基于單片機(jī)的四軸飛行器設(shè)計(jì)及仿真

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1、摘 要 四軸飛行器具備飛行器的所有優(yōu)點(diǎn)，又具備無(wú)人機(jī)的造價(jià)低、可重復(fù)性強(qiáng)以及事故代價(jià)低等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景?？蓱?yīng)用于軍事上的地面戰(zhàn)場(chǎng)偵查和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報(bào)。能執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務(wù)，可應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式。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。工業(yè)上可以用在安全巡撿，大型化工現(xiàn)場(chǎng)等人工不容易達(dá)到的空間作業(yè)。因此，四軸飛行器的研究意義重大。 本文主要討論四軸飛行器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、建模分析與控制器設(shè)計(jì)。首先從歷史的角度介紹小型四軸飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀，引入現(xiàn)代四軸飛行器的研究，以及運(yùn)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行的研究方法和取得的結(jié)果。其

2、次是給出本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的四軸飛行器樣機(jī)模型與飛行控制器電路設(shè)計(jì)。 文中著重從機(jī)械結(jié)構(gòu)與飛行控制器硬件電路設(shè)計(jì)方面論述四軸飛行器的設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的元器件選型，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)切實(shí)可用，能滿足應(yīng)用研究的四軸飛行器模型。之后分析四軸飛行器的飛行控制原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立四軸飛行器的動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)飛行控制器方案，并通過(guò)protues軟件踐行模擬仿真以討論其可行性。 關(guān)鍵詞：四軸飛行器；單片機(jī)；飛行控制器；無(wú)人機(jī) ABSTRACT The Keywords: Four aircraft; SCM; F

3、light controller; UAV 目 錄 1. 緒論………………………………………………………………………………………1 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………….1 1.2 本文研究目的及意義……………………………………………………………….2 1.3 本文的主要內(nèi)容…………………………………………………………………….3 2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………4 2.1 元器件的選擇……………………………………………………………………….4 2.1.1 四軸飛行器基本工作原

4、理…………………………………………………..4 2.1.2 旋翼和機(jī)架的確定…………………………………………………………..5 2.1.3 其他小部件的選擇…………………………………………………………..5 2.2 電機(jī)………………………………………………………………………………….6 2.3 總體結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………………….7 3. 硬件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………10 3.1 概述………………………………………………………………………………….11 3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)與選型…………………………………

5、………………………….11 3.2.1 飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)…………………………………………………………..11 3.2.2 單片機(jī)選型及介紹…………………………………………………………..12 3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路………………………………………………………………..14 3.2.4 無(wú)線通訊與遙控……………………………………………………………..17 3.2.5 電源電路設(shè)計(jì)………………………………………………………………..18 3.3 硬件部分整體電路圖……………………………………………………………….19 4. 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試分析………………………………………………………

6、……………20 4.1 PWM調(diào)速原理分析………………………………………………………………..20 4.2 調(diào)速部分設(shè)計(jì)及分析……………………………………………………………….22 4.3 紅外遙控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)………………………………………………………….26 4.3.1 紅外發(fā)射部分………………………………………………………………..26 4.3.2 紅外接收部分………………………………………………………………..28 4.3.3 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………..31 5. 調(diào)試分析………………………………………………………………………………

7、...33 5.1 Protues簡(jiǎn)介……………………………………………………………………..33 5.2調(diào)試結(jié)果分析…………………………………………………………………...37 結(jié)束語(yǔ)……………………………………………………………………………………….38 致 謝…………………………………………………………………………………….....39 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………….40 附錄A：外文原文………………………………………………………………………….41 附錄B：中文翻譯………………………………………………………………………….51

8、 附錄C：程序源代碼……………………………………………………………………….55 1 緒 論 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 四軸飛行器是無(wú)人飛行器的一種，也就是智能機(jī)器人，四軸指飛行器的動(dòng)力是由四個(gè)旋翼式的飛行引擎提供。人們對(duì)于四軸飛行器的研究從軍用到民用、商用領(lǐng)域都有涉及。近幾十年來(lái)，隨著現(xiàn)代控制理論與電子控制技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)，使用電機(jī)代替油動(dòng)力引擎進(jìn)行飛行器控制研究。四軸飛行器不需要專門(mén)的反扭矩槳，可以通過(guò)反扭矩作用使飛行器扭矩平衡。 四軸飛行器的飛行控制技術(shù)是無(wú)人機(jī)研究的重點(diǎn)之一。它

9、為為小型無(wú)人機(jī)的研究和設(shè)計(jì)創(chuàng)造了新的條件，提供了新的思路。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外針對(duì)四軸飛行器的研究都處于快速發(fā)展的階段。隨著納米科技與制造業(yè)的迅猛發(fā)展以及MEMS的蓬勃興起，四軸飛行器的發(fā)展必定會(huì)朝著越來(lái)越實(shí)用化的道路進(jìn)行?，F(xiàn)在看來(lái)，四軸飛行器的研究還存在著許多亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，甚至有些問(wèn)題很難在短時(shí)間內(nèi)找到合理的解決方法。因此，現(xiàn)階段能做的就是利用現(xiàn)階段已經(jīng)掌握的技術(shù)，盡最大可能解決現(xiàn)在面臨的問(wèn)題，只有這樣才能使微小型無(wú)人機(jī)方面的研究不斷前進(jìn)。四軸飛行器的研究領(lǐng)域十分廣闊，并且其研究范疇隨著研究的不斷深入還在繼續(xù)擴(kuò)大，而對(duì)其中的部分技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展一些探索性研究工作也是本課題的目的所在。 揭開(kāi)了近

10、代航空發(fā)展史的序幕的，是美國(guó)的萊特兄弟，他們是于1903年成功研制出了世界上第一架能真正載人飛行的動(dòng)力飛機(jī)。人類(lèi)對(duì)四軸飛行器的研究與探索也開(kāi)始于那個(gè)時(shí)代。但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，四軸飛行器的研究由于科技發(fā)展程度以及理論知識(shí)的制約，并未能取得很好的發(fā)展與足夠的重視?？v覽整個(gè)20世紀(jì)，也并沒(méi)有多少多軸飛行器被真正設(shè)計(jì)。早在上個(gè)世紀(jì)中葉，多旋翼飛行器就已經(jīng)受到了海外一些研究機(jī)構(gòu)的矚目。近些年來(lái)，國(guó)際上針對(duì)四軸飛行器已經(jīng)有很多的研究案例與研究成果，然而我國(guó)對(duì)四軸飛行器的研究成果還很少。很多國(guó)內(nèi)高校開(kāi)展了關(guān)于四軸飛行器方面的研究工作，研究成果主要有北京理工大學(xué)的智能機(jī)器人研究所、國(guó)防科技大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室和上

