基于单片机的四轴飞行器设计及仿真

摘 要四轴飞行器具备飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦查和监视，获取不易获取的情报。能执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡捡，大型化工现场等人工不容易达到的空间作业。因此，四轴飞行器的研究意义重大。本文主要讨论四轴飞行器的设计实现、建模分析与控制器设计。首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的发展现状，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理论进行的研究方法和取得的结果。其次是给出本次毕业设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。文中着重从机械结构与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的设计。文中详细分析了机械结构设计中的元器件选型，实现了一个切实可用，能满足应用研究的四轴飞行器模型。之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，在此基础上进行动力学分析，建立四轴飞行器的动力学模型。通过软件设计实现飞行控制器方案，并通过protues软件践行模拟仿真以讨论其可行性。关键词：四轴飞行器；单片机；飞行控制器；无人机ABSTRACTThe Keywords: Four aircraft; SCM; Flight controller; UAV目 录1. 绪论11.1 国内外研究现状.11.2 本文研究目的及意义.21.3 本文的主要内容.32. 机械结构设计42.1 元器件的选择.42.1.1 四轴飞行器基本工作原理.42.1.2 旋翼和机架的确定.52.1.3 其他小部件的选择.52.2 电机.62.3 总体结构.73. 硬件设计103.1 概述.113.2 硬件电路的设计与选型.113.2.1 飞行控制系统结构.113.2.2 单片机选型及介绍.123.2.3 电机驱动电路.143.2.4 无线通讯与遥控.173.2.5 电源电路设计.183.3 硬件部分整体电路图.194. 软件设计及调试分析204.1 PWM调速原理分析.204.2 调速部分设计及分析.224.3 红外遥控系统的程序设计.264.3.1 红外发射部分.264.3.2 红外接收部分.284.3.3 键盘设计.315. 调试分析.335.1 Protues简介.335.2调试结果分析.37结束语.38致 谢.39参考文献.40附录A：外文原文.41附录B：中文翻译.51附录C：程序源代码.551 绪 论1.1 国内外研究现状四轴飞行器是无人飞行器的一种，也就是智能机器人，四轴指飞行器的动力是由四个旋翼式的飞行引擎提供。人们对于四轴飞行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。近几十年来，随着现代控制理论与电子控制技术的发展，运用现代控制技术，使用电机代替油动力引擎进行飞行器控制研究。四轴飞行器不需要专门的反扭矩桨，可以通过反扭矩作用使飞行器扭矩平衡。四轴飞行器的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它为为小型无人机的研究和设计创造了新的条件，提供了新的思路。当今国内外针对四轴飞行器的研究都处于快速发展的阶段。随着纳米科技与制造业的迅猛发展以及MEMS的蓬勃兴起，四轴飞行器的发展必定会朝着越来越实用化的道路进行。现在看来，四轴飞行器的研究还存在着许多亟待解决的技术难点问题，甚至有些问题很难在短时间内找到合理的解决方法。因此，现阶段能做的就是利用现阶段已经掌握的技术，尽最大可能解决现在面临的问题，只有这样才能使微小型无人机方面的研究不断前进。四轴飞行器的研究领域十分广阔，并且其研究范畴随着研究的不断深入还在继续扩大，而对其中的部分技术问题开展一些探索性研究工作也是本课题的目的所在。揭开了近代航空发展史的序幕的，是美国的莱特兄弟，他们是于1903年成功研制出了世界上第一架能真正载人飞行的动力飞机。人类对四轴飞行器的研究与探索也开始于那个时代。但在很长一段时间内，四轴飞行器的研究由于科技发展程度以及理论知识的制约，并未能取得很好的发展与足够的重视。纵览整个20世纪，也并没有多少多轴飞行器被真正设计。早在上个世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。近些年来，国际上针对四轴飞行器已经有很多的研究案例与研究成果，然而我国对四轴飞行器的研究成果还很少。