬件电路总图 吉林建筑大学学士学位论文 10 飞行器总体电路设计 BA T +BA T DP 3 V 3AP 3 V 3D G N DA G N D电源 03 . P W R _ CA T 6 2 1 9 3 3 0 TD GT 3 . S ch D o cBA T +D G N DT X DR X DSW D _ CL KSW D _ IOPW M [ 0 .. 3 ]IN TI 2 C _ SCLI 2 C _ SD ADP 3 V 3AP 3 V 3A G N DL E D [ 0 .. 3 ]X T A L _ INX T A L _ OUTRST最小系统 01 . MP U _ L PC 1 5 4 9 . Sch D o cDP 3 V 3AP 3 V 3D G N DA G N DT X DRX DDP 3 V 3D G N DDP 3 V 3D G N DSW D _ CL KSW D _ IOBA T +M G N DPW M [ 0 .. 3 ]电机驱动 04 . PW M _ SI 2 3 0 2 . Sch D o cBA T +BA T DP 3 V 3IN TI 2 C _ SCLI 2 C _ SD AD G N D传感器 05 . S E N S O R _ M P U 6 0 5 0 . Sch D o cDP 3 V 3BA T +AP 3 V 3A G N DDP 3 V 3D G N DL E D [ 0 .. 3 ]L E D 灯 06 . L E D _ RBG . Sch D o cDP 3 V 3D G N DD G N DP W M [ 0 .. 3 ]L E D [ 0 .. 3 ]BA T +BA T 12J 5电池接口12345J 7J L IN K 下载12J 6串口接口SY S _ RSTRSTX T A L _ INX T A L _ OUTDP 3 V 3D G N D复位与时钟 02 . RST _ CL K _ CA T 8 1 1 . Sc h D o cSY S _ RSTDP 3 V 3D G N D 图 32飞行器硬件电路总图 飞行器硬件电路图如图 32 所示，由图可知，飞行器硬件电路主要包括电源电路、 MCU最小系统电路、电机驱动电路、 MPU6050外设电路以及 LED指示灯电路。 各部分电路设计 在 硬件电路设计中，对 以下 几个主要的模块如电源电路、 MCU最小系统电路、无线通信电路、 MPU6050电路 、 串口调试电路 、电机驱动电路 等进行更加详细的介绍。 电源电路设计 电源是任何电子系统设计的核心，并且需要的是稳定的电源，电源的是否稳定影响着系统的稳定，因此，电源部分也是重点设计的部分。 在本次设计中，由于包括遥控器和飞行器两大部分并且都需要单独供电，都有电源部分电路，在这吉林建筑大学学士学位论文 11 里重点介绍飞行器的电源电路设计。 飞行器电源设计 使用 ， 给系统供电，但是 系统需要两种电源，一是 MCU和外设需要稳定的 ，再者就是飞行器电机 的 供电。 本次设计所选用的空心杯直流有刷电机在工作 的时候，对电压的影响非常大，所以要在保证能给电机供电的情况下还能有 ， 因此 本 次 设计采用 CAT6219作为 ，采用 CAT6219稳压芯片 是 因为它具有以下几个优点：  很低的电压差，能确保 ；  低噪声低功耗设计；  电路极为简单；  精度高纹波小；  低成本低噪声。 电源电路设计如图 33 所示，其中 330mH 电感 L1 在回路电路中起着消除系统 运行产生 的磁通量，保证电源的稳定； C6 和 C9两个 100uF的大电容分别放在稳压芯片的输入和输出两端起着滤波的作用，能更加的稳定 电源。 在本设计过程中，还把电源分为模拟和数字两部分，分别通过磁珠来进行隔离，周围的小电容同时也起着滤波的作用。 BA T +BA T C 101 0 4+C 91 0 0 μ FV O U T5V IN1BY P4GND2EN3CA T 6 2 1 9 3 3 0 TD GT 3U 4121 N 4 1 4 8D 1R 104 . 7 k ΩR 111 k ΩC 111 0 4+ C 61 0 0 μ FC 70 . 1 μ FC 81 0 4AP 3 V 3A G N DC 131 0 4C 141 0 4DP 3 V 3AP 3 V 3C 151 0 3C 121 0 3FB 1磁珠FB 2磁珠D G N D A G N D231S 1SW SP D TL 13 3 0 mHC 161 0 4DP 3 V 3D G N D 图 33 电源电路原理图 在遥控器电源设计中，输入电压可以是 5V电电源，用到了两个稳吉林建筑大学学士学位论文 12 压芯片，一个是 CAT6219， MCU和外设供电；另外用到 ASM1117， ADC摇杆电位器提供电源，作为参考电压，采用超低电压的原因是保证采集到的 ADC电压值不受电池电量的影响而使得。