11、海交通大學(xué)的微納米科學(xué)技術(shù)研究所等在做這方面的相關(guān)工作。從四軸飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看我國(guó)在該領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距還很大，必須加大自身的研發(fā)力度，開(kāi)展自主研發(fā)工作。 1.2 本文研究目的及意義 四軸飛行器屬旋翼飛行器，具有操作簡(jiǎn)單、控制靈活，便于起降，可以懸停等優(yōu)點(diǎn)，它小巧的體積可以適應(yīng)于很多的用途。四軸飛行器在結(jié)構(gòu)上較單一直升機(jī)相比，結(jié)構(gòu)緊湊、能產(chǎn)生更大的升力，同時(shí)可以通過(guò)反扭矩作用使飛行器平衡，不需要專門(mén)的反扭矩旋翼，懸停性能更加良好，易于控制，對(duì)于操作者的要求不高等特點(diǎn)，這對(duì)于廣泛的應(yīng)用推廣具有重要的意義，在民用和軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，因此對(duì)于四軸飛行器的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義

12、。 隨著科技的發(fā)展，人們生活的節(jié)奏也越來(lái)越快，隨之人們對(duì)方便，快捷的要求也隨之不斷增高。遙控器的出現(xiàn)，在一定程度上滿足了人們這個(gè)要求。遙控器是由高產(chǎn)的發(fā)明家Robert Adler在五十年代發(fā)明的。而紅外遙控是20世紀(jì)70年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種遠(yuǎn)程控制技術(shù)，其原理是利用紅外線來(lái)傳遞控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的遠(yuǎn)距離控制，具體來(lái)講，就是有發(fā)射器發(fā)出紅外線指令信號(hào)，有接收器接收下來(lái)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的各種功能的遠(yuǎn)程控制。 紅外遙控具有獨(dú)立性、物理特性與可見(jiàn)光相似性、無(wú)穿透障礙物的能力及較強(qiáng)的隱蔽性等特點(diǎn)。隨著紅外遙控技術(shù)的開(kāi)發(fā)和迅速發(fā)展，很多地方都應(yīng)用了紅外遙控，而飛行器也不

13、例外。從單純的在飛行器控制面板上通過(guò)按鈕控制，到10米以上遠(yuǎn)距離的遙控，雖然改變不大，但其帶來(lái)的便利無(wú)疑是巨大的。而紅外遙控技術(shù)的成熟，也使得遙控器控制飛行器變得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優(yōu)勢(shì)在于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且只需改變四個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制，飛行機(jī)動(dòng)能力靈活。另一方面，小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能，并具有小區(qū)域范圍內(nèi)起飛、盤(pán)旋，飛行、著陸的能力。小型四旋翼飛行器研究也為自動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個(gè)平臺(tái)。 本設(shè)計(jì)主要通過(guò)單片機(jī)識(shí)別遙控器發(fā)出的信號(hào)對(duì)四個(gè)直流小電機(jī)進(jìn)行速度控制，由電機(jī)帶動(dòng)四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的加速、

14、減速、升降、前后左右移動(dòng)等功能。內(nèi)容涉及力學(xué)分析、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微型計(jì)算機(jī)控制等學(xué)科領(lǐng)域。通過(guò)創(chuàng)建模型并編寫(xiě)程序，在仿真軟件上進(jìn)行仿真模擬飛行器的飛行狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。 設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下主要功能： 1. 基于單片機(jī)控制飛行器啟停、加減速、前進(jìn)后退、左右側(cè)飛以及左右轉(zhuǎn)； 2. 通過(guò)紅外遙控部分能夠?qū)㈡I盤(pán)的信息有效的傳遞到微控制器上。 1.3 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是飛行器的整體設(shè)計(jì)，主要有機(jī)械部分、硬件部分和軟件三部分。 首先是機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在文中的第二章中主要介紹的就是這部分內(nèi)容，機(jī)械部分有螺旋槳、機(jī)架和電機(jī)三部分構(gòu)成。第二部分是硬件部分的總體設(shè)

15、計(jì)，這部分內(nèi)容涉及到對(duì)飛行器的單片機(jī)控制、整體的電路圖設(shè)計(jì)以及基于單片機(jī)的紅外遙控部分的設(shè)計(jì)，這部分內(nèi)容的重點(diǎn)是單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的控制，只有控制邏輯正確才能讓飛行器穩(wěn)定的飛行。而對(duì)于紅外遙控部分的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中對(duì)紅外信號(hào)的發(fā)射和接收進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，采用碼分制的方法確保紅外信號(hào)發(fā)出的能被準(zhǔn)確的接收到，并且完成相應(yīng)的操作。第三部分是軟件編程、流程圖和仿真調(diào)試的運(yùn)行，軟件編程采用的是單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)的，流程圖是對(duì)程序運(yùn)行的一種順序表示，表達(dá)出程序是如何運(yùn)行下去的，仿真調(diào)試部分是利用Keil C51和Protues仿真結(jié)合在一起進(jìn)行仿真的。 總之，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)就如上文所述，本次設(shè)計(jì)是采用成熟的

16、技術(shù)，簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在飛行控制方面的應(yīng)用，通過(guò)仿真運(yùn)行結(jié)果可以看見(jiàn)設(shè)計(jì)的思想在理論上是可以的，但是還缺少實(shí)踐，以后希望有機(jī)會(huì)再深入研究。 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 元器件的選擇 本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要為飛行器的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要進(jìn)行設(shè)計(jì)中所需的零部件的選擇，根據(jù)四軸飛行器的基本原理和結(jié)構(gòu)，所需的元件主要有支架、四個(gè)直流小電機(jī)、兩個(gè)正向旋翼兩個(gè)反向旋翼、一個(gè)PCB電路板、四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，本部分主要是對(duì)支架、電機(jī)和旋翼進(jìn)行選擇。 2.1.1 飛行器基本工作原理 在確定飛行器的模型之前查閱了大量的資料，結(jié)合前人的研究成果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，最終確定飛行器的

