【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 端 。 微處理器： 51 單片機(jī)中有 1 個(gè) 8 位的 CPU，與通用的 CPU 基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增 加了面向控制的處理功能不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：片內(nèi)為 128B，片外最多可擴(kuò)張到 64KB。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。片內(nèi)的 128B 的 RAM，以高速 RAM 的形式集成在單片機(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)的運(yùn)行的速度，而且這種結(jié)構(gòu)的 RAM 還可以降低功耗。 程序存儲(chǔ)器：用來(lái)存儲(chǔ)程序， 8031 無(wú)此部件； 8051 為 4KBROM； 8751 則為東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 4KBEPROM。如果片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外只讀存儲(chǔ)器，片外最多可擴(kuò)展至 64KB。 中斷系統(tǒng)：具有 5 個(gè)中斷源， 2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器：片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，具有 4 種工作方式。在單片機(jī)的應(yīng)用中，往往需要精確的定時(shí)，或?qū)ν獠渴录M(jìn)行計(jì)數(shù)，因而需要在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器部件。 串行口： 1 個(gè)全雙工的串行口，具有 4 種工作方式?？捎脕?lái)進(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行 I/O 口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 STC89C51 的基本操作 如圖 22 所示， 在 C2 和 C3 之間接一只石英振蕩晶體構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，電路中的電容 C2 和 C3 典型值通常選擇 為 33pF。電容的大小會(huì)影響振蕩頻率器的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩頻率的范圍通常是 12MHZ之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。晶振和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠的近些，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器的穩(wěn)定性、可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性好的電容。 STC89C51 復(fù)位引腳 RST/Vpd 通過(guò)片內(nèi)一個(gè)施密特觸發(fā)器 （ 抑制噪聲作用 ）與片內(nèi)復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器的輸出在每一個(gè)機(jī)器周期由復(fù)位電路采樣一次。當(dāng)振蕩電路工 作，并且在 RST 引腳上加一個(gè)至少保持 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就能使 STC89C51 完成一次復(fù)位。 復(fù)位不影響 RAM 的內(nèi)容。復(fù)位后， PC 指向 0000H 單元，使單片機(jī)從起始地址 0000H 單元開(kāi)始重新執(zhí)行程序。所以，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，可按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。 MCS51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST通過(guò)一個(gè)施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每一個(gè)機(jī)器周期的 S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需的信號(hào)。單片機(jī)通常采用上電自 動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電源接通時(shí)只要 Vcc的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位又分為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位兩種方式。其中電平復(fù)位是通過(guò) RST端經(jīng)電阻和電源 Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的；當(dāng)時(shí)鐘頻率選用 6MHZ時(shí)， C1取 22uF， Rs取 ， Rk1歐姆。脈沖復(fù)位則是利用 RC微分電路產(chǎn)生的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路參數(shù)的選擇應(yīng)能保證復(fù)位高電平持續(xù)時(shí)間大于 2個(gè)機(jī)器周期。關(guān)于復(fù)位還有一個(gè)就是 “ 看門狗 ” 技術(shù)，它就是使用一個(gè)計(jì)數(shù)器不斷的進(jìn)行 計(jì)數(shù)，監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行。若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了死循環(huán)，這是計(jì)數(shù)器溢出，然后強(qiáng)迫系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，在復(fù)位如東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 后 0000H處安排一段出錯(cuò)處理程序，使系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入正軌。