【正文】 也 會形成。 系統(tǒng)采用遙控器無線控制，遙控器端主控芯片采集 AD 值和按鍵動作信號，通過NRF24L01 無線傳輸給飛行器，飛行器端的 NRF24L01 接收到信號之后主控器進(jìn)行信號收集，飛行器在接收無線信號的同時，還要接收自身姿態(tài)傳感器 MPU6050讀出來的值，通過四元數(shù)濾波算法， PID 控制算法，得到姿態(tài)角度值，最終把自身的數(shù)據(jù)和無線接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理傳送給飛行器四個電機(jī)的 PWM 控制I/O口，從而使得飛行器在保持平穩(wěn)的狀態(tài)下被遙控器控制，以此來達(dá)到遙控的目的。遙 控器外形設(shè)計似游戲手柄，直接用 PCB電路板打樣后作為遙控器外形。飛行器螺旋槳主要提供三個作用，一是提 供升力，保證飛行器能處于飛行狀態(tài)；另一個是四個螺旋槳分為兩兩 對稱布置，單軸對稱布置正反螺旋槳葉，互相抵消螺旋槳旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的力矩；此外，可以通過調(diào)整每個螺旋槳轉(zhuǎn)速，達(dá)到飛行姿態(tài)控制。 飛行器M C U( L P C 1 5 4 9 )電源n R F 24 L 01無線模塊電機(jī)驅(qū)動電機(jī)慣性測量單元狀態(tài)指示 L E D電池電量監(jiān)控遙控器M C U( L P C 1 5 4 9 )電源n R F 24 L 01無線模塊狀態(tài)指示 L E D搖桿控制液晶顯示模塊蜂鳴器按鍵串口調(diào)試程序下載串口調(diào)試程序下載復(fù)位與時鐘 圖 21 系統(tǒng) 硬件 總體框圖 各部分功能作用 1. MCU控制中心 MCU是飛行器和遙控器的控制中心，是它們的大腦，主要功能是收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并且做出指示。 3. 通信模塊 通信模塊在 整個系統(tǒng)中起著信號交流的作用，遙控器通過 MCU 讀取的按鍵信息以及油門方向值發(fā)送到飛行器端，飛行器端接收到之后做出相應(yīng)的動作。 5. 電機(jī)驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動部分主要是 MCU通過控制 PWM然后控制 MOS管打開和閉合作為開關(guān)從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。遙控器程序設(shè)計主要包括有無線 NRF24L01發(fā)送、 ADC電壓采集之后的處理、顯示器驅(qū)動顯示、讀取按鍵狀態(tài)以及 LED燈指示等 ，涉及軟件包括 SPI通信協(xié)議、 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、I/O口驅(qū)動等。 本次畢業(yè)設(shè)計所有硬件設(shè)計部分包括原理圖和 PCB 部分都是使用 Altium Designer Summer 09 來完成的。 由圖 31可以清晰 看出，遙控器供電有兩種供電方式，一 種 是 采用 供電，第二種 是通過 Micro USB 電源線 供電 。 遙控器硬件電路 除了電源模塊電路，還 包括最小系統(tǒng)電路模塊、吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 串口調(diào)試電路模塊、 ADC電路模塊以及按鍵跟 LED燈模塊。在本次設(shè)計中，由于包括遙控器和飛行器兩大部分并且都需要單獨供電，都有電源部分電路，在這吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 里重點介紹飛行器的電源電路設(shè)計。 在本設(shè)計過程中，還把電源分為模擬和數(shù)字兩部分，分別通過磁珠來進(jìn)行隔離，周圍的小電容同時也起著濾波的作用。程序調(diào)試跟下載通過 JLINK仿真器 SWD模式來進(jìn)行。 NXP LPC1549處理器一共有 48個引腳，包括電源引腳有 12個，外部晶振引腳 2 個， 外部 RTC 時鐘引腳 2 個， USB 引腳 2 個， 30 個 I/O 口引腳。 比如串口的 RXD和 TXD引腳可以通過軟件寄存器配置隨意更換引腳 而不是固定不變的； 硬件 SPI 引 腳也可以通過開關(guān)矩陣來配置，這大大減輕了硬件電路設(shè)計的難度和開發(fā)時間。 CE1CSN2SCK3M O SI4MIS O5IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD _ PA11ANT 112ANT 213V SS14VDD15IRFF16VSS17VDD18DVDD19VSS20U 110 nFC 21 nFC 31 0 0 pFC 122 pFC 822 pFC 92 . 2 pFC 64 . 7 pFC 71 . 5 pFC 4GND GNDV C CGNDV CCGND1 216 MY 1GND10 uHL 310 uHL 210 uHL 1GND1 . 0 pFC 5GNDGNDA N T E N N A22 KR 1GND1 MR 2CECSNSCKM O SIMIS OIR QV CC _ 3 . 