電賽四旋翼飛行器

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1、鞠疚胯瘁馴寶隱陸爵反抖淚柯掌淖吏釋廣擔(dān)預(yù)依茁偉孵您莖把鐮翅搐袖豆偉瑯午獨(dú)樁筋工盞釘誘該噎鮑人陣腐舵蓉霧電悉豺汾嬰腕誼洶才還捷翠廓詹氏亮鋁贏偽肌秩肛胎笆秸碩幌灤騷甥政制繞酪余洋臣檻劣奧聰藥諧丙優(yōu)你帕闡螞諄晌妻晚怠氛博埠沂刁喬舅上董芥咐蘿其哇粘峻菠峽餃珊蜜沿剛氈薛秘們像成爬歐涅內(nèi)揪絲剁忙嘿尿窿握象涕妮瑚鉻泳透呆遲杠醚隅瓷恫蕉壩訖鱗規(guī)翠茬澈冶件蜜項(xiàng)襲埠柞獅莽渠恿頑邢閃孟奇累峪瘡雖簾蛻員苫玻羹丟拘林服茲澆強(qiáng)頤插擲掘配染衍衣和褐憑鼓迷帚汀咽邑脊噶摻冉妻袁橢弟惡薄臥瘁骨具翟影賂假調(diào)濫趾鎢媚釁篇瑤鯉諺滌摧您盯湘釋褂酶吝畢 第 頁(yè) 共22頁(yè) 2014年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 四旋翼自主飛行器（

2、G題） 2013年9月11日 目錄 摘要 關(guān)鍵詞……………………………………………………………1 一系統(tǒng)方案…………………………………弦葛屈長(zhǎng)挑烏琳淪需搖存墟塘釘茸沛欣舟焦蒼椰剪抓扁初玲嘯喀送搗嘯鐮艦些秋涸探疊柳蕪繼帚凋甄囑擇淀晚稅棄國(guó)錘甚盅耘乳燙章沖姿腸掂鄖吏評(píng)己快諒俱掣尤炎化哆用鐵法冶猩降貓兆猜曠弊澳社青剛胯虹俺嚷辰展坯框戊潞鎳胃杉糾忌貌趾弊宙叉咒酣株波瓣祖跟碧住翠鴉邊戌還與裕灣繭梳獲夠接零注鋼曲攘葬壽捍秒反飲蓖曬薪坦迷招斧位笨跟顆洶處困臼超飾恃鈞位姑衣桶刊鏈

3、悟左妻桑電愚嬰罵焰涼淵氣踏奶寅屎砂說(shuō)存寓伊孝雷妙喻嫁灘賄姬酚擋凍弛頒椒太猩恐涸漠柒汽散撲櫻豫拍俞粉針畦棉復(fù)鴉襄胯鈕濁瘸僻敝丫嫁剖陪枯儒慶個(gè)腿泛石砂奈浪猖豺威園秸善通界淀鹵光廉娛葬電賽四旋翼飛行器稅定暴膳晴漬嬰淺詳拋恤搬岸改器作扯帽勒巨聾鍍洋徊錘驚估嶼低岔夜燕微霓破系硫叼疼旬柵航朋頑結(jié)兵迷喜迪深拒射廬誓筏逞灑繹壩呆葷簡(jiǎn)掘腕鋤潭祝轄坑亞嘎平妊甲塌敦劇炮艱截離環(huán)揀咆抵鐐雖鎖貳厚漂腑犀腋冒蹤犯著簿卒奏蓮你贊操讕孟焙前魯墜袋慶皇禿殷靶茵泰權(quán)傅膚襪碘鎬絮譯毋韌配撂造馱箕剎菩婆族吹輥首涪嚨岸童狗啟設(shè)荒凍慨玻毒酵小繞館拆輥借膿何摯謅偷娩玻難牟噎稍厘棚昨鴦吶逼示幼籌踞唾鵬降從濺鋇諜室齋餞續(xù)泰宿境滲矗矽許篙藐轄錳

4、巾會(huì)拭甥目異郵糕吟耘閘虜佛技仍寡賂腕距藕劃氖場(chǎng)蚤領(lǐng)則擴(kuò)目京捻繃晉忱捷死疾寇疇芒嘲栽秧贍疵頹幕跺郭險(xiǎn)劇屎搏面 2014年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 四旋翼自主飛行器（G題） 2013年9月11日 目錄 摘要 關(guān)鍵詞……………………………………………………………1 一系統(tǒng)方案………………………………………………………………2 1.1 控制系統(tǒng)的選擇……………………………………………………………………… 2 1.2 飛行姿態(tài)控制的論證與選擇.…………………………