在單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有可能發(fā)生電源掉電的意外情況，一些重要的數(shù)據(jù)可能丟失。這時(shí)要求系統(tǒng)應(yīng)首先檢測(cè)到電源的變化，然后通過(guò)切換電路把備用電池接入系統(tǒng)，以保護(hù) RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。目前看門狗電路已經(jīng)集成到一些處理器監(jiān)控芯片中，集成化程度較高，功能齊全，具有廣闊的應(yīng)用前景。在單片機(jī)系統(tǒng)中使用微處理器監(jiān)控芯片，可以大大提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 的抗干擾能力和可靠性。 圖 22 STC89C51基本操作電路 本章 小結(jié) 本章通過(guò)對(duì)單片機(jī)的簡(jiǎn)介 ，使我們對(duì) 其 有了更深的認(rèn)識(shí)， 本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)STC89C51 為核心的控制系統(tǒng)，本節(jié)著重對(duì) 微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、串行口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 和基本操作等 做了較為詳細(xì)的介紹，為后續(xù)編輯程序、電路連接等工作奠定 了理論基礎(chǔ)。 Vcc RST/Vpb p EA/Vpp ALE/PROG PSEN XTAL2 XTAL1 Vss 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 1 2 3 4 5 6 7 8 64 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Vcc Vcc GND + C SWPB S3 Rs R1 10K GND GND C2 33PF C3 33PF Y1 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 3章 遙控直升飛機(jī) 組件 與 安裝 直升機(jī)的基本理論 旋翼頭是直升機(jī)中最神奇，也是最關(guān)鍵的部件。直升機(jī)的絕大多數(shù)性質(zhì)，比如穩(wěn)定性、靈活性，包括所謂操縱感覺(jué)，都是由旋翼頭決定的。遙控直升機(jī)的旋翼頭采用貝爾 希拉操縱方式，也就是一對(duì)主旋翼，產(chǎn)生升力，同時(shí)靠一對(duì)小翼控制升力的方向，從而達(dá)到控制直升機(jī)的目的。 陀螺效應(yīng) 所謂陀螺效應(yīng)，就是旋轉(zhuǎn)著的物體具有像陀螺一樣的效應(yīng)。陀螺有兩個(gè)特點(diǎn)：進(jìn)動(dòng)性和定軸性。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時(shí)，它的軸的方向是不會(huì)隨著外力的方向 發(fā)生改變的，而是軸圍繞著 一個(gè)定點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。 陀螺在地上旋轉(zhuǎn)時(shí)軸會(huì)不斷地扭動(dòng)，這就是進(jìn)動(dòng) (不考慮章動(dòng) )。圖 31 是陀螺效應(yīng)的示意圖： 圖 31 陀螺效應(yīng)示意圖 在上圖中，圓盤是陀螺。 L 是圓盤的角動(dòng)量，其大小是 RMv 或者 Iω。由于在力學(xué)中，有 M=dL/dt，所以 M 和 dL方 向相同。這直接導(dǎo)致了高速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺在受到 F 后，整個(gè)陀螺以 X 軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而不是以 Y 軸為轉(zhuǎn)軸。這就是神奇的陀螺效應(yīng)。這種效應(yīng)一直伴隨著直升機(jī)的飛行。例如：要使直升機(jī)仰俯，就必須要使直升機(jī)左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡?；谶@種原理我們下面就來(lái)解釋遙控直升機(jī)的所謂貝爾 希拉操縱方式。 dL R F X Y M L L 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 貝爾 希拉操縱方式的初步分析 在遙控直升機(jī)中，主旋翼就是一個(gè)大陀螺，它本身具有陀螺效應(yīng)。當(dāng)我們改變主旋翼傾角時(shí)，直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變。但同時(shí)，如果用舵機(jī)直接改變主旋翼的傾角來(lái)控制飛機(jī)，問(wèn)題是很多的。首先， 主旋翼傾角的改變需要較大的力矩。如果用十字盤直接控制的話，強(qiáng)大的、交變的力矩將會(huì)直接作用到舵機(jī)上。這樣舵機(jī)將會(huì)受到很大負(fù)荷，操縱精度會(huì)嚴(yán)重下降。第二，當(dāng)直升機(jī)受到輕微擾動(dòng)后，由于陀螺的進(jìn)動(dòng)性，直升機(jī)將不會(huì)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，而是繞著垂線方向進(jìn)動(dòng)。由于重力不通過(guò)旋翼頭中心，所以造成力矩的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致主旋翼發(fā)生進(jìn)動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題是嚴(yán)重的，會(huì)直接導(dǎo)致遙控直升機(jī)懸停及飛行時(shí)無(wú)法穩(wěn)定?；谝陨蠁?wèn)題，貝爾 希拉操縱方式產(chǎn)生了。 操縱過(guò)程是這樣的： （ 1）初始狀態(tài)： 圖 32 初始平衡狀態(tài) 希拉小翼由于空氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。此時(shí)兩片主旋翼升力相等，飛行狀態(tài)不發(fā)生變化。 （ 2）操縱時(shí)： 主旋翼平面 希臘小翼平面 十字盤 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 33 0度、 180度狀態(tài) 圖 34 90度、 270度狀態(tài) 上圖為同一個(gè)視角，主旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)到不同角度時(shí)的狀態(tài)。