很多国内高校开展了关于四轴飞行器方面的研究工作，研究成果主要有北京理工大学的智能机器人研究所、国防科技大学机器人实验室和上海交通大学的微纳米科学技术研究所等在做这方面的相关工作。从四轴飞行器的发展现状来看我国在该领域与发达国家的差距还很大，必须加大自身的研发力度，开展自主研发工作。1.2 本文研究目的及意义四轴飞行器属旋翼飞行器，具有操作简单、控制灵活，便于起降，可以悬停等优点，它小巧的体积可以适应于很多的用途。四轴飞行器在结构上较单一直升机相比，结构紧凑、能产生更大的升力，同时可以通过反扭矩作用使飞行器平衡，不需要专门的反扭矩旋翼，悬停性能更加良好，易于控制，对于操作者的要求不高等特点，这对于广泛的应用推广具有重要的意义，在民用和军事领域都有广泛的应用前景，因此对于四轴飞行器的研究具有重大的现实意义。随着科技的发展，人们生活的节奏也越来越快，随之人们对方便，快捷的要求也随之不断增高。遥控器的出现，在一定程度上满足了人们这个要求。遥控器是由高产的发明家Robert Adler在五十年代发明的。而红外遥控是20世纪70年代才开始发展起来的一种远程控制技术，其原理是利用红外线来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制，具体来讲，就是有发射器发出红外线指令信号，有接收器接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。红外遥控具有独立性、物理特性与可见光相似性、无穿透障碍物的能力及较强的隐蔽性等特点。随着红外遥控技术的开发和迅速发展，很多地方都应用了红外遥控，而飞行器也不例外。从单纯的在飞行器控制面板上通过按钮控制，到10米以上远距离的遥控，虽然改变不大，但其带来的便利无疑是巨大的。而红外遥控技术的成熟，也使得遥控器控制飞行器变得设计简单，价格低廉。小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需改变四个马达的转速即可实现控制，飞行机动能力灵活。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有小区域范围内起飞、盘旋，飞行、着陆的能力。小型四旋翼飞行器研究也为自动控制以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。本设计主要通过单片机识别遥控器发出的信号对四个直流小电机进行速度控制，由电机带动四个旋翼旋转，实现飞行器的加速、减速、升降、前后左右移动等功能。内容涉及力学分析、直流电机驱动、微型计算机控制等学科领域。通过创建模型并编写程序，在仿真软件上进行仿真模拟飞行器的飞行状态，验证设计的合理性。设计主要实现以下主要功能：1. 基于单片机控制飞行器启停、加减速、前进后退、左右侧飞以及左右转；2. 通过红外遥控部分能够将键盘的信息有效的传递到微控制器上。1.3 本次设计的主要内容本次毕业设计的主要设计内容是飞行器的整体设计，主要有机械部分、硬件部分和软件三部分。首先是机械部分的结构设计，在文中的第二章中主要介绍的就是这部分内容，机械部分有螺旋桨、机架和电机三部分构成。第二部分是硬件部分的总体设计，这部分内容涉及到对飞行器的单片机控制、整体的电路图设计以及基于单片机的红外遥控部分的设计，这部分内容的重点是单片机对直流电机的控制，只有控制逻辑正确才能让飞行器稳定的飞行。而对于红外遥控部分的设计，在设计中对红外信号的发射和接收进行了简单的设计，采用码分制的方法确保红外信号发出的能被准确的接收到，并且完成相应的操作。第三部分是软件编程、流程图和仿真调试的运行，软件编程采用的是单片机C语言进行编写的，流程图是对程序运行的一种顺序表示，表达出程序是如何运行下去的，仿真调试部分是利用Keil C51和Protues仿真结合在一起进行仿真的。总之，整体设计结构就如上文所述，本次设计是采用成熟的技术，简单的方法实现单片机在飞行控制方面的应用，通过仿真运行结果可以看见设计的思想在理论上是可以的，但是还缺少实践，以后希望有机会再深入研究。2 机械结构设计2.1 元器件的选择本结构的设计主要为飞行器的机械部分结构设计，首先要进行设计中所需的零部件的选择，根据四轴飞行器的基本原理和结构，所需的元件主要有支架、四个直流小电机、两个正向旋翼两个反向旋翼、一个PCB电路板、四个电机驱动芯片，本部分主要是对支架、电机和旋翼进行选择。2.1.1 飞行器基本工作原理在确定飞行器的模型之前查阅了大量的资料，结合前人的研究成果和经验教训，最终确定飞行器的机械结构呈十字形交叉固定的四根主轴组成，在主轴的四个端点处安装四只旋翼，且四只旋翼处于同一水平面。飞行器的整体空间上呈现轴对称结构，其结构示意图如图2.1所示。图2.1 四轴飞行器控制原理图上图中逆时针方向分别为电机1，电机2，电机3与电机4。电机1与电机3逆时针旋转的同时，电机2与电机4顺时针旋转。