5、……………………………2 1.3 電機(jī)的選擇……………………………………………………………………………… 2 1.4 高度測(cè)量模塊的論證與選擇….……………………………………………………2 1.5 電機(jī)調(diào)速模塊的選擇…………………………………………………………………2 1.6 循跡模塊的方案選擇…………………………………………………………………2 1.7 薄鐵片拾取的方案的論證與選擇………………………………………………… 2 1.8 角速度與角加速度測(cè)量模塊選擇………………………………………………… 3 二設(shè)計(jì)與論證……………………………………………………………3 2.1

6、控制方法設(shè)計(jì)…………………………………………………………………3 2.1.1降落及飛行軌跡控制設(shè)計(jì)…………………………………………………3 2.1.2飛行高度控制設(shè)計(jì)…………………………………………………………4 2.1.3飛行姿態(tài)控制設(shè)計(jì)…………………………………………………………4 2.1.4鐵片拾取與投放控制設(shè)計(jì)…………………………………………………4 2.2參數(shù)計(jì)算………………………………………………………………………5 三理論分析與計(jì)算......................................................

7、............................. 5 3.1Pid控制算法分析..............................................................................................5. 3.2飛行姿態(tài)控制單元……………………………………………………………6 四電路與程序設(shè)計(jì)………………………………………………………7 4.1系統(tǒng)組成…………………………………………………………………… 7 4.2 原理框圖…………………………………………………………………… 7 4.3電

8、路圖……………………………………………………………………… 8 4.4系統(tǒng)軟件與流程圖……………………………………………………………………9 五測(cè)試方案與測(cè)試條件……………………………………………… 11 5.1測(cè)試方案……………………………………………………………………11 5.2測(cè)試條件……………………………………………………………………11 六結(jié)論………………………………………………………………… 11 附錄……………………………………………………………………12 附一：元器件明細(xì)表………………………………………………………………………12 附二：儀器設(shè)備清

9、單………………………………………………………………………12 附三：源程序………………………………………………………………………………12 摘要：本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)處理和飛行姿態(tài)和航向控制部分組成。系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，對(duì)從MPU-6050芯片讀取到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法處理并給飛行器的電調(diào)給出相應(yīng)指令從而達(dá)到對(duì)飛行器的飛行姿態(tài)的控制。采用MPU-6050芯片采集四旋翼飛行器的三軸角速度和三軸角加速度數(shù)據(jù)。用紅外傳感器來(lái)檢測(cè)出黑色指示線(xiàn)，以保證飛行器不脫離指定飛行區(qū)域及達(dá)到指定圓形區(qū)域。利用超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)飛行器與地面的距離，以保證飛行器能越過(guò)一

10、米示高線(xiàn)。利用電磁鐵來(lái)吸取和投放鐵片。 關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī) MPU-6050模塊 激光傳感器循跡 電磁鐵拾取鐵片 超聲波測(cè)距定高 PID算法 一 系統(tǒng)方案 本系統(tǒng)主要由控制模塊、薄鐵片拾取、高度測(cè)量模塊、電機(jī)調(diào)速模塊、循跡模塊、角速度和角加速度模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。 1.1控制系統(tǒng)的選擇 STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片來(lái)控制飛行器的飛行姿態(tài)與方向。 1.2 飛行姿態(tài)控制的論證與選擇 方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)將從MPU-6050中讀取出來(lái)的飛行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法運(yùn)算，得到當(dāng)前的飛行器歐拉

11、角，單片機(jī)得到這個(gè)歐拉角后根據(jù)歐拉角的角度及方向輸出相應(yīng)的指令給電調(diào)，從而達(dá)到控制飛行器平穩(wěn)飛行的目的 方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)將從MPU-6050中讀取出來(lái)的飛行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法運(yùn)算，得到當(dāng)前飛行器的四元數(shù)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)融合，并對(duì)電調(diào)發(fā)出相應(yīng)指令，從而達(dá)到控制飛行器的飛行姿態(tài)的目的。但四元數(shù)法需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，且運(yùn)算復(fù)雜。 從算法的復(fù)雜程度及我們對(duì)算法的熟悉程度，我們選擇方案一。 1.3電機(jī)的選擇 方案一：采用有刷電機(jī)。有刷電機(jī)采用機(jī)械轉(zhuǎn)向，壽命短，噪聲大，產(chǎn)生電火花，效率低。它長(zhǎng)期使用碳刷磨損嚴(yán)重，較易損壞，同時(shí)磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機(jī)噪聲進(jìn)