17、機(jī)械結(jié)構(gòu)呈十字形交叉固定的四根主軸組成，在主軸的四個(gè)端點(diǎn)處安裝四只旋翼，且四只旋翼處于同一水平面。飛行器的整體空間上呈現(xiàn)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。 圖2.1 四軸飛行器控制原理圖 上圖中逆時(shí)針?lè)较蚍謩e為電機(jī)1，電機(jī)2，電機(jī)3與電機(jī)4。電機(jī)1與電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2與電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。各個(gè)旋翼對(duì)機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣才能使飛行器平穩(wěn)的飛行在空中。四軸飛行器在空間共有6個(gè)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），這6個(gè)自由度的控制都可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。四只電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，因?yàn)閮蓪?duì)旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，剛好可以使各自對(duì)機(jī)身產(chǎn)生的

18、反扭矩得到抵消，使飛行器在旋轉(zhuǎn)方向上達(dá)到平衡[1]。從整體上看，機(jī)體只受到向上的升力與其自身重力的作用。當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，可以使得旋翼提供的上升的拉力增大，當(dāng)總拉力大于飛行器自身重力的時(shí)候，四軸飛行器便離開(kāi)地面垂直上升。反之，同時(shí)減小降低四只旋翼的轉(zhuǎn)速時(shí)，旋翼提供的總的拉力減小，當(dāng)總的拉力小于機(jī)身重力時(shí)，飛行器則垂直下降。因此，控制四軸飛行器垂直升降時(shí)應(yīng)保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速的同步增加或同步減小。 當(dāng)飛行器要轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)向時(shí)，2,4號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，1,3號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，使向右的反扭矩大于向左的反扭矩，四軸在反扭矩的作用下向右旋轉(zhuǎn)。反之，則實(shí)現(xiàn)四軸的左轉(zhuǎn)。其他方式的運(yùn)動(dòng)原理與上述過(guò)程類(lèi)似，四軸

19、飛行器原理雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)還需要很多工作要做。 2.1.2 旋翼和機(jī)架的確定 四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉(zhuǎn)方向是不一樣的，本設(shè)計(jì)中共需要一對(duì)正槳和一對(duì)反槳。在選擇螺旋槳的型號(hào)時(shí)要考慮到槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成的圓的直徑，在查閱了大量資料后確定螺旋槳的型號(hào)為1045。 為了保證飛行器在飛行時(shí)四個(gè)螺旋槳之間不發(fā)生干擾，就需要對(duì)飛行器支架進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。以上可知螺旋槳直徑為10英寸（1英寸=254毫米），一般對(duì)于機(jī)架的尺寸沒(méi)有特殊的要求，只要保證在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各旋翼不發(fā)生干擾即可，所以本次設(shè)計(jì)中讓機(jī)架長(zhǎng)度為790毫米，軸距為750毫米，正好符合要求。 2.1.3 其他小部件的選擇 由

20、于四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，除了螺旋槳和機(jī)架外其余的一些小零件主要包括安裝在個(gè)芯片上的螺釘，螺旋槳上的塑料帽。在選擇螺釘時(shí)為了方便統(tǒng)一規(guī)格，按照標(biāo)準(zhǔn)均用M5x6.5規(guī)格的螺釘，塑料帽沒(méi)有要求只要能把螺旋槳固定住就行，以防止在飛行過(guò)程中槳飛出造成損壞。 2.2 電機(jī) 根據(jù)供電方式，電動(dòng)機(jī)分為直流和交流電動(dòng)機(jī)。而直流電機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)包括旋轉(zhuǎn)的電樞和靜態(tài)的磁場(chǎng)。電樞中的電流，必須通過(guò)電刷來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力。靜態(tài)磁場(chǎng)可以有繞線式電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組或永磁電動(dòng)機(jī)的永磁體來(lái)提供。繞線式電動(dòng)機(jī)可分為三種類(lèi)型：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞和勵(lì)磁繞組是串聯(lián)的，這種電機(jī)具有很大的

21、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較高的空載轉(zhuǎn)速，但它的調(diào)速性能較差；并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞和勵(lì)磁繞組是并聯(lián)的，這種電動(dòng)機(jī)比串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有更好地調(diào)速性能；復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)既有串勵(lì)勵(lì)磁繞組又有并勵(lì)勵(lì)磁繞組，它綜合了串勵(lì)電機(jī)和并勵(lì)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。永磁電動(dòng)機(jī)使用永磁鐵提供靜態(tài)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)矩-速度曲線具有很好的線性，能進(jìn)行很好的調(diào)速，所以本次設(shè)計(jì)選擇了ZYN系列稀土永磁直流電機(jī)，其型號(hào)為70ZYN01，電機(jī)參數(shù)如下表： 表2.1 電機(jī)參數(shù) 轉(zhuǎn)矩（Nm） 轉(zhuǎn)速（r/min） 功率（W） 電壓（V） 電流A（不大于） 318.6 3000 100 24 6.5 直流電機(jī)主要由磁極、電樞和換向器三部分組成，下面討論一下直

22、流電機(jī)的工作原理，我們可以把直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖2.2所示的工作原理圖。電機(jī)具有一對(duì)磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別連在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和電刷B。 圖2.2 直流電機(jī)工作原理圖 直流電機(jī)再作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線圈。電流方向應(yīng)該是這樣的：N極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向。這樣才能使兩個(gè)邊上受到的電磁力方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)線圈的有效邊從N(S)極下轉(zhuǎn)到S(N)極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，以使電磁力方向不變。這個(gè)過(guò)程通過(guò)換向器就能實(shí)現(xiàn)。 直流電

23、機(jī)電樞繞組中的電流（電樞電流Ia）與磁通Φ相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示 T = KTΦIa （2.1） 式中KT — 是與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù) Φ —

24、 單位是韋（Wb） Ia — 單位是安（A）[2] 2.3 總體結(jié)構(gòu) 研究完飛行器的基本原理并確定了所需元器件的型號(hào)以后，進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，利用CATIA軟件建模，將各部分零件組裝起來(lái)構(gòu)成了本次飛行器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化模型，其效果圖如圖2.6所示。圖中主要有機(jī)架、電機(jī)和螺旋槳，機(jī)架在自己動(dòng)手制作時(shí)可以選用質(zhì)量較輕的復(fù)合型木材，在板的四個(gè)末端鉆四個(gè)直徑為50mm的孔，將電機(jī)安裝在孔中，四個(gè)旋翼則安裝在電機(jī)軸上。由于螺旋槳的帽沒(méi)有固定的尺寸，在建模時(shí)就沒(méi)有繪制出來(lái)。 1. 圖2.3為設(shè)計(jì)中選擇的旋翼，旋翼為塑料件，旋翼有兩片葉片，旋轉(zhuǎn)中心的孔是配合安裝在電機(jī)軸上的。 圖2.3

