【正文】 推出的低功耗、高集成、高性價(jià)比的 MCU芯片。 各部分電路設(shè)計(jì) 在 硬件電路設(shè)計(jì)中，對(duì) 以下 幾個(gè)主要的模塊如電源電路、 MCU最小系統(tǒng)電路、無(wú)線通信電路、 MPU6050電路 、 串口調(diào)試電路 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 等進(jìn)行更加詳細(xì)的介紹。 此時(shí)不需要 去 知道每個(gè)模塊 的內(nèi)部 連接，知道模塊有哪些可用的 接口就可以。 6. LED狀態(tài)指示 在硬件電路設(shè)計(jì)中， LED 首先必須要有電源指示燈，判斷系統(tǒng)是否上電；其次 需要有信號(hào)指示燈，指示遙控器和飛行器是否通信；最后就是狀態(tài)顯示 LED燈顯示飛行器狀 態(tài)等等。 2. 電源模塊 電源模塊起著為系統(tǒng)充能量的作用，任何電子系統(tǒng)沒(méi)有了電源，系統(tǒng)肯定會(huì)癱瘓，所以電源起著至關(guān)重要的作用。飛行器外形設(shè)計(jì)為十字架形狀，通過(guò) CAD 繪制外形導(dǎo)入到 Altium Designer軟件里 KeepOut Layer 層作為飛行器切割外框。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 本文主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)主要包括遙控器的設(shè)計(jì)和飛行器的設(shè)計(jì)，遙控器是飛行器的遠(yuǎn)程控制單元。 Phantom與 ，新手學(xué)習(xí)多半個(gè)小時(shí)就可以自由飛行。這一場(chǎng)充滿數(shù)學(xué)公式的演講居然大受歡迎，迄今已經(jīng)有三百多萬(wàn)次觀看，是 TED成百上千個(gè)演講中瀏覽量最高的演講之一。一時(shí)間研究者趨之若鶩，紛紛開(kāi)始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。同時(shí)，因?yàn)楣潭ㄒ砗椭鄙龣C(jī)已經(jīng)很夠?qū)嶋H使用了， 所以沒(méi)有人愿意多花功夫去研究多旋翼飛行器這個(gè)棘手的問(wèn)題。它們能夠在士兵的操控下進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)上近距離、小范圍、復(fù)雜地形環(huán)境的敵情偵 察，還可以用作通信聯(lián)系工具或者指示目標(biāo)機(jī)，甚至還能裝上彈藥直接執(zhí)行戰(zhàn)略攻擊任務(wù)。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場(chǎng)、高壓輸電線、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達(dá)空間進(jìn)行。在民用方面可用于災(zāi)后搜救、城市交通巡邏與目標(biāo)跟蹤等諸多方面。在實(shí)際應(yīng)用方面，以四軸飛行器為代表的小型無(wú)人機(jī)在執(zhí)行軍事任務(wù)時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。為了把這么重的東西放到一個(gè)多旋翼飛行器上，飛行器的載荷必須很大，可是人們發(fā)現(xiàn)，不管是用油機(jī)還是電機(jī)做多旋翼飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，都很難得到足夠的載荷。之前一直被各種技術(shù)瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統(tǒng)突然出現(xiàn)在人們視野中，大家驚奇地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的飛行器存在。 2020年 2月，賓夕法尼亞大學(xué)的 VijayKumar 教授在 TED上做出 了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講。 “Phantom”在英語(yǔ)里有幻影、精靈的意思，它優(yōu)雅的白色流線型外形也確實(shí)配得上精靈這個(gè)稱呼。我相信在未來(lái)的十年之內(nèi)，無(wú)人機(jī)行業(yè)會(huì)逐步壯大，我們今天產(chǎn)生的所有想法基本都會(huì)實(shí)現(xiàn)，更多的想法也會(huì)逐步被實(shí)現(xiàn)，利用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多，無(wú)人機(jī)將會(huì)變成我們生活不可或缺的部分。遙控器通過(guò)采集蘑菇頭搖桿電位器 ADC 電壓值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送給飛行器。本次設(shè)計(jì)選用的是 32位的基于 ARM CortexM3 為內(nèi)核的 NXP LPC154作為中央處理器， 設(shè)置 72M的時(shí)鐘頻率，完全能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)采用 SI2302 N溝道型 MOS管，其具有低開(kāi)啟電壓大電流并且價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單。 總體電路設(shè)計(jì) 遙控器總體電路設(shè)計(jì) 在 本次硬件 電路設(shè)計(jì)中， 原理圖 采用 把每個(gè)模塊分開(kāi)來(lái)繪制，然后 在所需接口上使用連接口連接，這 使得 整個(gè)遙控器電路圖 能夠 直觀的顯示 其中 包括了哪 些模塊單元 ，并且每個(gè)模塊之間 的 連接 也 非常清楚 。 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. 最小系統(tǒng) .SchDocVIN_5VAGNDGNDDesignator02. 電源電路 .SchDoc12J1電池接口GNDAGNDGAS_FlyYAW_FlyRIGHT_FlyAGNDLEFT_FlyGNDPOWERDesignator 電路 .SchDocGNDGNDAGNDLED1RUN470R1VCC_5VLED[0..4] Designator 指示燈電路 .SchDocAGNDGNDRIGHT_RotateTUN[0..3]LEFT_RotateGNDDesignator05. 按鍵電路 .SchDocGNDSW_CLKSW_DIOSYS_RES10kR5GNDGNDGNDRXDTXDCH340_D+GNDCH340_DDesignator03. 