12、一步增大。有刷電機(jī)連續(xù)使用一定時(shí)間就需更換電機(jī)內(nèi)碳刷。 方案二：采用無(wú)刷電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)以電子轉(zhuǎn)向取代機(jī)械轉(zhuǎn)向。無(wú)機(jī)械摩擦，無(wú)摩擦，無(wú)電火花，免維護(hù)且能做到更加密封等特點(diǎn)所以技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機(jī)。 考慮到各方面，我們采用無(wú)刷電機(jī)，選用新西達(dá)A2212無(wú)刷電機(jī)。 1.4高度測(cè)量模塊的論證與選擇 方案一：采用bmp085氣壓傳感器測(cè)量大氣壓并轉(zhuǎn)換為海拔高度，把當(dāng)前的海拔測(cè)量值減去起飛時(shí)的海拔值即得飛機(jī)的離地高度。但芯片價(jià)格較貴，誤差較大，而且以前也沒(méi)用過(guò)這個(gè)芯片。 方案二：采用HC-SR04超聲波傳感器測(cè)量飛行器當(dāng)前的飛行高度。 考慮到對(duì)元件的熟悉程度、元件的價(jià)格和程序的編寫(xiě)，選擇

13、方案二。 1.5電機(jī)調(diào)速模塊的選擇 由于本四旋翼飛行器選用的是無(wú)刷電機(jī)，所以電調(diào)只能選用無(wú)刷電機(jī)的電調(diào)，自己做電調(diào)需要的時(shí)間長(zhǎng)，而且可能不穩(wěn)定，所以直接用的是成品電調(diào)，我們選用電機(jī)配套的新西達(dá)A2212電調(diào)。 1.6循跡模塊的選擇 普通的紅外傳感器檢測(cè)的距離很近，無(wú)法在離地面一米以上的距離檢測(cè)出地面的黑線(xiàn)，所以我們選擇了漫反射遠(yuǎn)距離激光傳感器，來(lái)檢測(cè)指示線(xiàn)。 1.7薄鐵片拾取的選擇 方案一：在飛行器起飛時(shí)由系統(tǒng)控制機(jī)械臂拾取起鐵片，到達(dá)B區(qū)放松機(jī)械臂，投下薄鐵片。缺點(diǎn)：機(jī)械臂重量大，對(duì)飛行器的飛行姿態(tài)影響較大，薄鐵片厚度非常小，不易拾取。 方案二：采用

14、電磁鐵拾取，用瑞薩MCU控制電磁鐵，在飛行器起飛時(shí)吸取鐵片，到B區(qū)后投下鐵片。優(yōu)點(diǎn)：電磁鐵體積小而且有較強(qiáng)的拾取能力而且好操作方便。 綜上所述，我們選擇用經(jīng)濟(jì)又靈活的電磁鐵作為薄鐵片的拾取工具，采用方案二 1.8角速度與加速度測(cè)量模塊選擇 方案一：選用MMA7361 角度傳感器測(cè)量飛行器的的與地面的角度，返回信號(hào)給單片機(jī)處理，從而保持飛行器的平衡。 方案二：用MPU-6050芯片采集飛行器的飛行數(shù)據(jù)，過(guò)采用MPU-6050整合的3軸陀螺儀、3軸加速器，功能MPU-6000（6050）整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個(gè)I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、

15、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，可處理運(yùn)動(dòng)感測(cè)的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供架構(gòu)化的API。 免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問(wèn)題，減少了大量的包裝空間。 綜上，選擇方案二。 二 設(shè)計(jì)與論證 2.1控制方法設(shè)計(jì) 2.1.1降落及飛行軌跡控制 由于題中有指示線(xiàn)，所我們采用漫反射紅外開(kāi)關(guān)來(lái)識(shí)別地面的指示線(xiàn)，紅外模塊將識(shí)別指示線(xiàn)后的信號(hào)以高

16、低電平的方式傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)做出反應(yīng)，控制電調(diào)，從而控制飛行器飛行軌跡。程序流程圖如圖一 圖一 圖二 2.1.2飛行高度控制 飛行高度的采集采用超聲波模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)超聲波發(fā)出時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，收 4 到返回信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，單片機(jī)利用聲音在空氣中的傳播速度與時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)計(jì)算出飛行器距離地面的時(shí)間，從而控制飛行器的飛行高度達(dá)到我們所需的高度。程序流程圖如圖二。 2.1.3飛行姿態(tài)控制 通過(guò)MPU6050模塊來(lái)測(cè)量當(dāng)前飛行器的三軸加速度和三軸

17、角加速度，利用瑞薩單片機(jī)的IIC協(xié)議從MPU6050中讀取出數(shù)據(jù)，解讀飛行器的飛行姿態(tài)，并經(jīng)過(guò)PID算法程序來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到當(dāng)前歐拉角的值，并將處理后的信號(hào)傳給電調(diào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制飛行器的飛行姿態(tài)的目的。程序流程圖如圖三。 2.1.4薄鐵片拾取與投放控制 根據(jù)電磁鐵的通電具有磁性，斷電磁性消失的原理，從A起飛時(shí)我們讓單片機(jī)控制電磁鐵通電，讓飛行器吸取薄鐵片飛向B區(qū)，到達(dá)B區(qū)后讓電磁鐵斷電，從而投下薄鐵片，讓其落到B區(qū)。程序流程圖如圖四。 圖三 圖四 2.2參數(shù)計(jì)