各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，这样才能使飞行器平稳的飞行在空中。四轴飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。四只电机转速相同时，因为两对旋翼旋转方向相反，刚好可以使各自对机身产生的反扭矩得到抵消，使飞行器在旋转方向上达到平衡1。从整体上看，机体只受到向上的升力与其自身重力的作用。当同时增加四个电机的转速时，可以使得旋翼提供的上升的拉力增大，当总拉力大于飞行器自身重力的时候，四轴飞行器便离开地面垂直上升。反之，同时减小降低四只旋翼的转速时，旋翼提供的总的拉力减小，当总的拉力小于机身重力时，飞行器则垂直下降。因此，控制四轴飞行器垂直升降时应保证四个旋翼转速的同步增加或同步减小。当飞行器要转向右转向时，2,4号电机转速下降，1,3号电机转速上升，使向右的反扭矩大于向左的反扭矩，四轴在反扭矩的作用下向右旋转。反之，则实现四轴的左转。其他方式的运动原理与上述过程类似，四轴飞行器原理虽然简单，但实现起来还需要很多工作要做。2.1.2 旋翼和机架的确定四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的桨旋转方向是不一样的，本设计中共需要一对正桨和一对反桨。在选择螺旋桨的型号时要考虑到桨在旋转时所形成的圆的直径，在查阅了大量资料后确定螺旋桨的型号为1045。为了保证飞行器在飞行时四个螺旋桨之间不发生干扰，就需要对飞行器支架进行尺寸设计。以上可知螺旋桨直径为10英寸（1英寸=254毫米），一般对于机架的尺寸没有特殊的要求，只要保证在运动过程中各旋翼不发生干扰即可，所以本次设计中让机架长度为790毫米，轴距为750毫米，正好符合要求。2.1.3 其他小部件的选择由于四轴飞行器的机械结构比较简单，除了螺旋桨和机架外其余的一些小零件主要包括安装在个芯片上的螺钉，螺旋桨上的塑料帽。在选择螺钉时为了方便统一规格，按照标准均用M5x6.5规格的螺钉，塑料帽没有要求只要能把螺旋桨固定住就行，以防止在飞行过程中桨飞出造成损坏。2.2 电机根据供电方式，电动机分为直流和交流电动机。而直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。直流电动机包括旋转的电枢和静态的磁场。电枢中的电流，必须通过电刷来产生转动的力。静态磁场可以有绕线式电动机的励磁绕组或永磁电动机的永磁体来提供。绕线式电动机可分为三种类型：串励电动机的电枢和励磁绕组是串联的，这种电机具有很大的启动转矩和较高的空载转速，但它的调速性能较差；并励电动机的电枢和励磁绕组是并联的，这种电动机比串励电动机具有更好地调速性能；复励电动机既有串励励磁绕组又有并励励磁绕组，它综合了串励电机和并励电机的优点。永磁电动机使用永磁铁提供静态磁场，其转矩-速度曲线具有很好的线性，能进行很好的调速，所以本次设计选择了ZYN系列稀土永磁直流电机，其型号为70ZYN01，电机参数如下表：表2.1 电机参数转矩（Nm）转速（r/min）功率（W）电压（V）电流A（不大于）318.63000100246.5直流电机主要由磁极、电枢和换向器三部分组成，下面讨论一下直流电机的工作原理，我们可以把直流电机结构简化为图2.2所示的工作原理图。电机具有一对磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷A和电刷B。 图2.2 直流电机工作原理图直流电机再作电动机运行时，将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样才能使两个边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N(S)极下转到S(N)极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力方向不变。这个过程通过换向器就能实现。直流电机电枢绕组中的电流（电枢电流Ia）与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常用下式表示T = KTIa （2.1） 式中KT 是与电机结构相关的系数 单位是韦（Wb）Ia 单位是安（A）2 2.3 总体结构研究完飞行器的基本原理并确定了所需元器件的型号以后，进行了总体结构模型的构建，利用CATIA软件建模，将各部分零件组装起来构成了本次飞行器设计的简化模型，其效果图如图2.6所示。图中主要有机架、电机和螺旋桨，机架在自己动手制作时可以选用质量较轻的复合型木材，在板的四个末端钻四个直径为50mm的孔，将电机安装在孔中，四个旋翼则安装在电机轴上。由于螺旋桨的帽没有固定的尺寸，在建模时就没有绘制出来。1. 