【正文】 DCH 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。 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。 電路板面尺大于 200MM 乘 150MM 時，應(yīng)考慮電路板所能承受的機械強度。 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） 重量超過 15G的 元器件 ，可用支架加以固定，然后焊接。 （ 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。 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。 （ 4） 常用到的元器件是否方便使用。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。 （ 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。 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。 （ 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。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 。 ● 支持 5V電源電壓和 。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。 首先主機也就是飛控端 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（ MCU）向從機（ 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；從機收到設(shè)備地址之后返回個 ACK，然后主機再向從機發(fā)送設(shè)備子地址，也就是寄存器地址，從機再返回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是讀取；等到從機返回 ACK之后主機開始讀取到數(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。 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 。 MPU6000 可在不同電壓下工作， VDD 供電電壓介為 177。1000與 177。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)。 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。 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。程序調(diào)試跟下載通過 JLINK仿真器 SWD模式來進(jìn)行。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。 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。 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。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。 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。更重要的是，當(dāng)時利用 GoPro運動相機拍攝極限運動已經(jīng)成為歐美國家的時尚，而 Phantom提供了掛載 GoPro的連接架，讓用 GoPro相機的人們有了從天空向下的拍攝視角。 在國內(nèi)，四軸飛行器發(fā)展于深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公 (DJInnovations，簡稱DJI)，早年 DJI專注在直升機自動控制器上。如上所述，最初的一段時間主要是學(xué)術(shù)研究人員研究四旋翼。 20世紀(jì) 90年代之后，隨著微機電系統(tǒng)（ MEMS）研究的成熟，幾克重的 MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被制作了出來，使得多旋翼飛行器的自動控制器可以制作了。通過攜帶特定的功能檢測模塊，四軸飛行器可以感知危險區(qū)域的有毒物質(zhì)濃度或核輻射強度等。 關(guān)鍵詞 四軸飛行器； PID自動控制； MPU6050； PWM II ABSTRACT Fouraxis aircraft equipped with VTOL (Vertical TakeOff and Landing, vertical take off and landing) aircraft with all the advantages, and UAV39。可應(yīng)用于軍事上的地面戰(zhàn)場偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報。 Aircraft end carrying a 3axis accelerometer and integrating threeaxis gyro MPU6050 inertial measurement unit as a gesture of Euler angle measurement unit,MPU6050 aircraft between the MCU municates through the I2C Protocol with400Hz frequency。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 國內(nèi)外的發(fā)展情況 早在二戰(zhàn)時，載人四軸的原型機已經(jīng)被設(shè)計出來，但因為控制技術(shù)還跟不上，飛行器因不穩(wěn)定而無法投入實際應(yīng)用。接著人們再花了若干年的時 間理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給它建模、設(shè)計控制算法、實現(xiàn)控制算法。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進(jìn)入人類社會。當(dāng)時 ，在 的引領(lǐng)下，全球范圍內(nèi)都有一股將四旋翼商業(yè)化的熱潮 ， DJI只是眾多小四旋翼公司中稍微出眾的一個。 “人類對飛行的夢想是與生俱來的。吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2 章 總體方案設(shè)計 總體設(shè)計原理 本次設(shè)計硬件部分主要包括遙控器和飛行器兩大部分，主控芯片均采用 32位基于 ARM Cortex3的 NXP LPC1549處理器，遙控器和飛行器之間通信采用 民用無線通信頻段的 NRF24L01模塊，模塊與 MCU之間通過硬件 SPI采用 1MHz的速率通信。遙控器端的主要硬件部分包括最小系統(tǒng)、無線 NRF2L01 模塊 、程序下載、 ADC 采集、液晶顯示器、蜂鳴器、 LED 指示燈以及串口調(diào)試，飛行器端硬件主要部分有最小系統(tǒng)、程序下載，無線 NRF2L01吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 模塊、電機驅(qū)動、慣性測量單元 MPU6050 以及 LED 驅(qū)動電路，其系統(tǒng)總體框圖如圖 21所示。 本次設(shè)計之所以選用 MPU6050作為 姿態(tài)傳感器作為慣性測量單元，是因其具有跟 MCU 之間進(jìn)行 I2C 數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率為 400KHz，通信協(xié)議簡單、價格低廉等優(yōu)點。與早期 Protel 99SE以及 Protel DXP2020軟件相比， Altium Designer Summer 09功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活操作也簡單，尤其是在仿真和 PFGA 電路設(shè)計方面有了重大的改進(jìn)，擺脫了 Protel 前期版本基于 PCB設(shè)計的產(chǎn)品定位，顯露出一個普及型全線 EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。從該模塊還 能看 出 電源輸出的有 。 電源電路設(shè)計如圖 33 所示，其中 330mH 電感 L1 在回路電路中起著消除系統(tǒng) 運行產(chǎn)生 的磁通量，保證電源的穩(wěn)定； C6 和 C9兩個 100uF的大電容分別放在穩(wěn)壓芯片的輸入和輸出兩端起著濾波的作用，能更加的穩(wěn)定 電源 。 MCU最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 34 所示。 無線 NRF24L01模塊與 MCU之間連 接口如表 31所示。如果 CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果 CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。 IN TI 2 C _ SCLI 2 C _ SD ACL K IN1AUX _ DA6AUX _ CL7V L O G IC8AD 09RE G O U T10FSY N C11IN T12VDD13GND18RE SV 119RE SV 221CPO U T20CL K O U T22SCL23SD A24U 5MP U 6 0 5 0DP 3 V 3DP 3 V 3D G N DD G N DC 231 0 4C 222 . 2 nFC 211 0 4R 2210 k ΩR 2110 k ΩR 2010 k ΩDP 3 V 3 圖 37慣性測量單元電路 圖 在圖 37中， 3個 10K上拉電阻 R R2 R22是為了增強驅(qū)動能力， MPU6050的七位設(shè)備地址是 b110100x，最后一位是通過 AD0管腳的電平來確定，本設(shè)計接的是地，所以設(shè)備地址是 b1101000。2g、177。5%，邏輯接口 VVDIO供電為 177。此時 任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機。 四個電機驅(qū)動的 PWM分別于 MCU的 PIO0_0、吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 PIO0_ PIO0_ PIO0_3引腳連接。 ● 硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率 50bps～ 2Mbps。設(shè)計電路連接中比較注意的 地方有以下兩點： （ 1） CH340 芯片正常工作時需要外部向 XI 引腳提供 12MHz 的時鐘信號。本次設(shè)計采用雙層電路板印制，遙控器和飛行器均不加外殼，直接 使用 PCB板作為支架外形， 焊接上元器件 直接 可以 使用 。 2． 布局技巧 在 PCB的布局設(shè)計中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則： （ 1） 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向?？煲踪徶赋?PCB尺寸過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗燥能力下降，成本也增加；過小時，散熱不好，且臨近線條容易受干擾。那些又重又熱的元器件， 不應(yīng)放到電路板上，應(yīng)放到主機箱的底版上，且考慮散熱問題。 （ 3） 放置小的元器件。 在設(shè)計過程中，遙控器外設(shè)計靈感來自游戲手柄，這樣設(shè)計 的 目的是把遙控器 能直接握在手里，同時非常有手感 。如元器件、外框、需要私印的層面是否合理。 一個產(chǎn)品的成功，一是要注重內(nèi)在質(zhì)量。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。一般電路應(yīng)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。 （ 2） 在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊 ；元件排列要緊湊，元件在整個版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。當(dāng)使用 5V工作電壓時， CH340 芯片的 VCC 引腳輸入外部 5V 電源，并且 V3 引腳應(yīng)該外接容量為4700pF或者 。 ● 軟件兼容 CH341，可以直接使用 CH341的驅(qū)動程序。 串口調(diào)試電路設(shè)計 在本次畢業(yè)設(shè)計中，串口調(diào)試電路只用在遙控器當(dāng)中，遙控器直接通過 Micro USB 接口給遙控器供電，然后連接串口，就可以直接跟上位機連接，方便程序調(diào)試。 圖 39 MPU6050工作時 I2C協(xié)議時序圖 圖 310 I2C協(xié)議時序圖 如圖 310 所示