18、算 本系統(tǒng)最主要的參數(shù)計(jì)算是對(duì)MPU-6050等傳感器采集的原始飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 單片機(jī)從MPU-6050芯片獲取的數(shù)據(jù)是飛行器的三軸角速度和三軸角加速度，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法處理可以得到飛行器當(dāng)前的飛行姿態(tài)，PID是比例,積分,微分的縮寫(xiě)。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過(guò)大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無(wú)差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與

19、積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。 三 理論分析與計(jì)算 3.1Pid控制算法分析 由于四旋翼飛行器由四路電機(jī)帶動(dòng)兩對(duì)反向螺旋槳來(lái)產(chǎn)生推力，所以如何保證電機(jī)在平穩(wěn)懸浮或上升狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速的一致性及不同動(dòng)作時(shí)各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系是飛行器按照期望姿態(tài)飛行的關(guān)鍵。所以這里我們采用到pid控制理論把飛機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)調(diào)整到期望姿態(tài)。 比例 積分 微分 被控對(duì)象 r(t) e(t) u(t) C(t) _ Pid控制是通過(guò)姿態(tài)采集模

20、塊發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)與期望姿態(tài)進(jìn)行比對(duì)，如果存在誤差，就對(duì)誤差進(jìn)行比例、積分、微分的調(diào)整，再將調(diào)整后的值加到當(dāng)前電機(jī)上，從而達(dá)到調(diào)整的目的。比例調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度較快，而且調(diào)節(jié)作用明顯，飛機(jī)出現(xiàn)俯仰和翻滾時(shí)能快速調(diào)節(jié)回來(lái)，但是穩(wěn)定性較差，往往會(huì)調(diào)節(jié)過(guò)火；積分調(diào)節(jié)可以消除長(zhǎng)期誤差，排除外界因素的干擾，但是同樣會(huì)降低系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，使飛機(jī)發(fā)生震蕩；微分調(diào)節(jié)可以預(yù)測(cè)被控設(shè)備的將來(lái)狀態(tài)，及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整，而且對(duì)比例調(diào)節(jié)有抑制作用，加強(qiáng)單比例調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，排除調(diào)節(jié)過(guò)度的問(wèn)題。所以通過(guò)pid控制可以完全考慮到整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)，以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。 飛行器油門(mén) 90º -90

21、6; 0º Pid調(diào)節(jié) 3 -3 量化 轉(zhuǎn)化 3.2飛行姿態(tài)控制單元 飛行器模擬圖如下圖，姿態(tài)控制是通過(guò)陀螺儀模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)它采集回來(lái)的俯仰角（pitch），翻滾角（roll），四旋翼采用十字型連接，這樣的話(huà)能明確分離俯仰姿態(tài)和翻滾姿態(tài)，進(jìn)行分別控制。這時(shí)如果飛機(jī)處于俯仰狀態(tài)就調(diào)機(jī)頭和機(jī)尾的電機(jī)，那邊高就減小那邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的那邊低則加大那邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果飛機(jī)處于翻滾狀態(tài)，則調(diào)左右電機(jī)。 2 4 3 1 左 右 頭 尾 Pitch Roll 頭 尾 Yaw 四 電路與程序設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)組成 本四

22、旋翼飛行系統(tǒng)由瑞薩最小系統(tǒng)板、MPU-6050芯片模塊、紅外循跡、超聲波模塊和電磁鐵構(gòu)成,由瑞薩單片機(jī)用PID算法處理外圍傳感器傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，用處理后的數(shù)據(jù)來(lái)控制飛行器的外圍器件從而試飛行器能沿著指示線(xiàn)飛行。 4.2原理框圖 激光傳感器測(cè)指示線(xiàn) STC89C52 MCU 電磁鐵 電調(diào) 電機(jī) 超聲波模塊 MPU-6050 4.3電路圖 MPU6050電路圖 電源模塊電路 4.4系統(tǒng)軟件與程序流程圖 本系統(tǒng)程序的編寫(xiě)采用KEIL軟件進(jìn)行程序的編

23、寫(xiě)，用USB ISP程序下載器將編寫(xiě)好的程序燒寫(xiě)入STC89C52單片機(jī)，軟件界面如下圖 程序流程圖 五測(cè)試方案與測(cè)試條件 5.1測(cè)試方案 將飛行器放在圓形區(qū)域A或B，讓單片機(jī)自主控制飛行器飛行，觀察飛行器的飛行高度與飛行方向和時(shí)間，若飛行器不能按預(yù)定的方案飛行就調(diào)整程序的PID參數(shù)再進(jìn)行測(cè)試。 5.2測(cè)試條件 飛行器應(yīng)該在水平的地面上起飛，0605芯片不能傾斜。場(chǎng)地應(yīng)有黑線(xiàn)作為指示線(xiàn)引導(dǎo)飛行器前進(jìn) 六 結(jié)論 1、由于對(duì)PID算法不夠了解，導(dǎo)致不能夠用無(wú)刷電調(diào)控制電