25、 旋翼結(jié)構(gòu)圖 3. 圖2.4為制作成一體的機(jī)架，本次設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有選擇專門(mén)的四軸飛行器機(jī)架，采用DIY的方式，選用輕質(zhì)的木材制作成十字架的整體形狀，十字架板和中間的方形板是一體的。機(jī)架的四個(gè)頂端有四個(gè)直徑為50mm的孔用來(lái)和電機(jī)的大軸直徑相配合，安裝時(shí)只要將電機(jī)大端插到孔中就可以。 圖2.4 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖 4. 圖2.5為設(shè)計(jì)中用到的直流小電機(jī)，將電機(jī)軸伸出端安裝在旋翼的中心孔中，外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 圖2.5 電機(jī)架構(gòu)圖 5. 圖2.6為設(shè)計(jì)的整體建模效果圖，十字架板同一個(gè)方向上安裝的旋翼旋轉(zhuǎn)方向一致，另一個(gè)方向上的兩個(gè)旋翼方向與之相反。 圖2.3 四軸飛

26、行器總體結(jié)圖 3 硬件設(shè)計(jì) 3.1 概述 本章主要從四軸飛行器的飛行控制特點(diǎn)入手，對(duì)飛行控制系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。四軸飛行器具有體積小、重量輕、易于控制等特點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)可以得出飛行控制的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體要求：選擇高速微處理器、高性能遙控收發(fā)設(shè)備、集成度高的驅(qū)動(dòng)芯片、要有靈活的可控性等。在具體的方案設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該從以下方面考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)：可靠性、可行性和髙集成度，根據(jù)這些特點(diǎn)得出飛行控制的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體要求，具體包括以下幾個(gè)方面： （1）通過(guò)鍵盤(pán)改變脈沖的占空比從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速使飛行器按照對(duì)應(yīng)要求飛行的目的。 （2）通過(guò)啟

27、動(dòng)鍵啟動(dòng)電機(jī)，從而達(dá)到防止電機(jī)誤啟動(dòng)的目的。 （3）通過(guò)示波器來(lái)顯示四個(gè)電機(jī)的輸出波形。 （4）無(wú)線通訊誤碼率要低，實(shí)時(shí)性要高，保證傳輸信息的準(zhǔn)確性。 以上幾點(diǎn)要求和限制為設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)的硬件提供了依據(jù)，有的放矢。為此盡量采用比較成熟的、可繼承性和可借鑒的技術(shù)和元器件。下面首先給出系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，然后分模塊介紹系統(tǒng)硬件的選型和電路設(shè)計(jì)，包括控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外通訊模塊及電源模塊。 3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)及選型 3.2.1飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上節(jié)中進(jìn)行了四軸飛行器的飛行控制器硬件設(shè)計(jì)需要分析，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)如右圖3.1所示結(jié)構(gòu)的四軸飛行器系統(tǒng)方案。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核

28、心部分為飛行控制器，其核心是基于AT89C51的控制系統(tǒng)。微控制器加上各種功能模塊構(gòu)成飛行控制器。其中無(wú)線收發(fā)模塊接受遙控器傳來(lái)的控制信號(hào)，然后將控制信息傳送給控制器模塊?？刂破髂K通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)的軟件指令輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作，保持四軸飛行器穩(wěn)定飛行。其中L298n是專用的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的芯片，每一片L298n可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流小電機(jī)，所以本設(shè)計(jì)中用到兩片。 圖3.1 飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.2.2 單片機(jī)的選型及介紹 如今單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛特別是51系列的單片機(jī)，諸如調(diào)制解調(diào)器，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，空調(diào)控制系統(tǒng)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和航模等一些領(lǐng)域。這些

29、單片機(jī)的高速處理速度和增強(qiáng)型外圍設(shè)備集合使得它們適合于各種高速事件應(yīng)用場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)中則選取了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。 一、AT89C51具有下列主要性能： 1) 4KB可改編程序Flash存儲(chǔ)器 2) 0HZ~24HZ 3) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密 4) 1288字節(jié)內(nèi)部RAM 5) 32條可編程I/O 6) 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 7) 6個(gè)中斷源 8) 可編程串行通道 9) 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到0HZ，并提供兩種可用軟件來(lái)選擇的省電方式------空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU停止工作

30、，而RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。 二、管腳說(shuō)明 （1）VCC：電源端 （2）GND：接地端 （3）P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，每個(gè)管腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳寫(xiě)“1”時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0口輸出原碼，此時(shí)P0外部電位必須被拉高。 （4）P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位

31、雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入“1”后，電位被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 （5）P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳電位被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時(shí)，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口用于外部程序存儲(chǔ)器或16位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八

32、位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位的地址信號(hào)和控制信號(hào)。 （6）P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，他們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時(shí)，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（TTL），也是由于上拉的緣故。除此之外P3口還用于一些專門(mén)功能，這些兼用功能見(jiàn)表3.1所示。 表3.1 P3各端口引腳與兼用功能表 端口引腳 兼用功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD (串行輸出口) P3.2 (外部中斷0) P3.

33、3 (外部中斷1) P3.4 T0(定時(shí)器0的外部輸入) P3.5 T1(定時(shí)器1的外部輸入) P3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通) P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） （7）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 （8）ALE/：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可以用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。 （9）：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，

34、每個(gè)機(jī)器周期PSEN兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。 （10）：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，訪問(wèn)外部ROM，當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部ROM。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 （11）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 （12）XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。[3] 三、AT89C51的最小系統(tǒng) 如圖3.2所示，在X1和X2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，他還有另一種接法，是把外部振蕩器的信號(hào)直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空不用。 AT89C51復(fù)位引腳RET/VP通過(guò)片內(nèi)一個(gè)施

35、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)至少保持兩個(gè)周期的高電平時(shí)，就能使AT89C51完成一次復(fù)位。 復(fù)位不影響RAM的內(nèi)容。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)。 MCS-51 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。上電復(fù)位利用電容器充電來(lái)實(shí)現(xiàn)。按鈕復(fù)位又分為按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。前者將復(fù)位端通過(guò)電阻與VCC相接，后者利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位目的。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)間大于兩個(gè)機(jī)器周期。[4] 圖3.2 A

