【正文】 MPU6050 工作時的時序圖。1%變動的振蕩器。 產(chǎn)品傳輸可透過最高至 400kHz的 IC。500、 177。 因其封裝尺寸太小，并且是 QFN的封裝方式，焊接難度非常之大。通訊時，數(shù)據(jù)由 MISO 輸出， MOSI 輸入，數(shù)據(jù)在時鐘的上升或下降沿由 MISO 輸出，在緊接著的下降或上升沿由 MOSI 讀入，這樣經(jīng)過 8/16 次時鐘的改變，完成 8/16 位數(shù)據(jù)的傳輸。 NXP LPC1549引腳還有一種開關(guān)矩陣功能，為了 使 硬件電路設(shè)計 方便 ， 特有的功能。 NXP LPC1549基于 32位 ARM CortexM3 內(nèi)核，主頻高達(dá) 72MHz；具有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線的哈佛架構(gòu)，并擁有供外設(shè)使用的第三獨(dú)立總線；內(nèi)置嵌套向量中斷控制器 (NVIC)和存儲器保護(hù)單元 (MPU)；配備 256kB flash、 32kB ROM、 4kB EEPROM和 36kB SRAM；支持 FS USB、 CAN、 RTC、 SPI、 USART、 I2C等外設(shè)。 電源電路設(shè)計 電源是任何電子系統(tǒng)設(shè)計的核心，并且需要的是穩(wěn)定的電源，電源的是否穩(wěn)定影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此，電源部分也是重點(diǎn)設(shè)計的部分。遙控器硬件電路總圖如圖 31 所示。 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案 本次設(shè)計軟件部分包括遙控器程序設(shè)計和飛行器程序設(shè)計。本次電源設(shè)計模塊選用 CAT6219作為 轉(zhuǎn) 穩(wěn)壓芯片； CAT6219 的低壓差的優(yōu)點(diǎn)完全符合設(shè)計要求，遙控還使用了 ； ADC電位器做參考電壓使用。飛行器軟件設(shè)計主要是 MCU 通過硬件 I2C采用 400KHz的速率讀取 MPU6050的數(shù)據(jù)，并定時利用慣性測量單元（ IMU）姿態(tài)獲取技術(shù)，然后通過 PID電機(jī) 自動 控制算法，把 PID輸出量跟無線接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終通過輸出 PWM 來控制高速空心杯 直流有刷電機(jī)來實(shí)現(xiàn)各種飛行狀態(tài)。在設(shè)計過程中，兩大部分均采用以 ARM CortexM3 為內(nèi)核的 NXP LPC1549作為中央處理器，飛行器端利用 3軸陀螺儀、 3軸加速度計融合一體的 MPU6050慣性測量單元作為姿態(tài)傳感器，最終實(shí)現(xiàn)懸停、自轉(zhuǎn)、前后左右移動等操作功能 。 Phantom尺寸比 大的多，抗風(fēng)性更好，還具有內(nèi)置 GPS導(dǎo)航功能，可以在戶外很大的范圍內(nèi)飛行。自此之后，四旋翼飛行器受到的關(guān)注度迅速提升，成為了新的商業(yè)焦點(diǎn)。 四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最簡單最流行的一種。很長一段時間里，只有美國一些研發(fā)性的項目做出了多旋翼飛行器的樣機(jī)。在民用與工業(yè)領(lǐng)域，四軸飛行器也具有廣泛的應(yīng)用前景。 本設(shè)計主要包括遙控器和飛行器兩大部分， 其 中央處理 器 CPU 均采用 基于32位 ARM CorexM3 內(nèi)核的 NXP LPC1549，時鐘頻率為 72MHz；飛行器與遙控器之間的無線通信采用 通信頻段的 NRF24L01 模塊， NRF24L01 模塊與MCU 之間通過 SPI 協(xié)議以 1MHz的通信速率通信；飛行器端搭載有 3 軸加速度計與三軸陀螺儀融合一體的 MPU6050 慣性測量單元作為姿態(tài)歐拉角測量單元，MPU6050與飛行器 MCU之間通過 I2C協(xié)議以 400Hz的頻率進(jìn)行通信；飛行器端MCU通過 接收無線數(shù)據(jù)以及 采集 MPU6050數(shù)據(jù)通過四元數(shù)互補(bǔ)濾波計算 出的歐拉角，再 進(jìn)行電機(jī) PID自動控制 ， 最終以 20KHz的 PWM通過 MOS管 來驅(qū)動空心杯 820直流有刷電機(jī)，得以實(shí)現(xiàn)遙控四軸飛行器的設(shè)計。能夠執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務(wù)，可應(yīng)對現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式。 Aircraft endMCU by receiving wireless data MPU6050 data collected by Quaternion plementary filters calculate the Euler angles. PID motor control, ultimately 20KHz PWM drive through the MOS tube hollow glass 820 DC brush motor, remote control design of four axis aircraft. Keywords Quadrocopter； PID Auto control； MPU6050； PWM吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 論文研究背景及意義 圖 11 典型四軸飛行器 四軸飛行器是一種具有 4 個對稱旋翼的直升機(jī)（如圖 11），具有垂直起降、結(jié)構(gòu)簡單、操縱方便及機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，在飛行器上掛載攝像頭等模塊能夠?qū)崿F(xiàn)許多實(shí)用功能。