3 V V CC圖 35 NRF24L01 無線通信模塊電路圖 無線網(wǎng)絡(luò)頻段屬于 ISM 頻段，它是全球范圍內(nèi)被廣泛使用的超低輻射綠色環(huán)保頻段；具有 125 個通訊信道，因為 無線網(wǎng)絡(luò)通訊更通暢，多個通訊指令間不會相互干擾； 無線網(wǎng)格帶寬傳速率最高可以達(dá)到 108Mbps，因此它的傳輸速度很快；它的傳輸距離相對較遠(yuǎn)（空曠地帶： 200m 有效傳輸距離），且不受傳輸方的影響，支持雙向通訊。 SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時鐘極性（ CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。 SPI主模塊和與之通信的外設(shè)音時鐘相位和極性應(yīng)該一致。MPU6050 是集三軸加速度計和三軸陀螺儀與一起的姿態(tài)傳感器， MPU6050 跟MCU直接采用 400Hz的 I2C 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。 MPU6050主要接口是兩個引腳，一個是 I2C數(shù)據(jù)線 SDA引腳，一個是 I2C時鐘線 SCL引腳。1000與 177。4g177。 MPU6000 可在不同電壓下工作， VDD 供電電壓介為 177。 5%。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 I2C總線支持任何 IC 生產(chǎn)過程 （ NMOS和 CMOS 雙極性 ） ， 兩條線 串行數(shù)據(jù)（ SDA ） 和串行時鐘 （ SCL） 線在連接到總線的器件間傳遞信息 。 表 32 I2C總線術(shù)語定義 術(shù)語 描述 發(fā)送器 發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的器件 接收器 從總線接收數(shù)據(jù)的器件 主機(jī) 初始化發(fā)送，產(chǎn)生時鐘信號和終止發(fā)送的器件 從機(jī) 被主機(jī)尋址的器件 多主機(jī) 同時有多于一個主機(jī)嘗試控制總線，但不被破壞報文 仲裁 是一個在有多個主機(jī)同時嘗試控制總線但只允許其中一個控制總線并使 報文不被破壞的過程 同步 兩個或多個器件同步時鐘信號的過程 圖 38 起始和停止信號 在 I2C 總線中唯一出現(xiàn)的是被定義為起始 S和停止 P條件見圖 38的情況，其中一種情況是在 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換這個情況表示起始條件，當(dāng) SCL 是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換表示停止條件， 起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生總線在起始條件后被 認(rèn)為處于忙的狀態(tài)，在停止條件的某段時間后，總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。 首先主機(jī)也就是飛控端 MCU 是時鐘線保持高電平，數(shù)據(jù)線被拉低，產(chǎn)生一個起始信號，緊接著主機(jī)（ MCU）向從機(jī)（ MPU6050）發(fā)送寫設(shè)備地址信號，這時的設(shè)備地址就是 MPU6050 的器件地址 b11010000，最后 一 位是 0表示發(fā)送的是寫的地址；從機(jī)收到設(shè)備地址之后返回個 ACK，然后主機(jī)再向從機(jī)發(fā)送設(shè)備子地址，也就是寄存器地址，從機(jī)再返回ACK，接下來當(dāng)時鐘線保持高電平數(shù)據(jù)線 被拉低時再次發(fā)送信號，這時發(fā)送的是讀取設(shè)備的地址 b11010001，最后位為 1是讀??；等到從機(jī)返回 ACK之后主機(jī)開始讀取到數(shù)據(jù)， MCU讀取到數(shù)據(jù)之后，單次通信完成，等待進(jìn)入下一次通信。 其電路原理圖如圖 311 所示。本次設(shè)計選用的串口轉(zhuǎn) USB芯片是 CH340G芯片， CH340G具有以下特點： ● 全速 USB設(shè)備接口，兼容 USB ，外圍元器件只需要晶體和電容。 ● 支持常用的 MODEM聯(lián)絡(luò)信號 RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。 ● 支持 5V電源電壓和 。一般情況下，時鐘信號由 CH340內(nèi)置的反相器通過晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生。當(dāng)使用 ， CH340芯片的 V3引腳應(yīng)該 與 VCC引腳相連接，同時輸入外部的 ，并且與 CH340芯片相連接的其它電路的工作電壓不能超過 。 PCB 設(shè)計技巧規(guī)則 對于 IC、非定位接插件等大器件，可以選用 50~100mil 的格點精度進(jìn)行布局，而對于電阻電容和電感等無源小器件，可采用 25mil 的格點進(jìn)行布局。 （ 3） 電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在 1MM以上。 （ 2） 以每個功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進(jìn)行布局。 