图2.3为设计中选择的旋翼，旋翼为塑料件，旋翼有两片叶片，旋转中心的孔是配合安装在电机轴上的。图2.3 旋翼结构图3. 图2.4为制作成一体的机架，本次设计时没有选择专门的四轴飞行器机架，采用DIY的方式，选用轻质的木材制作成十字架的整体形状，十字架板和中间的方形板是一体的。机架的四个顶端有四个直径为50mm的孔用来和电机的大轴直径相配合，安装时只要将电机大端插到孔中就可以。图2.4 机架结构图4. 图2.5为设计中用到的直流小电机，将电机轴伸出端安装在旋翼的中心孔中，外形结构简单。图2.5 电机架构图5. 图2.6为设计的整体建模效果图，十字架板同一个方向上安装的旋翼旋转方向一致，另一个方向上的两个旋翼方向与之相反。图2.3 四轴飞行器总体结图3 硬件设计3.1 概述本章主要从四轴飞行器的飞行控制特点入手，对飞行控制系统的总体方案进行设计。四轴飞行器具有体积小、重量轻、易于控制等特点，根据这些特点可以得出飞行控制的系统硬件设计的总体要求：选择高速微处理器、高性能遥控收发设备、集成度高的驱动芯片、要有灵活的可控性等。在具体的方案设计过程中应该从以下方面考虑系统设计：可靠性、可行性和髙集成度，根据这些特点得出飞行控制的系统硬件设计的总体要求，具体包括以下几个方面：（1）通过键盘改变脉冲的占空比从而达到改变电机转速使飞行器按照对应要求飞行的目的。（2）通过启动键启动电机，从而达到防止电机误启动的目的。（3）通过示波器来显示四个电机的输出波形。（4）无线通讯误码率要低，实时性要高，保证传输信息的准确性。以上几点要求和限制为设计飞行控制系统的硬件提供了依据，有的放矢。为此尽量采用比较成熟的、可继承性和可借鉴的技术和元器件。下面首先给出系统硬件总体结构，然后分模块介绍系统硬件的选型和电路设计，包括控制器模块、电机驱动模块、红外通讯模块及电源模块。3.2 硬件电路的设计及选型3.2.1飞行控制系统结构上节中进行了四轴飞行器的飞行控制器硬件设计需要分析，根据系统设计需要，设计如右图3.1所示结构的四轴飞行器系统方案。系统结构的核心部分为飞行控制器，其核心是基于AT89C51的控制系统。微控制器加上各种功能模块构成飞行控制器。其中无线收发模块接受遥控器传来的控制信号，然后将控制信息传送给控制器模块。控制器模块通过执行相应的软件指令输出相应的PWM信号，再经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四轴飞行器稳定飞行。其中L298n是专用的驱动直流电机的芯片，每一片L298n可以同时驱动两个直流小电机，所以本设计中用到两片。图3.1 飞行控制系统结构图3.2.2 单片机的选型及介绍如今单片机的应用越来越广泛特别是51系列的单片机，诸如调制解调器，电动机控制系统，空调控制系统，汽车发动机和航模等一些领域。这些单片机的高速处理速度和增强型外围设备集合使得它们适合于各种高速事件应用场合。本次设计中则选取了ATMEL公司生产的AT89C51单片机。一、AT89C51具有下列主要性能：1) 4KB可改编程序Flash存储器2) 0HZ24HZ3) 三级程序存储器保密4) 1288字节内部RAM5) 32条可编程I/O6) 2个16位定时器/计数器7) 6个中断源8) 可编程串行通道9) 片内时钟振荡器另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0HZ，并提供两种可用软件来选择的省电方式-空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。二、管脚说明（1）VCC：电源端（2）GND：接地端（3）P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0口输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。（4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。（5）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口用于外部程序存储器或16位外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位的地址信号和控制信号。（6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，他们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（TTL），也是由于上拉的缘故。除此之外P3口还用于一些专门功能，这些兼用功能见表3.1所示。