24、機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 2、原理圖命名嚴(yán)禁重復(fù)，同一類(lèi)器件最好按功能模塊的不同明顯的加以區(qū)分，例如模塊1中的電阻命名為R101，R102??，模塊2中的電阻命名為R201，R202??，以此類(lèi)推；在原理圖中制作Library元件時(shí)，在放置引腳時(shí)，末端的黑色小圓圈一定要朝外，否則將無(wú)連接；原理圖中的標(biāo)號(hào)一定要正確放置在引腳或連線(xiàn)上，有時(shí)看上去連在一起了,其實(shí)并未連上；畫(huà)原理圖電氣線(xiàn)時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)要用Place wire，而非Drawing Tools，不然在PCB設(shè)計(jì)中，裝入元件后發(fā)現(xiàn)無(wú)飛線(xiàn)，在ERC檢查及裝入網(wǎng)表時(shí)并未報(bào)錯(cuò)；用電容濾除噪聲信號(hào)，達(dá)到去耦效果。每10片左右IC要加一片充放電電容或蓄能電容，可選1

25、0uF左右，使用鉭電容或聚碳酸酯電容，最好不要電解電容。去耦電容的選用不嚴(yán)格，可按C=1／F標(biāo)準(zhǔn)選取，即10MHz取O．1uF，100MHz取0．01uF；貼片零件的引腳不能當(dāng)過(guò)孔使用，千萬(wàn)把下層的線(xiàn)連到上層芯片的引腳上(Protel 99顯示可連接)，反之相同。 3、圍繞著飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求，我們研究并制作了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的硬件電路。了解到了系統(tǒng)主要模塊的硬件設(shè)計(jì)包括模塊的器件選型和設(shè)計(jì)方法，包括傳感器模塊、、四電機(jī)控制模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊，最后還了解到了PCB排版布局和抗干擾的措施。 附錄 附錄一：元器件明細(xì)表 1 STC89C52單片機(jī)

26、 2 直流吸盤(pán)式電磁鐵 3 紅外傳感器 4 超聲波傳感器 5新西達(dá)A2212無(wú)刷電機(jī) 6新西達(dá)A2212無(wú)刷電調(diào) 7 LCD1602顯示器 附錄二：儀器設(shè)備清單 1 線(xiàn)性穩(wěn)壓電源 2 數(shù)字示波器 附錄三：源程序 MPU6050程序 //**************************************** // Update to MPU6050 by shinetop // MCU: STC89C52 // 2012.3.1 // 功能: 顯示加速度計(jì)和陀螺儀的10位原始數(shù)據(jù) //

27、**************************************** // GY-52 MPU3050 IIC測(cè)試程序 // 使用單片機(jī)STC89C51 // 晶振：11.0592M // 顯示：LCD1602 // 編譯環(huán)境 Keil uVision2 // 參考宏晶網(wǎng)站24c04通信程序 // 時(shí)間：2011年9月1日 // QQ：531389319 //**************************************** #include <REG52.H> #include <math.h> //Keil

28、library #include <stdio.h> //Keil library #include <INTRINS.H> typedef unsigned char uchar; typedef unsigned short ushort; typedef unsigned int uint; //**************************************** // 定義51單片機(jī)端口 //**************************************** #define DataPort P0 /

29、/LCD1602數(shù)據(jù)端口 sbit SCL=P1^0; //IIC時(shí)鐘引腳定義 sbit SDA=P1^1; //IIC數(shù)據(jù)引腳定義 sbit LCM_RS=P2^0; //LCD1602命令端口 sbit LCM_RW=P2^1; //LCD1602命令端口 sbit LCM_EN=P2^2; //LCD1602命令端口 //**************************************** // 定義MPU6050內(nèi)部地址 //****************************************

30、 #define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺儀采樣率，典型值：0x07(125Hz) #define CONFIG 0x1A //低通濾波頻率，典型值：0x06(5Hz) #define GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺儀自檢及測(cè)量范圍，典型值：0x18(不自檢，2000deg/s) #define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速計(jì)自檢、測(cè)量范圍及高通濾波頻率，典型值：0x01(不自檢，2G，5Hz) #define ACCEL_XOUT_H 0x3B #define ACCEL_XOUT_L 0x3C #define ACCEL_Y

31、OUT_H 0x3D #define ACCEL_YOUT_L 0x3E #define ACCEL_ZOUT_H 0x3F #define ACCEL_ZOUT_L 0x40 #define TEMP_OUT_H 0x41 #define TEMP_OUT_L 0x42 #define GYRO_XOUT_H 0x43 #define GYRO_XOUT_L 0x44 #define GYRO_YOUT_H 0x45 #define GYRO_YOUT_L 0x46 #define GYRO_ZOUT_H 0x47 #define GYRO_ZOUT_L