36、T89C51的最小操作系統(tǒng) 3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 L298n是由達(dá)林頓管組成的雙H橋高電壓大電流集成PWM電路。PWM電路由四個(gè)大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，根據(jù)調(diào)整輸入脈沖的占空比，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速這種電路由于管子工作只在飽合和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。H型電路使實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制簡(jiǎn)單化，且電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。 脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。橋式

37、可逆PWM變換器電路如圖3.3所示。它包含有4個(gè)開(kāi)關(guān)管和4個(gè)續(xù)流二極管，單電源供電。4個(gè)開(kāi)關(guān)管分成兩組，VT1和VT4一組；VT3和VT4為另一組。同一組的開(kāi)關(guān)管同步導(dǎo)通或截止，不同組的開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止正好相反。這是電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。 在每個(gè)PWM周期中，當(dāng)控制信號(hào)Ug1為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT1、VT4導(dǎo)通，此時(shí)Ug3為低電平，因此VT2、VT3截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當(dāng)控制信號(hào)Ug1為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT1、VT4截止，此時(shí)Ug3為高電平，因此VT2、VT3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓[5]。由于在一個(gè)PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷

38、了正負(fù)跳轉(zhuǎn)，因此其平均電壓U0的表達(dá)式為： U0 = ( 2α-1)Us (α = t1/T) (3.1) 式中，α — 為占空比 Us—電樞端電壓，V U0—平均電壓，V 由式（3.1）可見(jiàn)，雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比α的大小。當(dāng)α = 1時(shí)，U0 = Us，直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)α =1/2時(shí)，U0 =0，直流電機(jī)不轉(zhuǎn)。注意：雖然此時(shí)直流電機(jī)不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍然有交變電流，使直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電機(jī)負(fù)載的靜摩擦

39、，提高動(dòng)態(tài)性能。關(guān)于PWM調(diào)速的具體原理及內(nèi)容在后文中會(huì)有詳細(xì)的介紹，所以此處就不作具體解釋了。 圖3.3 橋式可逆PWM原理圖 L298n內(nèi)部的每個(gè)H橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳(SENSEA和SENSEB)用來(lái)連接電阻檢測(cè)電流。Vss 接邏輯控制的電源。Vs為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1一IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開(kāi)與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來(lái)輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。 圖3.4 L298引腳圖 1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)。L2

40、98n可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUT1、OUT2、OUT3和OUT4之間分別接2個(gè)電機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。L298n的邏輯功能如表3.2所示。以兩個(gè)電機(jī)為例，即單片機(jī)的兩個(gè)I/O口控制一個(gè)電機(jī)，輸出PWM的端口控制轉(zhuǎn)速，另外一個(gè)則控制轉(zhuǎn)向。由于單片機(jī)和控制電路在運(yùn)行時(shí)都需要供電，為方便起見(jiàn)，選用一組5V電源同時(shí)給兩者供電。 表3.2 L298n的邏輯功能表 ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H 同IN2(IN4) 同IN

41、1(IN3) 快速停止 L X X 停止 3.2.4 無(wú)線通訊與遙控 如今應(yīng)用比較廣泛的是以單片機(jī)為中心的紅外遙控設(shè)計(jì)，紅外線又稱紅外光波，在電磁波譜中，光波的波長(zhǎng)范圍為0.01um~1000um。根據(jù)波長(zhǎng)的不同可分為可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光，波長(zhǎng)為0.38um~0.76um的光波可分為可見(jiàn)光，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色。光波為0.01um~0.38um的光波為紫外光（線），波長(zhǎng)為0.76um~1000um的光波為紅外（線）。紅外光波按波長(zhǎng)范圍分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極紅外4類(lèi)。紅外線遙控是利用遠(yuǎn)紅外光傳送遙控指令的，波長(zhǎng)為5.6um~1um。這種遙控方式主要適用于

42、遠(yuǎn)距離的遙控控制，而本次設(shè)計(jì)中則需要對(duì)四軸飛行器進(jìn)行10米以上的控制，這就需要對(duì)飛行器進(jìn)行遠(yuǎn)距離紅外控制。 在整個(gè)通信中，需要一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端。發(fā)射端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收端采用價(jià)格便宜，性能可靠的一體化紅外接收管接收紅外信號(hào)，它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大、檢波、整形，得到相應(yīng)的信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)控制相關(guān)被控對(duì)象。 3.2.5電源電路設(shè)計(jì) 電源模塊在系統(tǒng)中的地位是極其重要的，四軸飛行器要穩(wěn)定工作必須有穩(wěn)定的電源供給作為保障，為系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供動(dòng)力。穩(wěn)定的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，而

43、如果電源模塊設(shè)計(jì)的不夠合理，那么就像在系統(tǒng)中埋下了一顆定時(shí)炸彈，系統(tǒng)隨時(shí)都可能因此而崩潰。所以電源模塊的設(shè)計(jì)必須非常謹(jǐn)慎，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。 本設(shè)計(jì)中電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片需要5V電壓供電，微控制器和接收模塊則需要3.3V電壓，故采用開(kāi)關(guān)電源方案實(shí)現(xiàn)5V穩(wěn)壓電源，采用線性電源實(shí)現(xiàn)3.3V數(shù)字電源。 開(kāi)關(guān)電源方案采用開(kāi)關(guān)電源芯片LM2596—ADJ配合電感器件組成BUCK型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)5V穩(wěn)定電壓。LM2596系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它包含1.23V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路和150KHZ固定頻率振蕩器，并具有限流、熱關(guān)斷等完善的保護(hù)電路。利用該器件只需要極少的外圍

44、器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75%~88%。本次設(shè)計(jì)電路配置如圖3.5所示[6]。 圖3.5 LM2596電路圖 3.3V的數(shù)字電源采用LM1117—3.3線性電源方案。LM1117系列是低壓差線性集成電壓調(diào)節(jié)器。其壓差在1.2V時(shí)，輸出負(fù)載電流可達(dá)800mA。LM1117提供3.3V、5V、12V及可調(diào)等多個(gè)電壓檔次的產(chǎn)品。LM1117提供限流與過(guò)入保護(hù)等保護(hù)機(jī)制。飛行器設(shè)計(jì)的電路中3.3V的電路配置如圖3.6所示。 圖3.6 LM1117—3.3電路圖 3.3 硬件部分的整體電路圖 前兩節(jié)介紹了本次設(shè)計(jì)的硬件各部分的接線和功能，如圖3.7所示為設(shè)計(jì)的