那時欠缺的技術(shù)主要是慣性測量和控制器的缺陷，那時候的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般是十幾公斤的大鐵疙瘩。 因此，直到 2020年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)自動控制器才被制作出來。在玩具這個尺寸上，多旋翼飛行器的優(yōu)勢就顯示出來了，同尺寸的固定翼基本飛不起來，而同尺寸的直升機(jī)因為機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根本沒法低成本地制作出穩(wěn)定的產(chǎn)品。隨著 DJI Phantom在 2020年 1月的推出，四旋翼飛行器市場的 形勢發(fā)生了巨大的變化。 ”你已經(jīng)看到人們的創(chuàng)意如何在一兩年之內(nèi)被四旋翼點(diǎn)燃起來，更多的飛行器被制造出來，更多的想法也會被創(chuàng)造出來，這樣更大的市場也 會形成。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。 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。 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。 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。 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。 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。4g177。 5%。 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)。 其電路原理圖如圖 311 所示。 ● 支持常用的 MODEM聯(lián)絡(luò)信號 RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。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。 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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行布局。 （ 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。在確定 PCB的尺寸后， 再 確定特殊元件的擺 放位置。熱敏元器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件。 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。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。 （ 3） 各個層面有無沖突。元器件的布局到均衡，疏密有度，不能頭重腳輕。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。 （ 3） 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。 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。 （ 2） CH340芯片支持 5V電源電壓或者 。 ● 支持 IrDA規(guī)范 SIR紅外線通訊，支持波特率 2400bps 到 115200bps。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。 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。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有 177。16g。250、 177。 圖 36 SPI通信協(xié)議時序圖 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 慣性測量單元電路設(shè)計 飛行器硬件電路設(shè)計中，最重要的地方 就要屬于慣性測量單元 MPU6050的硬件電路設(shè)計。 SPI 接口由 MOSI（串行數(shù)據(jù)輸入）， MISO（串行 數(shù)據(jù)輸出）， SCK（串行移位時鐘）， CS（從使能信號）四種信號構(gòu)成， CS 決定了唯一的與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如沒有 CS 信號，則只能存在一個從設(shè)備，主設(shè)備通過產(chǎn)生移位時鐘來發(fā)起通訊。 PIO0_2 PIO0_23兩個引腳分別的硬件 I2C的時鐘 SCL引腳和數(shù)據(jù)線 SDA引腳。 主控單元電路設(shè)計 MCU 是系統(tǒng)的核心，從成本和性能以及掌握 32 位 ARM 芯片的熟練情況等各方面綜合考慮，本設(shè)計遙控器和飛行器均采用 NXP LPC1549 作為主控芯片，NXP LPC1549是恩智浦公司