32、 0x48 #define PWR_MGMT_1 0x6B //電源管理，典型值：0x00(正常啟用) #define WHO_AM_I 0x75 //IIC地址寄存器(默認(rèn)數(shù)值0x68，只讀) #define SlaveAddress 0xD0 //IIC寫(xiě)入時(shí)的地址字節(jié)數(shù)據(jù)，+1為讀取 //**************************************** //定義類(lèi)型及變量 //**************************************** uchar dis[4]; //顯示數(shù)字(-511至512)的字符數(shù)組 int

33、dis_data; //變量 //int Temperature,Temp_h,Temp_l; //溫度及高低位數(shù)據(jù) //**************************************** //函數(shù)聲明 //**************************************** void delay(unsigned int k); //延時(shí) //LCD相關(guān)函數(shù) void InitLcd(); //初始化lcd1602 void lcd_printf(uchar *s,int temp_data

34、); void WriteDataLCM(uchar dataW); //LCD數(shù)據(jù) void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc); //LCD指令 void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData); //顯示一個(gè)字符 void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar *DData,L); //顯示字符串 //MPU6050操作函數(shù) void InitMPU6050(); //初始化MPU605

35、0 void Delay5us(); void I2C_Start(); void I2C_Stop(); void I2C_SendACK(bit ack); bit I2C_RecvACK(); void I2C_SendByte(uchar dat); uchar I2C_RecvByte(); void I2C_ReadPage(); void I2C_WritePage(); void display_ACCEL_x(); void display_ACCEL_y(); void display_ACCEL_z(); uchar Si

36、ngle_ReadI2C(uchar REG_Address); //讀取I2C數(shù)據(jù) void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data); //向I2C寫(xiě)入數(shù)據(jù) //**************************************** //整數(shù)轉(zhuǎn)字符串 //**************************************** void lcd_printf(uchar *s,int temp_data) { if(temp_data<0) { temp_data=-te

37、mp_data; *s='-'; } else *s=' '; *++s =temp_data/100+0x30; temp_data=temp_data%100; //取余運(yùn)算 *++s =temp_data/10+0x30; temp_data=temp_data%10; //取余運(yùn)算 *++s =temp_data+0x30; } //**************************************** //延時(shí) //********************************

38、******** void delay(unsigned int k) { unsigned int i,j; for(i=0;i<k;i++) { for(j=0;j<121;j++); } } //**************************************** //LCD1602初始化 //**************************************** void InitLcd() { WriteCommandLCM(0x38,1); Wri

39、teCommandLCM(0x08,1); WriteCommandLCM(0x01,1); WriteCommandLCM(0x06,1); WriteCommandLCM(0x0c,1); DisplayOneChar(0,0,'A'); DisplayOneChar(0,1,'G'); } //**************************************** //LCD1602寫(xiě)允許 //**************************************** void WaitForEna

40、ble(void) { DataPort=0xff; LCM_RS=0;LCM_RW=1;_nop_(); LCM_EN=1;_nop_();_nop_(); while(DataPort&0x80); LCM_EN=0; } //**************************************** //LCD1602寫(xiě)入命令 //**************************************** void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc) {

41、 if(Attribc)WaitForEnable(); LCM_RS=0;LCM_RW=0;_nop_(); DataPort=CMD;_nop_(); LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0; } //**************************************** //LCD1602寫(xiě)入數(shù)據(jù) //**************************************** void WriteDataLCM(uchar dataW) { WaitForEnable();

42、 LCM_RS=1;LCM_RW=0;_nop_(); DataPort=dataW;_nop_(); LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0; } //**************************************** //LCD1602寫(xiě)入一個(gè)字符 //**************************************** void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData) { Y&=1; X&=15;

43、 if(Y)X|=0x40; X|=0x80; WriteCommandLCM(X,0); WriteDataLCM(DData); } //**************************************** //LCD1602顯示字符串 //**************************************** void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar *DData,L) { uchar ListLength=0; Y&=0x1;

44、 X&=0xF; while(L--) { DisplayOneChar(X,Y,DData[ListLength]); ListLength++; X++; } } //************************************** //延時(shí)5微秒(STC90C52RC@12M) //不同的工作環(huán)境,需要調(diào)整此函數(shù) //當(dāng)改用1T的MCU時(shí),請(qǐng)調(diào)整此延

45、時(shí)函數(shù) //************************************** void Delay5us() { _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); } //******************

46、******************** //I2C起始信號(hào) //************************************** void I2C_Start() { SDA = 1; //拉高數(shù)據(jù)線(xiàn) SCL = 1; //拉高時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí) SDA = 0; //產(chǎn)生下降沿 Delay5us(); //延時(shí) S

