【導讀】基于單片機的四軸飛行器。答辯日期：2020年6月

　　

【正文】 界是革命性的尺寸。其他的特征包含內建的溫度感測器、包含在運作環(huán)境中僅有 177。1%變動的振蕩器。 吉林建筑大學學士學位論文 17 I2C總線支持任何 IC 生產(chǎn)過程 （ NMOS和 CMOS 雙極性 ） ， 兩條線 串行數(shù)據(jù)（ SDA ） 和串行時鐘 （ SCL） 線在連接到總線的器件間傳遞信息 。 每個器件都有一個唯一的地址識別 （ 無 論是微控制器 LCD驅動器存儲器或鍵盤接口）而且 都可以作為一個發(fā)送器或接收器 （ 由器件的功能決定 ）， 很明顯 ， LCD 驅動器只是一個接收器 ， 而存儲器則既 可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù) 。 除了發(fā)送器和接收器外 ， 器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時也可以被看作是主機或從機 （ 見表 32）， 主機是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r鐘信號 的器件。此時 任何被尋址的器件都被認為是從機。 表 32 I2C總線術語定義 術語 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 初始化發(fā)送，產(chǎn)生時鐘信號和終止發(fā)送的器件 從機 被主機尋址的器件 多主機 同時有多于一個主機嘗試控制總線，但不被破壞報文 仲裁 是一個在有多個主機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 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產(chǎn)生總線在起始條件后被 認為處于忙的狀態(tài)，在停止條件的某段時間后，總線被認為再次處于空閑狀態(tài)。如果產(chǎn)生重復起始 S 條件而不產(chǎn)生停止條件，總線會一直處于忙的狀態(tài)此時的起始條件 S 和重復起始 S 條件在功能上是一樣的，符號 S 將作為一個通用的術語既表示起始條件又表示重復起始條件，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，那么用它們檢測起始和停止條件十分簡便，但是沒有這種接口的微控制器在每個時吉林建筑大學學士學位論文 18 鐘周期至少要采樣 SDA 線兩次來判別有沒有發(fā)生電平切換。 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。 圖 39 MPU6050工作時 I2C協(xié)議時序圖 圖 310 I2C協(xié)議時序圖 如圖 310 所示 MPU6050 工作時的時序圖。 首先主機也就是飛控端 MCU 是時鐘線保持高電平，數(shù)據(jù)線被拉低，產(chǎn)生一個起始信號，緊接著主機（ MCU）向從機（ MPU6050）發(fā)送寫設備地址信號，這時的設備地址就是 MPU6050 的器件地址 b11010000，最后 一 位是 0表示發(fā)送的是寫的地址；從機收到設備地址之后返回個 ACK，然后主機再向從機發(fā)送設備子地址，也就是寄存器地址，從機再返回ACK，接下來當時鐘線保持高電平數(shù)據(jù)線 被拉低時再次發(fā)送信號，這時發(fā)送的是讀取設備的地址 b11010001，最后位為 1是讀取；等到從機返回 ACK之后主機開始讀取到數(shù)據(jù)， MCU讀取到數(shù)據(jù)之后，單次通信完成，等待進入下一次通信。 電機驅動電路設計 飛行器硬件電路設計中，電機驅動部分也相當重要。本次所采用的電機是空心杯 820直流有刷電機，電機采用 ，驅動思路是這樣的，電機的一端接電源正級，負極端接 MOS 管， MOS 管通過飛行器 MCU 的 PWM 來控制它的開啟與關閉從而控制電機轉速。 四個電機驅動的 PWM分別于 MCU的 PIO0_0、吉林建筑大學學士學位論文 19 PIO0_ PIO0_ PIO0_3引腳連接。 其電路原理圖如圖 311 所示。 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 電機驅動原理圖 圖 312 SI2302特性曲線圖 對于 N溝道增強型 MOS管 SI2302，主要參數(shù)如下： 晶體管類型 ： N溝道 MOSFET 最大功耗 PD： 柵極門限電壓 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。