表3.1 P3各端口引脚与兼用功能表端口引脚兼用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD (串行输出口)P3.2 (外部中断0)P3.3 (外部中断1)P3.4T0(定时器0的外部输入)P3.5T1(定时器1的外部输入)P3.6 (外部数据存储器写选通)P3.7（外部数据存储器读选通）（7）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。（8）ALE/：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可以用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。（9）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。（10）：当EA保持低电平时，访问外部ROM，当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。（11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。（12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。3三、AT89C51的最小系统如图3.2所示，在X1和X2之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，他还有另一种接法，是把外部振荡器的信号直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空不用。AT89C51复位引脚RET/VP通过片内一个施密特触发器（抑制噪声作用）与片内复位电路相连，施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持两个周期的高电平时，就能使AT89C51完成一次复位。复位不影响RAM的内容。所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。MCS-51 单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位方式。上电复位利用电容器充电来实现。按钮复位又分为按钮电平复位和按钮脉冲复位。前者将复位端通过电阻与VCC相接，后者利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。复位电路参数的选择应能保证复位高电平持续时间大于两个机器周期。4图3.2 AT89C51的最小操作系统3.2.3 电机驱动电路L298n是由达林顿管组成的双H桥高电压大电流集成PWM电路。PWM电路由四个大功率晶体管组成的H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入脉冲的占空比，精确调整电动机转速这种电路由于管子工作只在饱合和截止状态下，效率非常高。H型电路使实现转速和方向的控制简单化，且电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆PWM变换器电路如图3.3所示。它包含有4个开关管和4个续流二极管，单电源供电。4个开关管分成两组，VT1和VT4一组；VT3和VT4为另一组。同一组的开关管同步导通或截止，不同组的开关管的导通与截止正好相反。这是电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。在每个PWM周期中，当控制信号Ug1为高电平时，开关管VT1、VT4导通，此时Ug3为低电平，因此VT2、VT3截止，电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号Ug1为低电平时，开关管VT1、VT4截止，此时Ug3为高电平，因此VT2、VT3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压5。由于在一个PWM周期里电枢电压经历了正负跳转，因此其平均电压U0的表达式为： U0 = ( 2-1)Us ( = t1/T) (3.1)式中， 为占空比 Us电枢端电压，V U0平均电压，V由式（3.1）可见，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比的大小。当 = 1时，U0 = Us，直流电动机正转，且转速最大；当 =1/2时，U0 =0，直流电机不转。注意：虽然此时直流电机不转，但电枢绕组中仍然有交变电流，使直流电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电机负载的静摩擦，提高动态性能。关于PWM调速的具体原理及内容在后文中会有详细的介绍，所以此处就不作具体解释了。