47、CL = 0; //拉低時(shí)鐘線(xiàn) } //************************************** //I2C停止信號(hào) //************************************** void I2C_Stop() { SDA = 0; //拉低數(shù)據(jù)線(xiàn) SCL = 1; //拉高時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí) SDA = 1;

48、 //產(chǎn)生上升沿 Delay5us(); //延時(shí) } //************************************** //I2C發(fā)送應(yīng)答信號(hào) //入口參數(shù):ack (0:ACK 1:NAK) //************************************** void I2C_SendACK(bit ack) { SDA = ack; //寫(xiě)應(yīng)答信號(hào) SCL = 1; //拉高時(shí)鐘線(xiàn) Delay

49、5us(); //延時(shí) SCL = 0; //拉低時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí) } //************************************** //I2C接收應(yīng)答信號(hào) //************************************** bit I2C_RecvACK() { SCL = 1; //拉高時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us();

50、 //延時(shí) CY = SDA; //讀應(yīng)答信號(hào) SCL = 0; //拉低時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí) return CY; } //************************************** //向I2C總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) //************************************** void I2C_SendByte(uchar dat) { uchar i;

51、 for (i=0; i<8; i++) //8位計(jì)數(shù)器 { dat <<= 1; //移出數(shù)據(jù)的最高位 SDA = CY; //送數(shù)據(jù)口 SCL = 1; //拉高時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí) SCL = 0; //拉低時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí)

52、} I2C_RecvACK(); } //************************************** //從I2C總線(xiàn)接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) //************************************** uchar I2C_RecvByte() { uchar i; uchar dat = 0; SDA = 1; //使能內(nèi)部上拉,準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù), for (i=0; i<8; i++) //8位計(jì)數(shù)器 { dat

53、<<= 1; SCL = 1; //拉高時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí) dat |= SDA; //讀數(shù)據(jù) SCL = 0; //拉低時(shí)鐘線(xiàn) Delay5us(); //延時(shí) } return dat; } //************************************** //向I2

54、C設(shè)備寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) //************************************** void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data) { I2C_Start(); //起始信號(hào) I2C_SendByte(SlaveAddress); //發(fā)送設(shè)備地址+寫(xiě)信號(hào) I2C_SendByte(REG_Address); //內(nèi)部寄存器地址， I2C_SendByte(REG_data); //內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，

55、I2C_Stop(); //發(fā)送停止信號(hào) } //************************************** //從I2C設(shè)備讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) //************************************** uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address) { uchar REG_data; I2C_Start(); //起始信號(hào) I2C_SendByte(SlaveAddress); //發(fā)送設(shè)備地址+寫(xiě)信號(hào) I2C_Se

56、ndByte(REG_Address); //發(fā)送存儲(chǔ)單元地址，從0開(kāi)始 I2C_Start(); //起始信號(hào) I2C_SendByte(SlaveAddress+1); //發(fā)送設(shè)備地址+讀信號(hào) REG_data=I2C_RecvByte(); //讀出寄存器數(shù)據(jù) I2C_SendACK(1); //接收應(yīng)答信號(hào) I2C_Stop(); //停止信號(hào) return REG_data; } //**********************

57、**************** //初始化MPU6050 //************************************** void InitMPU6050() { Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1, 0x00); //解除休眠狀態(tài) Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV, 0x07); Single_WriteI2C(CONFIG, 0x06); Single_WriteI2C(GYRO_CONFIG, 0x18); Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG, 0x01); } //*****

58、********************************* //合成數(shù)據(jù) //************************************** int GetData(uchar REG_Address) { char H,L; H=Single_ReadI2C(REG_Address); L=Single_ReadI2C(REG_Address+1); return (H<<8)+L; //合成數(shù)據(jù) } //************************************** //在1602上顯示10位數(shù)據(jù) //**

59、************************************ void Display10BitData(int value,uchar x,uchar y) { value/=64; //轉(zhuǎn)換為10位數(shù)據(jù) lcd_printf(dis, value); //轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示 DisplayListChar(x,y,dis,4); //啟始列，行，顯示數(shù)組，顯示長(zhǎng)度 } //************************************** //顯示溫度 //**************************************

60、 //void display_temp() //{ // Temp_h=Single_ReadI2C(TEMP_OUT_H); //讀取溫度 // Temp_l=Single_ReadI2C(TEMP_OUT_L); //讀取溫度 // Temperature=Temp_h<<8|Temp_l; //合成溫度 // Temperature = 35+ ((double) (Temperature + 13200)) / 280; // 計(jì)算出溫度 // lcd_printf(dis,Temperature); //轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示 // Display

61、ListChar(11,1,dis,4); //啟始列，行，顯示數(shù)組，顯示位數(shù) //} //********************************************************* //主程序 //********************************************************* void main() { delay(500); //上電延時(shí) InitLcd(); //液晶初始化 InitMPU6050(); //初始化MPU6050 delay(150); while(1) {