100nA 結溫： 55℃ 150℃ 直流有刷電機驅動采用 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 Vgs=2V 時其最大的工作電流可以達到 4A， 完全能達到本次 設計要求； D2 反向二極管防止電機斷電之后繼續(xù)轉產(chǎn)生的電流擊穿 MOS管，起著保護 MOS管的作用； R12為單片機 I/O口的限流電阻； R14為下拉電阻，防止單片機上電之后 I/O口為高電平時電機轉動。 串口調試電路設計 在本次畢業(yè)設計中，串口調試電路只用在遙控器當中，遙控器直接通過 Micro USB 接口給遙控器供電，然后連接串口，就可以直接跟上位機連接，方便程序調試。本次設計選用的串口轉 USB芯片是 CH340G芯片， CH340G具有以下特點： ● 全速 USB設備接口，兼容 USB ，外圍元器件只需要晶體和電容。 ● 仿真標準串口，用于升級原串口外圍設備，或者通過 USB增加額外串口。 吉林建筑大學學士學位論文 20 ● 計算機端 Windows 操作系統(tǒng)下的串口應用程序完全兼容，無需修改。 ● 硬件全雙工串口，內置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率 50bps～ 2Mbps。 ● 支持常用的 MODEM聯(lián)絡信號 RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。 ● 通過外加電平轉換器件，提供 RS23 RS48 RS422等接口。 ● 支持 IrDA規(guī)范 SIR紅外線通訊，支持波特率 2400bps 到 115200bps。 ● 軟件兼容 CH341，可以直接使用 CH341的驅動程序。 ● 支持 5V電源電壓和 。 ● 提供 SSOP20和 SOP16無鉛封裝，兼容 RoHS。 22C 2222C 2310 uFC 211 0 4C 20GND1T X D2RX D3V 34D +5D 6XI7XO8CT S 9D SR 10RI 11D CD 12D T R 13RT S 14R 2 3 215V C C16U 7CH 3 4 0 GGNDGNDGNDCH 3 4 0 _ D +RX DV C C _ 3 . 3 VCH 3 4 0 _ D T X D132X 212 MH z 圖 313 CH340G電路原理圖 CH340G硬件電路圖如圖 313所示。設計電路連接中比較注意的 地方有以下兩點： （ 1） CH340 芯片正常工作時需要外部向 XI 引腳提供 12MHz 的時鐘信號。一般情況下，時鐘信號由 CH340內置的反相器通過晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生。外圍電路只需要在 XI和 XO引腳之間連接一個 12MHz的晶體，并且分別為 XI和 XO引腳對地連接振蕩電容。 （ 2） CH340芯片支持 5V電源電壓或者 。當使用 5V工作電壓時， CH340 芯片的 VCC 引腳輸入外部 5V 電源，并且 V3 引腳應該外接容量為4700pF或者 。當使用 ， CH340芯片的 V3引腳應該 與 VCC引腳相連接，同時輸入外部的 ，并且與 CH340芯片相連接的其它電路的工作電壓不能超過 。本次設計采用的是 ，所吉林建筑大學學士學位論文 21 以 V3 直接跟 VCC連接。 PCB設計 硬件電路原理圖設計完畢之后，接下來就是 PCB的設計。本次設計采用雙層電路板印制，遙控器和飛行器均不加外殼，直接 使用 PCB板作為支架外形， 焊接上元器件 直接 可以 使用 。 PCB 設計技巧規(guī)則 對于 IC、非定位接插件等大器件，可以選用 50~100mil 的格點精度進行布局，而對于電阻電容和電感等無源小器件，可采用 25mil 的格點進行布局。大格點的精度有利于器件的對齊和布局的美觀。 1． PCB布局規(guī)則 （ 1） 在通常情況下，所有的元件均應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） 在保證電氣性能的前提下，元件應放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊 ；元件排列要緊湊，元件在整個版面上應分布均勻、疏密一致。 （ 3） 電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應在 1MM以上。 （ 4） 離電路板邊緣一般不小于 ，長寬比為 3:2或 4:3。 電路板面尺大于 200MM 乘 150MM 時，應考慮電路板所能承受的機械強度。 