45、總體電路圖，主要包括單片機(jī)內(nèi)部最小系統(tǒng)、單片機(jī)與兩片電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298的連接和L298與四個(gè)電機(jī)的連接電路。通過(guò)總體接線圖不僅可以清晰地看見(jiàn)各部分的連接方式，還可以了解到各部分的控制關(guān)系。圖3.8為單片機(jī)控制電機(jī)部分的整體接線圖，由于畫(huà)面的原因電機(jī)4的引腳連接在圖3.7中對(duì)應(yīng)于圖3.8中L298n的輸出端L3和L4。遙控部分控制各種飛行功能的按鍵與單片機(jī)的P0口相連，當(dāng)按鍵按下彈起后開(kāi)始執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能。 圖3.8 單片機(jī)控制部分電路4 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試分析 本章主要介紹了軟件部分的設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)控制電機(jī)的調(diào)速原理及具體的調(diào)速方法，基于單片機(jī)的紅外遙控部分的軟件流程設(shè)計(jì)，以及基

46、于本設(shè)計(jì)的Protues軟件仿真和結(jié)果分析。在程序編寫(xiě)設(shè)計(jì)時(shí)主要是利用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行的，C語(yǔ)言在編程時(shí)比較靈活，可以運(yùn)用多種方法進(jìn)行同一功能的實(shí)現(xiàn)，考慮到程序的簡(jiǎn)練易懂，故用C語(yǔ)言對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了編程。 4.1 PWM調(diào)速原理分析 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用位處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。

47、之后詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于MCS—51單片機(jī)的直流小電機(jī)PWM調(diào)速的系統(tǒng)硬件電路以及各電路硬件說(shuō)明目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的追蹤。 脈寬調(diào)制的基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，是輸出端得到一系列幅值相等但寬度不等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即改變逆變電路輸出電壓的大小，也可以改變輸出頻率。[7] 圖4.1是利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。 在圖4.1

48、（a）中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖4.1（b）所示。電機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值U0為： U0 =（t1Us +0）/(t1+t2)=α Us (4.1) α表示在一個(gè)周期里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。變化范圍在0和1之間。由式（4.1）可知，當(dāng)電源

49、電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U0取決于占空比α的大小，改變?chǔ)恋闹稻涂梢愿淖兌穗妷旱钠骄?，?shí)現(xiàn)調(diào)速，這就是本次設(shè)計(jì)用到的PWM調(diào)速原理。 （a）原理圖 （b）輸入輸出電壓波形 圖4.1 PWM調(diào)速控制原理圖和電壓波形 占空比α是PWM調(diào)速的一個(gè)重要參數(shù)，以下三種方式都可以改變占空比的值。 （1）定寬調(diào)頻法：它是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T也隨之改變。 （2）調(diào)頻調(diào)寬法：它是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T也隨之改變。 （3）定頻調(diào)寬法：它是使周期T保持不變，而同時(shí)改變t1和 t2。

50、前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法用的比較少。目前，直流電機(jī)主要采用定頻調(diào)寬的方法控制。[8] 4.2 調(diào)速部分設(shè)計(jì)及分析 有了上文中PWM原理的基礎(chǔ)，飛行器的調(diào)速部分的設(shè)計(jì)主要涉及到的知識(shí)是單片機(jī)AT89C51中定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作原理，實(shí)現(xiàn)調(diào)速輸出PWM波形則主要利用定時(shí)器的定時(shí)功能，改變定時(shí)時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。對(duì)于單片機(jī)基本的引腳功能介紹已經(jīng)在前文介紹過(guò)了，此處就不做解釋了。本節(jié)主要對(duì)調(diào)速的內(nèi)容進(jìn)行具體的解釋說(shuō)明。 首先介紹一下單片機(jī)AT89C51的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，AT89C51內(nèi)含有二個(gè)16位的定時(shí)

51、器/計(jì)數(shù)器T0和T1，他們都可以分別作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器使用。當(dāng)使用于定時(shí)器方式時(shí)，定時(shí)器的輸入來(lái)自內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路，每過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器加1，而一個(gè)機(jī)器周期包含有12個(gè)振蕩周期，所以，定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的1/12。 在計(jì)數(shù)器工作方式中，計(jì)數(shù)器是對(duì)外部事件計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖是來(lái)自外部輸入引腳，當(dāng)外部輸入引腳發(fā)生“1”和“0”的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1.內(nèi)部硬件在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2采樣外部輸入引腳狀態(tài)，當(dāng)在一個(gè)機(jī)器周期采樣到高電平，接著另一個(gè)周期采樣到低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器的值將在檢測(cè)到變化后的下一個(gè)周期的S3P1中被更新，由于對(duì)外部事件的檢測(cè)需要兩個(gè)機(jī)器周期。所以計(jì)數(shù)頻率最高為晶振頻率的1/2

52、4。 T0和T1除了有定時(shí)器和計(jì)數(shù)器功能外，還有四種工作方式，分別為：13位定時(shí)器方式；16位定時(shí)器方式；8為常數(shù)自動(dòng)重裝方式；分定時(shí)器工作方式。由于本次設(shè)計(jì)只用到了定時(shí)器T0，所以在說(shuō)明時(shí)就以T0定時(shí)器為例，T1的工作方式和T0是相同的。 一、T0的工作方式控制 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的工作方式選擇是通過(guò)對(duì)SFR中的定時(shí)器方式寄存器TMOD編程定義的，四種工作方式由TMOD寄存器的M1、M0位確定，C/T位用于選擇定時(shí)器功能或計(jì)數(shù)器功能。方式寄存器TMOD的格式定義如下： GATE C/T M2 M0 定時(shí)器T0 圖4.2 T0的工作方式控制 GATE—

53、門(mén)控制，當(dāng)GATE = 1時(shí)，僅當(dāng)控制寄存器TCON的TRX = 1（X為0或1），且INTX端為高電平時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器才計(jì)數(shù)。當(dāng)GATE = 0時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器由TRX控制，TRX為1，允許計(jì)數(shù)，TRX為0，不允許計(jì)數(shù)。 C/T—定時(shí)器和計(jì)數(shù)器選擇位。 C/T=0為定時(shí)器方式。 C/T=1為計(jì)數(shù)器方式。 M1M0—工作方式選擇位，如表4.1所示。 表4.1 M1M0的工作方式 M1 M0 方式 功能 0 0 0 13位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 1 1 16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 0 2 常數(shù)自動(dòng)裝入的8位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1