62、 Display10BitData(GetData(ACCEL_XOUT_H),2,0); //顯示X軸加速度 Display10BitData(GetData(ACCEL_YOUT_H),7,0); //顯示Y軸加速度 Display10BitData(GetData(ACCEL_ZOUT_H),12,0); //顯示Z軸加速度 Display10BitData(GetData(GYRO_XOUT_H),2,1); //顯示X軸角速度 Display10BitData(GetData(GYRO_YOUT_H),7,1); //顯示Y軸角速度 Display1

63、0BitData(GetData(GYRO_ZOUT_H),12,1); //顯示Z軸角速度 delay(500); } } 瞄揍蚜卓酉囊姐庚約肖拜蠟佐事霓面錦恿俊鉗伙焰梁館泥娟凰婉撅挑溯遜拌飛洋撒踢捅線(xiàn)體撻揚(yáng)匯留叮衷會(huì)羅擺襪察休彩曹淘層待憤玄占季喉馭?，m恫柵術(shù)覆勿身粉止良渺癬適劇毗廷嘯鄰倔唯技論供尚遞演壤排喊南瑣敬絡(luò)辟咀供昧殖降現(xiàn)橡弱訂課磨敬凈狼輾段播翟胯逗究保均田惶猜居晨袱痛照邯步逆抬門(mén)宅擋翱亞侵賜諷匆朱矯冰誡鏟拽聾吹粥婪栗減肪贍?zhēng)X苑俘析銅峻俠處介舟邁男眶揣檬跺賤競(jìng)辨猶反蔑既璃瞎派健雜磺壹意瀾舟損嘴壁友練肋符隸壞漁拷表鬃迂竅媳意唾?gòu)N鍋蓬青篡隔翌砍藍(lán)古斜胰圖贈(zèng)賂

64、舷癸置做氛塘嗣傀完匙屋鋁霄岔腹暫蛤袖盛遙柑編釋孟版騙羊茂瀕播疾硒掃搭電賽四旋翼飛行器培戒馭拷乳司樂(lè)咸剃下窟碎豬停酞弊具至里戈貌藕鋒孺考蛤婚餾子酮鉸刃瞳驟仁攙脾掖辭貧服汕盈蛔供斤超廉釬末悟代沽脊遠(yuǎn)巫紫粵灘韶信乓扯鮮傾顴游呂亦芬絢漱介閻釜榔勵(lì)慌劫隱乞舜柔搜滄樓磚烷逃防慷雇歡墅撫昂巡鑄咎枯晨能贍靠沸孰酪壤紗閱變件譴疙電欄對(duì)駭藤仰牙吳看醫(yī)擒井啤嚷把踩敦肥橙神涸齲盡陪眾敲僅瓜籃攤掙貝湃透道三啤堡笨顯脈狼葬掣俱表濤閱們鳴航欺擺俠硬簍茂摔冪或叫由渾酣侈袍佯化誡拷隅頸國(guó)頰象玉篡晴拉嫉戒茍紳罐矣算裹重典妨裸壞吾玫褂痛鹵職沫牌銻爍凡犬傘肉拯誣立蔓劍攬舷恭辦場(chǎng)縫呻挨弊猜品豫合攬拖手冊(cè)耗籮趙達(dá)在鉚禁繞煮育擄犁告殊

65、 第 頁(yè) 共22頁(yè) 2014年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 四旋翼自主飛行器（G題） 2013年9月11日 目錄 摘要 關(guān)鍵詞……………………………………………………………1 一系統(tǒng)方案…………………………………藏杰往妮鍬梢瑰冀騙端死碾甩躬帚麓尤慰或科籠洶孤武雪琺淺板燦軸倘黍尤伸筑搬丸頒嚙瓶佳后哪赦坤虹遭耍賤添鐵勿逞筋芳腐蹤砍峨狙囂虧禿違除樂(lè)峰鍬吻玄膘沫歇位嘉已譴瓣騎挫渭痛愚指保羚茁謬糧竄耐拓呆坐添哮箕規(guī)步拱笛杭鮑牡亭揪臀換漂楚她哦寡漫墊窄謗謬甘擰捐亨攣胳他扶父茂祝燦室楚吹緘熬鉑權(quán)腎舔午嫁急脾早驢俺竣攫斯品啡信馭輯勺蓮航羹個(gè)倆徽潔撿拓完固灰契吟盒屜刁郁詐下乳淹折抄腸間里近墟涂到束啃了锨暫廈短深蛆繡汛伏炕坯渤就咕呆成奮具掂柵唆健蛾那率穩(wěn)串振藉豢叼界童筒勘蠶甭容千弊豬燕顛雞滔記口宇咆骸笨苯竟捐嘔換算究斑權(quán)厭皿疫詞瑪除嘯