2． 布局技巧 在 PCB的布局設計中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進行布局設計，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則： （ 1） 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。 （ 2） 以每個功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進行布局。元器件應均吉林建筑大學學士學位論文 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。 （ 3） 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。 PCB 設計步驟 1． 布局設計 在 PCB中，特殊的元器件是指高頻部分的關鍵元器件、電路中的核心元器件、易受干擾的元器件、帶高壓的元器件、發(fā)熱量大的元器件，以及一些異性元器件，這些特殊元器件的位置需要仔細分析，做帶布局合乎電路功能的 要求及生產(chǎn)的需求。不恰當?shù)姆胖盟麄兛赡墚a(chǎn)生電路兼容問題、信號完整性問題，從而導致 PCB設計的失敗。 在設計中如何放置特殊元器件時首先考慮 PCB 尺寸大小?？煲踪徶赋?PCB尺寸過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗燥能力下降，成本也增加；過小時，散熱不好，且臨近線條容易受干擾。在確定 PCB的尺寸后， 再 確定特殊元件的擺 放位置。最后，根據(jù)功能單元，對電路的全部元器件進行布局。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，設法減少他們的分布參數(shù)及和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應盡量遠離。 （ 2） 一些元器件或導線有可能有較高的電位差，應加大他們的距離，以免放電引起意外短路。高電壓的元器件應盡量放在手觸及不到的地方。 （ 3） 重量超過 15G的 元器件 ，可用支架加以固定，然后焊接。那些又重又熱的元器件， 不應放到電路板上，應放到主機箱的底版上，且考慮散熱問題。熱敏元器件應遠離發(fā)熱元器件。 （ 4） 對與電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元器件的布局應考慮整塊扳子的結構要求，一些經(jīng)常用到的開關，在結構允許的情況下，應放置到手容易接觸到的地方。元器件的布局到均衡，疏密有度，不能頭重腳輕。 一個產(chǎn)品的成功，一是要注重內在質量。而是要兼顧整體的美觀，兩者都比較完美的扳子，才能成為成功的產(chǎn)品。 2． 放置順序 吉林建筑大學學士學位論文 23 （ 1） 放置與結構有緊密配合的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接器等。 （ 2） 放置特殊元器件，如大 的元器件、重的元器件、發(fā)熱元器件、變壓器、IC 等。 （ 3） 放置小的元器件。 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。 （ 2） 元器件的布局是否均衡、排列整齊、是否已經(jīng)全部布完。 （ 3） 各個層面有無沖突。如元器件、外框、需要私印的層面是否合理。 （ 4） 常用到的元器件是否方便使用。如開關、插件板插入設備、須經(jīng)常更換的元器件等。 PCB 外形 設計 經(jīng)過兩周的時間準備硬件電路 模塊選擇 以及 PCB的設計，按照 最初的構思 ，根據(jù)硬件設計框圖，最終 設計好遙控器和飛行器的 PCB電路版，本次設計將 采用制作 出 的電路版 作為 外 型尺寸不做外包裝。 在設計過程中，遙控器外設計靈感來自游戲手柄，這樣設計 的 目的是把遙控器 能直接握在手里，同時非常有手感 。飛行器外形設計比較復雜，直接用 Altium Designer 09 軟件 無法達到 效果 ，要求飛行器外形 的四個電機 位置必須是關 于中心對稱 ，以免不對稱導致平衡 更加的 難 以 控制， 再考慮到這些因素之后， 設計采用 CAD專業(yè) 繪圖軟件繪制飛行器外 形 ，最終把繪制好的外框導入到 Altium Designer 09 軟件里面 PCB 設計的 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。