54、 1 3 僅適用于T0，分為二個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1在方式3時(shí)停止計(jì)數(shù) 當(dāng)M1M0為10時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式為2，在此方式下，設(shè)置了一個(gè)8位的計(jì)數(shù)器，并具有自動(dòng)回復(fù)計(jì)數(shù)初值的功能。以T0為例，將TL0作計(jì)數(shù)器；而TH0作寄存器使用，存放計(jì)數(shù)初值，當(dāng)TL0作增1計(jì)數(shù)至溢出時(shí)，除了把溢出標(biāo)志位TF1置1外，同時(shí)還將TH0中的計(jì)數(shù)初值送入TL0中，使TL0又重新從初值開(kāi)始計(jì)數(shù)。 飛行器設(shè)計(jì)中由于需要控制多種飛行功能，所以在軟件編程中涉及到的調(diào)速部分有很多，本部分主要以加速為例來(lái)說(shuō)明一下此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的調(diào)速的部分。由流程圖可以看出當(dāng)按鍵按下時(shí)就向單片機(jī)發(fā)出了中斷請(qǐng)求，開(kāi)始利用定

55、時(shí)器實(shí)現(xiàn)速度控制，定制器發(fā)出中斷請(qǐng)求后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，中斷響應(yīng)結(jié)束后回到主程序循環(huán)等待下次中斷。 圖4.3 加速流程圖 對(duì)應(yīng)的定時(shí)器初始化部分的程序如下： void Time0_int() //定時(shí)器T0初始化 { TMOD=0X02； TH0=56； TL0=56； ET0=1； EA=1； TR0=1 } } [9] 由以上程序可以看出本次設(shè)計(jì)選擇的定時(shí)器為T(mén)0，工作方式2，在方式2的模式下T0為8位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，最大計(jì)數(shù)時(shí)間為256,。設(shè)置的定時(shí)器計(jì)數(shù)初值為56，根

56、據(jù)公式（4.2）所示為定時(shí)器初值的計(jì)算方法。 T =（256—計(jì)數(shù)初值）晶振周期12 (4.2) 式（4.1）中T就是脈沖信號(hào)的定時(shí)時(shí)間，本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)晶振頻率為12MHZ，賦給定時(shí)器的初值為56，則單片機(jī)要計(jì)數(shù)200次后溢出中斷，計(jì)數(shù)加1就相當(dāng)于多延時(shí)1um的時(shí)間，所以上述程序中實(shí)現(xiàn)了定時(shí)200um，即脈沖信號(hào)的周期為200um。在調(diào)速時(shí)，只要改變高電平的延時(shí)時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。[10] void Time0() interrupt 1 using 1 //定時(shí)服務(wù)程序 { M13=1

57、； M23=1； M33=1； M43=1； counter1++； counter2++； counter3++； counter4++； if(counter1>=pwmH1) M1=0； if(counter2>=pwmH2) M2=0； if(counter3>=pwmH3) M3=0； if(counter4>=pwmH4) M4=0； if(counter1==pwm1) { counter1=0； M1=1； } if(counter2==pwm2) { counter2=0

58、； M2=1； } if(counter3==pwm3) { counter3=0； M3=1； } if(counter4==pwm4) { counter4=0； M4=1； } } 上面一段程序?yàn)橹袛喾?wù)程序，在總程序的開(kāi)始定義了連接按鍵的單片機(jī)端口，M13、M23、M33、M43為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298的使能端，用于輸出PWM調(diào)速脈沖，在上述程序中定義了比較脈沖計(jì)數(shù)器，用來(lái)判斷單片機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)是否為需要的值，一旦達(dá)到最初設(shè)定的脈沖周期數(shù)，計(jì)數(shù)器歸0重新發(fā)脈沖。同時(shí)也判斷高電平時(shí)間，如果判斷高電平達(dá)到設(shè)定的時(shí)間則將高電平取反輸

59、出低電平，這樣就能輸出連續(xù)的脈沖波形。例如上面程序中的一條指令 if(counter1>=pwmH1) M1=0； “counter1”為電機(jī)1的比較計(jì)數(shù)器，“pwmH1”為控制電機(jī)1的脈沖高電平計(jì)數(shù)器，當(dāng)counter1的計(jì)數(shù)值大于等于pwmH1的設(shè)定值時(shí)，電機(jī)1為低電平。 4.3 紅外遙控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 在第三章第二節(jié)中只是簡(jiǎn)單的介紹了本設(shè)計(jì)中用到的是基于單片機(jī)的紅外遙控系統(tǒng)，本節(jié)將對(duì)其工作原理進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，包括基本原理、整體電路設(shè)計(jì)、軟件流程和程序的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。紅外信號(hào)的發(fā)射也是基于單片機(jī)AT89C51實(shí)現(xiàn)的，前文對(duì)于AT89C51的介紹已經(jīng)夠詳細(xì)了，在此也就不多累贅了。其

60、電路設(shè)計(jì)主要有兩部分紅外發(fā)射和紅外接收。 4.3.1 紅外發(fā)射部分 當(dāng)某個(gè)操作按鍵按下時(shí)，單片機(jī)先讀出鍵值，然后根據(jù)鍵值設(shè)定遙控碼的脈沖個(gè)數(shù)，在調(diào)制成38KHZ的方波再由紅外發(fā)光管發(fā)射出去。 通常，紅外遙控是將遙控信號(hào)（二進(jìn)制脈沖碼）調(diào)制在38KHZ的載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光管，轉(zhuǎn)為紅外信號(hào)發(fā)射出去的。為了提高抗干擾性能和降低電源消 耗，將上述的遙控編碼脈沖對(duì)頻率為38KHZ的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)緩沖放大器放大后送至紅外發(fā)光管，將遙控信號(hào)發(fā)出[11]。如圖4.4是發(fā)射部分的基本框圖。 圖4.4 發(fā)射部分框圖 紅外信號(hào)發(fā)射過(guò)程：首先裝入發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)（發(fā)射是為3ms脈