串口下載電路 .SchDocGNDGND1VCC2CE3CSN4SCK5MOSI6MISO7IRQ8NRF24L01U2NRF24L0110kR210kR3D1Diode 1N41481kR4GND12AX1205F4, 有源BZ1LED[0..4]TUN[0..3]VCC1D2D+3GND5ID4U1USB_MICRO12345678P1LCD 接口S1SWDPDT12345P2JLINK 接口C1104Q1PNP 圖 31 遙控器硬件電路總圖 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 飛行器總體電路設(shè)計(jì) BA T +BA T DP 3 V 3AP 3 V 3D G N DA G N D電源 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最小系統(tǒng) 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 ]電機(jī)驅(qū)動(dòng) 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傳感器 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 燈 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電池接口12345J 7J L IN K 下載12J 6串口接口SY S _ RSTRSTX T A L _ INX T A L _ OUTDP 3 V 3D G N D復(fù)位與時(shí)鐘 02 . RST _ CL K _ CA T 8 1 1 . Sc h D o cSY S _ RSTDP 3 V 3D G N D 圖 32飛行器硬件電路總圖 飛行器硬件電路圖如圖 32 所示，由圖可知，飛行器硬件電路主要包括電源電路、 MCU最小系統(tǒng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 MPU6050外設(shè)電路以及 LED指示燈電路。 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 圖 33 電源電路原理圖 在遙控器電源設(shè)計(jì)中，輸入電壓可以是 5V電電源，用到了兩個(gè)穩(wěn)吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 壓芯片，一個(gè)是 CAT6219， MCU和外設(shè)供電；另外用到 ASM1117， ADC搖桿電位器提供電源，作為參考電壓，采用超低電壓的原因是保證采集到的 ADC電壓值不受電池電量的影響而使得數(shù) 據(jù)不準(zhǔn)確。 其中 30個(gè) I/O口 引腳中， PIO0_21復(fù)用外接復(fù)位芯片引腳； PIO0_1 PIO0_20兩個(gè)引腳 復(fù)用 JLINK仿真調(diào)試 SWD模式下載的 SWCLK和 SWDIO引腳； PIO0_0~ PIO0_3為 SCT定時(shí)器產(chǎn)生 PWM引腳，同時(shí)也復(fù)用 ADC0通道引腳。 吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 表 31 NRF24L01引腳 與 MCU引腳連接對(duì)照 MCU引腳 NRF24L01引腳 功能 PIO0_12 CE 使能發(fā)送或接收 PIO0_13 CSN SPI片選信號(hào) PIO0_14 SCK SPI時(shí)鐘信號(hào) PIO0_15 MOSI SPI數(shù)據(jù)輸入腳 PIO0_16 MISO SPI數(shù)據(jù)輸出腳 SPI（ Serial Peripheral Interface）是一種串行同步通訊協(xié)議，由一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備組成，主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)與從設(shè)備的同步通訊，從而完成數(shù)據(jù)的交換。 SPI通信協(xié)議時(shí)序圖如圖 36所示。 MPU6050的角速度全格感測(cè)范圍為 177。8g與 177。 MPU6000 的包裝尺寸 (QFN)，在業(yè)界是革命性的尺寸。如果產(chǎn)生重復(fù)起始 S 條件而不產(chǎn)生停止條件，總線會(huì)一直處于忙的狀態(tài)此時(shí)的起始條件 S 和重復(fù)起始 S 條件在功能上是一樣的，符號(hào) S 將作為一個(gè)通用的術(shù)語(yǔ)既表示起始條件又表示重復(fù)起始條件，除非有特別聲明的 S 如果連接到總線的器件合并了必要的接口硬件，那么用它們檢測(cè)起始和停止條件十分簡(jiǎn)便，但是沒(méi)有這種接口的微控制器在每個(gè)時(shí)吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 鐘周期至少要采樣 SDA 線兩次來(lái)判別有沒(méi)有發(fā)生電平切換。 C 161 0 4121 N 4 1 4 8D 2Q 1MO SFE TR 122 2 0R 144 . 7 KPW M 0BA T +MG N DMM 1Mo to r 如 311 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 圖 312 SI2302特性曲線圖 對(duì)于 N溝道增強(qiáng)型 MOS管 SI2302，主要參數(shù)如下： 晶體管類(lèi)型 ： N溝道 MOSFET 最大功耗 PD： 柵極門(mén)限電壓 VGS： （典型值） 漏源電壓 VDS： 20V（極限值） 漏極電流 ID： 通態(tài)電阻 RDS(on)： （典型值 ） 柵極漏電流 IGSS： 177。 ● 通過(guò)外加電平轉(zhuǎn)換器件，提供 RS23 RS48 RS422等接口。外圍電路只需要在 XI和 XO引腳之間連接一個(gè) 12MHz的晶體，并且分別為 XI和 XO引腳對(duì)地連接振蕩電容。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對(duì)齊和布局的美觀。元器件應(yīng)均吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 勻、整體、緊湊的排列在 PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。最后，根據(jù)功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。 （ 4） 對(duì)與電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調(diào)元器件的布局應(yīng)考慮整塊扳子的結(jié)構(gòu)要求，一些經(jīng)常用到的開(kāi)關(guān)，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，應(yīng)放置到手容易接觸到的地方。 （ 2） 元器件的布局是否均衡、排列整齊、是否已經(jīng)全部布完。