图3.3 桥式可逆PWM原理图L298n内部的每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚(SENSEA和SENSEB)用来连接电阻检测电流。Vss 接逻辑控制的电源。Vs为电动机驱动电源。IN1一IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。芯片的引脚结构如图3.4所示。图3.4 L298引脚图1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298n可驱动2个电机，OUT1、OUT2、OUT3和OUT4之间分别接2个电机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。L298n的逻辑功能如表3.2所示。以两个电机为例，即单片机的两个I/O口控制一个电机，输出PWM的端口控制转速，另外一个则控制转向。由于单片机和控制电路在运行时都需要供电，为方便起见，选用一组5V电源同时给两者供电。表3.2 L298n的逻辑功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止3.2.4 无线通讯与遥控如今应用比较广泛的是以单片机为中心的红外遥控设计，红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为0.01um1000um。根据波长的不同可分为可见光和不可见光，波长为0.38um0.76um的光波可分为可见光，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。光波为0.01um0.38um的光波为紫外光（线），波长为0.76um1000um的光波为红外（线）。红外光波按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极红外4类。红外线遥控是利用远红外光传送遥控指令的，波长为5.6um1um。这种遥控方式主要适用于远距离的遥控控制，而本次设计中则需要对四轴飞行器进行10米以上的控制，这就需要对飞行器进行远距离红外控制。在整个通信中，需要一个发射端和一个接收端。发射端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收端采用价格便宜，性能可靠的一体化红外接收管接收红外信号，它同时对信号进行解调、放大、检波、整形，得到相应的信号，再送给单片机，经单片机控制相关被控对象。3.2.5电源电路设计电源模块在系统中的地位是极其重要的，四轴飞行器要稳定工作必须有稳定的电源供给作为保障，为系统的各个模块提供动力。稳定的电源可以使系统在各种环境下长时间稳定的工作，而如果电源模块设计的不够合理，那么就像在系统中埋下了一颗定时炸弹，系统随时都可能因此而崩溃。所以电源模块的设计必须非常谨慎，以保证系统工作的稳定性。本设计中电机和驱动芯片需要5V电压供电，微控制器和接收模块则需要3.3V电压，故采用开关电源方案实现5V稳压电源，采用线性电源实现3.3V数字电源。开关电源方案采用开关电源芯片LM2596ADJ配合电感器件组成BUCK型拓扑结构实现5V稳定电压。LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它包含1.23V基准稳压电路和150KHZ固定频率振荡器，并具有限流、热关断等完善的保护电路。利用该器件只需要极少的外围器件便可构成高效稳压电路，其转换效率可达75%88%。本次设计电路配置如图3.5所示6。图3.5 LM2596电路图3.3V的数字电源采用LM11173.3线性电源方案。LM1117系列是低压差线性集成电压调节器。其压差在1.2V时，输出负载电流可达800mA。LM1117提供3.3V、5V、12V及可调等多个电压档次的产品。LM1117提供限流与过入保护等保护机制。飞行器设计的电路中3.3V的电路配置如图3.6所示。图3.6 LM11173.3电路图3.3 硬件部分的整体电路图前两节介绍了本次设计的硬件各部分的接线和功能，如图3.7所示为设计的总体电路图，主要包括单片机内部最小系统、单片机与两片电机驱动L298的连接和L298与四个电机的连接电路。通过总体接线图不仅可以清晰地看见各部分的连接方式，还可以了解到各部分的控制关系。图3.8为单片机控制电机部分的整体接线图，由于画面的原因电机4的引脚连接在图3.7中对应于图3.8中L298n的输出端L3和L4。遥控部分控制各种飞行功能的按键与单片机的P0口相连，当按键按下弹起后开始执行对应功能。图3.8 单片机控制部分电路4 软件设计及调试分析本章主要介绍了软件部分的设计，主要包括单片机控制电机的调速原理及具体的调速方法，基于单片机的红外遥控部分的软件流程设计，以及基于本设计的Protues软件仿真和结果分析。