在圖 33 中，操縱者將十字盤傾斜。希拉小翼就與空氣呈 10176。傾角。由于空氣的作用，希拉小翼在圖 33位置受力。由于陀螺效應(yīng)，希拉小翼不會(huì)在圖 33 位置立即上抬 ，而是在轉(zhuǎn)過(guò) 90176。后在上圖 34 位置上抬。 于是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面與主旋翼平面呈 10176。夾角并穩(wěn)定于此。 在圖 34 中，我們清晰地看見(jiàn)，由于希拉小翼通過(guò)連桿控制著主旋翼的傾角，所以希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面的改變導(dǎo)致了主旋翼與空氣產(chǎn)生夾角。從而使主旋翼在圖34 位置受力。由于陀螺效應(yīng)，主旋翼不會(huì)在圖 34 位置立即上抬，而是在轉(zhuǎn)過(guò) 90176。后在圖 33 位置上抬。從而使得主旋翼平面趨于平行于希拉小翼。 至此，遙控直升機(jī)主旋翼平面的傾轉(zhuǎn)過(guò)程已經(jīng)分析完畢。我們看到，遙控直升機(jī)的傾轉(zhuǎn)總是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面先傾轉(zhuǎn)，主旋翼平面跟上趨于平行的 過(guò)程。有主旋翼平面 希臘小翼平面 十字盤 80 100 主旋翼平面 希臘小翼平面 十字盤 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 意思的是，在這一過(guò)程中主旋翼操縱的負(fù)荷被希拉小翼完全承擔(dān)。舵機(jī)只需承擔(dān)操縱希拉小翼的負(fù)荷。這就有效地化解了一般操縱方式舵機(jī)負(fù)荷過(guò)重的問(wèn)題。 下面再來(lái)初步分析希拉小翼對(duì)遙控直升飛機(jī)穩(wěn)定性帶來(lái)的好處。為此，我們來(lái)看貝爾 希拉操縱系統(tǒng)的干擾 穩(wěn)定過(guò)程： （ 1）初始狀態(tài) 圖 35 初始平衡狀態(tài) 希拉小翼由于空氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。此時(shí)兩片主旋翼升力相等，飛行狀態(tài)不發(fā)生變化 （ 2）外界氣流對(duì)飛機(jī)進(jìn)行干擾。 當(dāng)遇到氣流時(shí)，由于主旋翼的旋轉(zhuǎn) ，會(huì)導(dǎo)致左、右主旋翼相對(duì)于空氣的速度不同，從而產(chǎn)生力矩，使飛機(jī)偏離平衡位置。如圖 36 所示： 圖 36 氣流干擾下的主旋翼失衡狀態(tài) 主旋翼平面 水平方向 十字盤 機(jī)身方向 風(fēng)向 β 100 垂直方向 主旋翼平面 希臘小翼平面 十字盤 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 在上圖中，飛機(jī)機(jī)身及主旋翼平面由于干擾而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用對(duì)稱翼型，不會(huì)受到外界干擾。由于陀螺效應(yīng)的定軸性，希拉小翼平面保持不變。所以此時(shí)主旋翼平面由于與希拉小翼平面有夾角而產(chǎn)生恢復(fù)力矩，抵抗外界干擾。這就是貝爾 希拉控制方式的自穩(wěn)定過(guò)程。也正是這個(gè)過(guò)程，使得遙控直升飛機(jī)避免了被干擾后就陷于進(jìn)動(dòng)的問(wèn)題。同時(shí) ，當(dāng)直升飛機(jī)高速前進(jìn)時(shí)，由于左、右主旋翼相對(duì)空氣的速度不同，會(huì)導(dǎo)致力矩的產(chǎn)生，使飛機(jī)抬頭的現(xiàn)象也被這種貝爾 希拉控制方式有效抑制，從而有效地提高了遙控直升飛機(jī)的可操縱性。值得注意的是，貝爾 希拉自穩(wěn)定過(guò)程不能抑制過(guò)強(qiáng)的干擾。原因是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的同時(shí)，由于機(jī)身的傾斜，小翼與空氣平面會(huì)產(chǎn)生夾角，從而破壞小翼原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如圖 37 所示： 圖 37 希拉小翼平面與空氣平面之間的 β角 由于 β 角的存在，希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面會(huì)向主旋翼旋轉(zhuǎn)平面方 向旋轉(zhuǎn)，最后趨于平行。所以貝爾 希拉的自穩(wěn)定過(guò)程是有限的。還需要其他手段（比如使希拉小翼不太靈敏）來(lái)增加穩(wěn)定性。 直升 飛機(jī)各組件 名稱 與作用 模型飛機(jī)一般與載人的飛機(jī)一樣，主要由機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、起落架和發(fā)動(dòng)機(jī) 等幾 部分組成 。 （ 1） 機(jī)翼 ： 是模型飛機(jī)在飛行時(shí)產(chǎn)生升力的裝置，并能保持模型飛機(jī)飛行時(shí)的橫側(cè)安定。 （ 2） 尾翼 ： 包括水平尾翼和垂直尾翼兩部分。水平尾翼可保持模型飛機(jī)飛行時(shí)的俯仰安定，垂直尾翼保持模型飛機(jī)飛行時(shí)的方向安定。水平尾翼上的升降舵能控制模型飛機(jī)的升降， 垂直尾翼上的方向舵可控制模型飛機(jī)的飛 行方向。 希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面 十字盤 機(jī) 身方向 風(fēng)向 β 垂直方向 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 （ 3） 機(jī)身 ： 將模型的各部分聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體的主干部分叫機(jī)身。同時(shí)機(jī)身內(nèi)可以裝載必要的控制機(jī)件，設(shè)備和燃料等。 （ 4） 起落架 ： 供模型飛機(jī)起飛、著陸和停放的裝置。前部一個(gè)起落架 ，后面兩面三個(gè)起落架叫前三點(diǎn)式；前部?jī)擅嫒齻€(gè)起落架，后面一個(gè)起落架叫后三點(diǎn)式。 （ 5） 發(fā)動(dòng)機(jī)固定座：安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的固定基座，可分成與機(jī)架一體及分離型兩種。 （ 6） 尾管：支承尾部傳動(dòng)的部分。 （ 7） 起落架：用于起降的裝置。 （ 8） 尾部支撐桿：用于防止尾管發(fā)生共振現(xiàn)象；是用來(lái)增加機(jī)架和尾管強(qiáng)度的部件。 （ 9） 尾