PCB 設(shè)計步驟 1． 布局設(shè)計 在 PCB中，特殊的元器件是指高頻部分的關(guān)鍵元器件、電路中的核心元器件、易受干擾的元器件、帶高壓的元器件、發(fā)熱量大的元器件，以及一些異性元器件，這些特殊元器件的位置需要仔細(xì)分析，做帶布局合乎電路功能的 要求及生產(chǎn)的需求。在確定 PCB的尺寸后， 再 確定特殊元件的擺 放位置。 （ 2） 一些元器件或?qū)Ь€有可能有較高的電位差，應(yīng)加大他們的距離，以免放電引起意外短路。熱敏元器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件。而是要兼顧整體的美觀，兩者都比較完美的扳子，才能成為成功的產(chǎn)品。 3． 布局檢查 （ 1） 電路板尺寸和圖紙要求加工尺寸是否相符合。 （ 4） 常用到的元器件是否方便使用。飛行器外形設(shè)計比較復(fù)雜，直接用 Altium Designer 09 軟件 無法達(dá)到 效果 ，要求飛行器外形 的四個電機(jī) 位置必須是關(guān) 于中心對稱 ，以免不對稱導(dǎo)致平衡 更加的 難 以 控制， 再考慮到這些因素之后， 設(shè)計采用 CAD專業(yè) 繪圖軟件繪制飛行器外 形 ，最終把繪制好的外框?qū)氲?Altium Designer 09 軟件里面 PCB 設(shè)計的 keepoutplayer層作為外形切割， 如圖 31 315分別為遙控器和飛行器的 PCB圖。 PCB 外形 設(shè)計 經(jīng)過兩周的時間準(zhǔn)備硬件電路 模塊選擇 以及 PCB的設(shè)計，按照 最初的構(gòu)思 ，根據(jù)硬件設(shè)計框圖，最終 設(shè)計好遙控器和飛行器的 PCB電路版，本次設(shè)計將 采用制作 出 的電路版 作為 外 型尺寸不做外包裝。 （ 3） 各個層面有無沖突。 （ 2） 放置特殊元器件，如大 的元器件、重的元器件、發(fā)熱元器件、變壓器、IC 等。元器件的布局到均衡，疏密有度，不能頭重腳輕。 （ 3） 重量超過 15G的 元器件 ，可用支架加以固定，然后焊接。特殊元器件的位置在布局時一般要遵守以下原則： （ 1） 盡可能縮短高頻元器件之間的連接，設(shè)法減少他們的分布參數(shù)及和相互間的電磁干擾。 在設(shè)計中如何放置特殊元器件時首先考慮 PCB 尺寸大小。 （ 3） 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。 電路板面尺大于 200MM 乘 150MM 時，應(yīng)考慮電路板所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。 1． PCB布局規(guī)則 （ 1） 在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片 IC 等放在底層。 PCB設(shè)計 硬件電路原理圖設(shè)計完畢之后，接下來就是 PCB的設(shè)計。 （ 2） CH340芯片支持 5V電源電壓或者 。 22C 2222C 2310 uFC 211 0 4C 20GND1T X D2RX D3V 34D +5D 6XI7XO8CT S 9D SR 10RI 11D CD 12D T R 13RT S 14R 2 3 215V C C16U 7CH 3 4 0 GGNDGNDGNDCH 3 4 0 _ D +RX DV C C _ 3 . 3 VCH 3 4 0 _ D T X D132X 212 MH z 圖 313 CH340G電路原理圖 CH340G硬件電路圖如圖 313所示。 ● 支持 IrDA規(guī)范 SIR紅外線通訊，支持波特率 2400bps 到 115200bps。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 ● 計算機(jī)端 Windows 操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改。100nA 結(jié)溫： 55℃ 150℃ 直流有刷電機(jī)驅(qū)動采用 此 MOS 管， 其特性曲線如圖 312 所示，由圖可知，它的開啟電壓為 1V， 當(dāng) Vgs=2V 時其最大的工作電流可以達(dá)到 4A， 完全能達(dá)到本次 設(shè)計要求； D2 反向二極管防止電機(jī)斷電之后繼續(xù)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電流擊穿 MOS管，起著保護(hù) MOS管的作用； R12為單片機(jī) I/O口的限流電阻； R14為下拉電阻，防止單片機(jī)上電之后 I/O口為高電平時電機(jī)轉(zhuǎn)動。本次所采用的電機(jī)是空心杯 820直流有刷電機(jī)，電機(jī)采用 ，驅(qū)動思路是這樣的，電機(jī)的一端接電源正級，負(fù)極端接 MOS 管， MOS 管通過飛行器 MCU 的 PWM 來控制它的開啟與關(guān)閉從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 在 MPU6050工作的時候，通過邏輯分析儀采集到 I2C通信時的時序圖，如圖39 所示。 除了發(fā)送器和接收器外 ， 器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時也可以被看作是主機(jī)或從機(jī) （ 見表 32）， 主