在程序编写设计时主要是利用单片机C语言进行的，C语言在编程时比较灵活，可以运用多种方法进行同一功能的实现，考虑到程序的简练易懂，故用C语言对本次设计进行了编程。4.1 PWM调速原理分析脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用位处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。之后详细设计了基于MCS51单片机的直流小电机PWM调速的系统硬件电路以及各电路硬件说明目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的追踪。脉宽调制的基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，是输出端得到一系列幅值相等但宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。7图4.1是利用开关管对直流电机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图4.1（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电机电枢绕组两端的电压波形如图4.1（b）所示。电机电枢绕组两端的电压平均值U0为： U0 =（t1Us +0）/(t1+t2)= Us (4.1)表示在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。变化范围在0和1之间。由式（4.1）可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变的值就可以改变端电压的平均值，实现调速，这就是本次设计用到的PWM调速原理。（a）原理图 （b）输入输出电压波形图4.1 PWM调速控制原理图和电压波形占空比是PWM调速的一个重要参数，以下三种方式都可以改变占空比的值。（1）定宽调频法：它是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T也随之改变。（2）调频调宽法：它是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T也随之改变。（3）定频调宽法：它是使周期T保持不变，而同时改变t1和 t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的比较少。目前，直流电机主要采用定频调宽的方法控制。84.2 调速部分设计及分析有了上文中PWM原理的基础，飞行器的调速部分的设计主要涉及到的知识是单片机AT89C51中定时/计数器的工作原理，实现调速输出PWM波形则主要利用定时器的定时功能，改变定时时间就能实现调速。对于单片机基本的引脚功能介绍已经在前文介绍过了，此处就不做解释了。本节主要对调速的内容进行具体的解释说明。首先介绍一下单片机AT89C51的定时/计数器，AT89C51内含有二个16位的定时器/计数器T0和T1，他们都可以分别作为定时器或计数器使用。当使用于定时器方式时，定时器的输入来自内部时钟发生电路，每过一个机器周期，定时器加1，而一个机器周期包含有12个振荡周期，所以，定时器计数频率为晶振频率的1/12。在计数器工作方式中，计数器是对外部事件计数，计数脉冲是来自外部输入引脚，当外部输入引脚发生“1”和“0”的负跳变时，计数器加1.内部硬件在每个机器周期的S5P2采样外部输入引脚状态，当在一个机器周期采样到高电平，接着另一个周期采样到低电平时，计数器的值将在检测到变化后的下一个周期的S3P1中被更新，由于对外部事件的检测需要两个机器周期。所以计数频率最高为晶振频率的1/24。T0和T1除了有定时器和计数器功能外，还有四种工作方式，分别为：13位定时器方式；16位定时器方式；8为常数自动重装方式；分定时器工作方式。由于本次设计只用到了定时器T0，所以在说明时就以T0定时器为例，T1的工作方式和T0是相同的。一、T0的工作方式控制定时器/计数器T0的工作方式选择是通过对SFR中的定时器方式寄存器TMOD编程定义的，四种工作方式由TMOD寄存器的M1、M0位确定，C/T位用于选择定时器功能或计数器功能。方式寄存器TMOD的格式定义如下：GATEC/TM2M0定时器T0图4.2 T0的工作方式控制GATE门控制，当GATE = 1时，仅当控制寄存器TCON的TRX = 1（X为0或1），且INTX端为高电平时，定时器/计数器才计数。当GATE = 0时，定时器/计数器由TRX控制，TRX为1，允许计数，TRX为0，不允许计数。C/T定时器和计数器选择位。C/T=0为定时器方式。