【文章內(nèi)容簡介】 F 24 L 01無線模塊電機驅(qū)動電機慣性測量單元狀態(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。本次設(shè)計選用的是 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的時鐘頻率，完全能達到設(shè)計的要求。 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)沒有了電源，系統(tǒng)肯定會癱瘓，所以電源起著至關(guān)重要的作用。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。 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。本吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 次設(shè)計采用 NRF24L01 無線通信模塊，選著此模塊的原因是因其通信協(xié)議簡單、傳輸距離相對較遠、價格低廉等優(yōu)點。 4. 慣性測量單元 慣性測量單元主要是在飛行器飛行過程中實時檢測姿態(tài)的傳感器，對于飛行 器想要平穩(wěn)飛行來說具有極其重要的作用 。 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。 5. 電機驅(qū)動 電機驅(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)從而控制電機的轉(zhuǎn)動。本設(shè)計采用 SI2302 N溝道型 MOS管，其具有低開啟電壓大電流并且價格便宜等優(yōu)點，電路設(shè)計也很簡單。 6. LED狀態(tài)指示 在硬件電路設(shè)計中， 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。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。 飛行器程序設(shè)計部分主要包含無線 NRF24L01接收、讀取 MPU6050的數(shù)據(jù)并通過四元數(shù)濾波計算（ IMU）以及 PID 自動控制、電機 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、 I2C通信協(xié)議驅(qū)動等。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 Altium Designer Summer 09 簡介 Altium Designer是目前國內(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、 PCB版圖設(shè)計、電路仿真、 PLD 設(shè)計以及 FPGA 設(shè)計等多個實用工具組合起來構(gòu)成 EDA 工作平臺，是第一個將 EDA軟件設(shè)計成基于 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單，尤其是在仿真和 PFGA 電路設(shè)計方面有了重大的改進，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。 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。 總體電路設(shè)計 遙控器總體電路設(shè)計 在 本次硬件 電路設(shè)計中， 原理圖 采用 把每個模塊分開來繪制，然后 在所需接口上使用連接口連接，這 使得 整個遙控器電路圖 能夠 直觀的顯示 其中 包括了哪 些模塊單元 ，并且每個模塊之間 的 連接 也 非常清楚 。 此時不需要 去 知道每個模塊 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 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)計中考慮到可能出現(xiàn)兩種電源同時接上的情況，所以采用電源開關(guān)來控制電源輸入類型。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 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 ]電機驅(qū)動 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、電機驅(qū)動電路、 MPU6050外設(shè)電路以及 LED指示燈電路。 各部分電路設(shè)計 在 硬件電路設(shè)計中，對 以下 幾個主要的模塊如電源電路、 MCU最小系統(tǒng)電路、無線通信電路、 MPU6050電路 、 串口調(diào)試電路 、電機驅(qū)動電路 等進行更加詳細的介紹。 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，電源部分也是重點設(shè)計的部分。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。 飛行器電源設(shè)計 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 的 供電 。 本次設(shè)計所選用的空心杯直流有刷電機在工作 的時候，對電壓的影響非常大，所以要在保證能給電機供電的情況下還能有 ， 因此 本 次 設(shè)計采用 CAT6219作為 ，采用 CAT6219穩(wěn)壓芯片 是 因為它具有以下幾個優(yōu)點： ? 很低的電壓差，能確保 ； ? 低噪聲低功耗設(shè)計； ? 電路極為簡單； ? 精度高紋波??； ? 低成本低噪聲。 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 。 在本設(shè)計過程中，還把電源分為模擬和數(shù)字兩部分，分別通過磁珠來進行隔離，周圍的小電容同時也起著濾波的作用。 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)計中，輸入電壓可以是 5V電電源，用到了兩個穩(wěn)吉林建筑大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 壓芯片，一個是 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