【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 F 24 L 01無(wú)線模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)慣性測(cè)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(wú)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(shí)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。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。 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。本次電源設(shè)計(jì)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(jì)要求，遙控還使用了 ； ADC電位器做參考電壓使用。 3. 通信模塊 通信模塊在 整個(gè)系統(tǒng)中起著信號(hào)交流的作用，遙控器通過(guò) 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(dòng)作。本吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 次設(shè)計(jì)采用 NRF24L01 無(wú)線通信模塊，選著此模塊的原因是因其通信協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 4. 慣性測(cè)量單元 慣性測(cè)量單元主要是在飛行器飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)姿態(tài)的傳感器，對(duì)于飛行 器想要平穩(wěn)飛行來(lái)說(shuō)具有極其重要的作用 。 本次設(shè)計(jì)之所以選用 MPU6050作為 姿態(tài)傳感器作為慣性測(cè)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 5. 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要是 MCU通過(guò)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(dòng)。本設(shè)計(jì)采用 SI2302 N溝道型 MOS管，其具有低開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。 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。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)軟件部分包括遙控器程序設(shè)計(jì)和飛行器程序設(shè)計(jì)。遙控器程序設(shè)計(jì)主要包括有無(wú)線 NRF24L01發(fā)送、 ADC電壓采集之后的處理、顯示器驅(qū)動(dòng)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(dòng)等。 飛行器程序設(shè)計(jì)部分主要包含無(wú)線 NRF24L01接收、讀取 MPU6050的數(shù)據(jù)并通過(guò)四元數(shù)濾波計(jì)算（ IMU）以及 PID 自動(dòng)控制、電機(jī) PWM 產(chǎn)生以及控制、 LED狀態(tài)燈等 ，飛行器軟件涉及 SPI通信協(xié)議驅(qū)動(dòng)、 I2C通信協(xié)議驅(qū)動(dòng)等。吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 3 章 系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計(jì) Altium Designer Summer 09 簡(jiǎn)介 Altium Designer是目前國(guó)內(nèi)最流行的通用 EDA軟件， Altium Designer Summer 09是 Altium公司在 2020年發(fā)布的版本，它將電路原理圖設(shè)計(jì)、 PCB版圖設(shè)計(jì)、電路仿真、 PLD 設(shè)計(jì)以及 FPGA 設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)用工具組合起來(lái)構(gòu)成 EDA 工作平臺(tái)，是第一個(gè)將 EDA軟件設(shè)計(jì)成基于 Windows 的普及型產(chǎn)品。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(jiǎn)單，尤其是在仿真和 PFGA 電路設(shè)計(jì)方面有了重大的改進(jìn)，擺脫了 Protel 前期版本基于 PCB設(shè)計(jì)的產(chǎn)品定位，顯露出一個(gè)普及型全線 EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所有硬件設(shè)計(jì)部分包括原理圖和 PCB 部分都是使用 Altium Designer Summer 09 來(lái)完成的。 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 。 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。遙控器硬件電路總圖如圖 31 所示。 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(guò) Micro USB 電源線 供電 。 在 電源模塊中， 可 輸入 5V直流電源或 輸入 源 。此次設(shè)計(jì)中考慮到可能出現(xiàn)兩種電源同時(shí)接上的情況，所以采用電源開關(guān)來(lái)控制電源輸入類型。從該模塊還 能看 出 電源輸出的有 。 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。 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。 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。 電源電路設(shè)計(jì) 電源是任何電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的部分。在本次設(shè)計(jì)中，由于包括遙控器和飛行器兩大部分并且都需要單獨(dú)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(diǎn)介紹飛行器的電源電路設(shè)計(jì)。 飛行器電源設(shè)計(jì) 使用 ， 給系統(tǒng)供電，但是 系統(tǒng)需要兩種電源，一是 MCU和外設(shè)需要穩(wěn)定的 ，再者就是飛行器電機(jī) 的 供電 。 本次設(shè)計(jì)所選用的空心杯直流有刷電機(jī)在工作 的時(shí)候，對(duì)電壓的影響非常大，所以要在保證能給電機(jī)供電的情況下還能有 ， 因此 本 次 設(shè)計(jì)采用 CAT6219作為 ，采用 CAT6219穩(wěn)壓芯片 是 因?yàn)樗哂幸韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)： ? 很低的電壓差，能確保 ； ? 低噪聲低功耗設(shè)計(jì)； ? 電路極為簡(jiǎn)單； ? 精度高紋波?。? ? 低成本低噪聲。 電源電路設(shè)計(jì)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(yùn)行產(chǎn)生 的磁通量，保證電源的穩(wěn)定； C6 和 C9兩個(gè) 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 。 在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，還把電源分為模擬和數(shù)字兩部分，分別通過(guò)磁珠來(lái)進(jìn)行隔離，周圍的小電容同時(shí)也起著濾波的作用。 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