61、沖，停發(fā)時(shí)為1ms脈沖），此時(shí)若發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)為1則返回主程序，若不為1則發(fā)1ms脈沖，然后停發(fā)1ms脈沖，這樣便結(jié)束整個(gè)發(fā)射過(guò)程。在實(shí)踐中，采用紅外線遙控方式時(shí)，由于受遙控距離，角度等影響，使用效果不是很好，如采用調(diào)頻或調(diào)幅發(fā)射接收碼，可提高遙控距離，并且沒(méi)有角度影響。圖4.5為發(fā)射部分的流程圖。 圖4.5 紅外發(fā)射流程圖 本遙控發(fā)射器采用碼分制遙控方式，碼分制紅外遙控就是指令信號(hào)產(chǎn)生電路以不同的脈沖編碼（不同的脈沖數(shù)目及組合）代表不同的控制指令。單片機(jī)遙控發(fā)射器主要由單片機(jī)、操作桿、紅外發(fā)射電路三部分組成。單片機(jī)部分主要完成遙控發(fā)射過(guò)程。遙控器信息碼由AT89C51單片機(jī)的定時(shí)器1中

62、斷產(chǎn)生38KHZ紅外方波信號(hào)，由P0.7口輸出，經(jīng)三極管放大后，由紅外發(fā)射管發(fā)射，改變滑動(dòng)變阻的阻值大小可以改變紅外發(fā)射的距離。 發(fā)射部分的主要元件為紅外發(fā)光二極管。它實(shí)際上是一只特殊的發(fā)光二極管，由于其內(nèi)部材料不同于普通發(fā)光二極管，因而在其兩端施加一定電壓時(shí)，它發(fā)出的便是紅外線而不是可見(jiàn)光。目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為940nm左右，外形與普通的發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。 遙控發(fā)射通過(guò)操作鍵盤(pán)產(chǎn)生具有不同的編碼數(shù)字脈沖，這種代碼信號(hào)指令調(diào)制在38KHZ的載波上，激勵(lì)紅外二極管產(chǎn)生不同的脈沖，通過(guò)空間的傳送到受控機(jī)的接收器。P1口作為按鍵部分，P0.7口作為紅外發(fā)射部

63、分。電路圖如圖4.6所示。 圖4.6 紅外發(fā)射電路圖 4.3.2 紅外接收部分 紅外接收部分主要是由光敏二極管接收到發(fā)射管發(fā)出的紅外線后，將光信號(hào)好轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再把信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)解調(diào)后執(zhí)行對(duì)應(yīng)按鍵所要求的功能。圖4.7為紅外接收部分的基本框圖，在設(shè)計(jì)電路時(shí)就是按照下圖進(jìn)行的。 圖4.7 紅外接收部分基本框圖 紅外遙控接收部分的主程序和初始化程序如下：首先進(jìn)行初始化，然后檢查是否接受標(biāo)志位，若有則調(diào)用相應(yīng)的操作程序，然后清零中斷標(biāo)志位。 （1）數(shù)據(jù)幀的接收處理 當(dāng)紅外接收器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)時(shí)，第一位碼的低電平將啟動(dòng)中斷程序，實(shí)施接收數(shù)據(jù)幀的操作。在數(shù)據(jù)幀

64、接收時(shí)，將對(duì)第一位（起始位）碼的碼寬進(jìn)行驗(yàn)證。若第一位低電平碼碼寬小于3ms，將作為錯(cuò)誤碼處理。當(dāng)間隔位的高電平脈寬大于2ms時(shí)，結(jié)束接收，然后根據(jù)累加器A中的脈沖個(gè)數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的操作程序，執(zhí)行相應(yīng)輸出口的操作[12]。 （2）接收端程序流程圖 圖4.8 紅外接收主流程圖 中斷過(guò)程：首先判斷低電平脈沖寬度是否大于2ms，若脈寬不到3ms，則中斷返回；若低電平脈寬大于2ms，則進(jìn)行接收并對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。然后判斷高電平脈沖寬度是否大于2ms，若高電平脈沖寬度不到2ms，則返回上一接收計(jì)數(shù)過(guò)程再次進(jìn)行計(jì)數(shù)；若高電平脈寬大于2ms，則按照統(tǒng)計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)調(diào)用相應(yīng)的操作程序。此時(shí)中斷返回。

65、 圖4.9 紅外接收中斷流程圖 紅外接收電路：在接收過(guò)程中，信號(hào)經(jīng)過(guò)HS0038一體化紅外接收頭，此信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)、放大、檢波、整形再送到單片機(jī)中，從而完成相應(yīng)的遙控功能。接收電路圖見(jiàn)圖4.10。 根據(jù)遙控信號(hào)編碼和發(fā)射過(guò)程，遙控信號(hào)的識(shí)別—即解碼過(guò)程就是去除38KHZ載波信號(hào)后識(shí)別出二進(jìn)制脈沖碼中的0和1由MCS—51系列單片機(jī)AT89C51、一體化紅外接收頭、還原調(diào)制與紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路組成。 一體化紅外接收頭HS0038的解調(diào)可以理解為：接收到紅外脈沖串時(shí)，輸出低電平，否則輸出高電平，顯然輸出的信號(hào)極性與發(fā)送信號(hào)的相反。所以解碼是要將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)反向才能和發(fā)送信號(hào)編碼

66、一致。當(dāng)接收端接收到表示傳輸開(kāi)始的同步幀后，接收單片機(jī)進(jìn)入解碼過(guò)程，解碼采用軟件抽樣判決。紅外遙控器接收部分由主程序、信號(hào)解碼子程序和執(zhí)行控制子程序，主程序負(fù)責(zé)初始化，檢查有無(wú)紅外信號(hào)。控制程序則隨各設(shè)備的不同而不同。HS0038可以直接對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)后的信號(hào)直接給微處理器進(jìn)行解碼和存儲(chǔ)。 接收部分主要元件是紅外接收管，它是一種光敏二極管（實(shí)際上是三極管，基極為感光部分）。在實(shí)際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時(shí)是反向運(yùn)用，這樣才能獲得較高的靈敏度。[13] 圖4.10 紅外接收電路 4.3.3 鍵盤(pán)設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)所用的鍵盤(pán)有編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩種。 1）編碼鍵盤(pán)本身除了按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。只要按下編碼鍵盤(pán)的某一個(gè)鍵，它就能產(chǎn)生這個(gè)鍵的代碼，并稱為鍵碼，與此同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，以通知CPU接收鍵碼，編碼鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是使用比較方便，亦不需要編寫(xiě)太復(fù)雜的程序。其缺點(diǎn)是使用的硬件較復(fù)雜。 2）非編碼鍵盤(pán)的按鍵是排列成行、列矩陣形式的。按鍵的作用只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通或斷開(kāi)，因