C/T=1为计数器方式。M1M0工作方式选择位，如表4.1所示。表4.1 M1M0的工作方式M1M0方式功能00013位的定时器/计数器01116位的定时器/计数器102常数自动装入的8位的定时器/计数器113仅适用于T0，分为二个8位定时器/计数器T1在方式3时停止计数当M1M0为10时，定时器/计数器工作方式为2，在此方式下，设置了一个8位的计数器，并具有自动回复计数初值的功能。以T0为例，将TL0作计数器；而TH0作寄存器使用，存放计数初值，当TL0作增1计数至溢出时，除了把溢出标志位TF1置1外，同时还将TH0中的计数初值送入TL0中，使TL0又重新从初值开始计数。飞行器设计中由于需要控制多种飞行功能，所以在软件编程中涉及到的调速部分有很多，本部分主要以加速为例来说明一下此次毕业设计中的调速的部分。由流程图可以看出当按键按下时就向单片机发出了中断请求，开始利用定时器实现速度控制，定制器发出中断请求后进入中断服务程序，中断响应结束后回到主程序循环等待下次中断。图4.3 加速流程图对应的定时器初始化部分的程序如下：void Time0_int() /定时器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设计选择的定时器为T0，工作方式2，在方式2的模式下T0为8位的定时/计数器，最大计数时间为256,。设置的定时器计数初值为56，根据公式（4.2）所示为定时器初值的计算方法。 T =（256计数初值）晶振周期12 (4.2)式（4.1）中T就是脉冲信号的定时时间，本次设计中单片机晶振频率为12MHZ，赋给定时器的初值为56，则单片机要计数200次后溢出中断，计数加1就相当于多延时1um的时间，所以上述程序中实现了定时200um，即脉冲信号的周期为200um。在调速时，只要改变高电平的延时时间就能实现PWM调速。10void Time0() interrupt 1 using 1 /定时服务程序M13=1；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；M2=1；if(counter3=pwm3)counter3=0；M3=1；if(counter4=pwm4)counter4=0；M4=1；上面一段程序为中断服务程序，在总程序的开始定义了连接按键的单片机端口，M13、M23、M33、M43为电机驱动芯片L298的使能端，用于输出PWM调速脉冲，在上述程序中定义了比较脉冲计数器，用来判断单片机发出的脉冲数是否为需要的值，一旦达到最初设定的脉冲周期数，计数器归0重新发脉冲。同时也判断高电平时间，如果判断高电平达到设定的时间则将高电平取反输出低电平，这样就能输出连续的脉冲波形。例如上面程序中的一条指令if(counter1=pwmH1)M1=0；“counter1”为电机1的比较计数器，“pwmH1”为控制电机1的脉冲高电平计数器，当counter1的计数值大于等于pwmH1的设定值时，电机1为低电平。4.3 红外遥控系统的程序设计在第三章第二节中只是简单的介绍了本设计中用到的是基于单片机的红外遥控系统，本节将对其工作原理进行详细的说明，包括基本原理、整体电路设计、软件流程和程序的简单设计。红外信号的发射也是基于单片机AT89C51实现的，前文对于AT89C51的介绍已经够详细了，在此也就不多累赘了。其电路设计主要有两部分红外发射和红外接收。4.3.1 红外发射部分当某个操作按键按下时，单片机先读出键值，然后根据键值设定遥控码的脉冲个数，在调制成38KHZ的方波再由红外发光管发射出去。通常，红外遥控是将遥控信号（二进制脉冲码）调制在38KHZ的载波上，经缓冲放大后送至红外发光管，转为红外信号发射出去的。为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHZ的载波信号进行调制，再经缓冲放大器放大后送至红外发光管，将遥控信号发出11。如图4.4是发射部分的基本框图。图4.4 发射部分框图红外信号发射过程：首先装入发射脉冲个数（发射是为3ms脉冲，停发时为1ms脉冲），此时若发射脉冲个数为1则返回主程序，若不为1则发1ms脉冲，然后停发1ms脉冲，这样便结束整个发射过程。在实践中，采用红外线遥控方式时，由于受遥控距离，角度等影响，使用效果不是很好，如采用调频或调幅发射接收码，可提高遥控距离，并且没有角度影响。图4.5为发射部分的流程图。图4.5 红外发射流程图本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。单片机遥控发射器主要由单片机、操作杆、红外发射电路三部分组成。单片机部分主要完成遥控发射过程。遥控器信息码由AT89C51单片机的定时器1中断产生38KHZ红外方波信号，由P0.7口输出，经三极管放大后，由红外发射管发射，改变滑动变阻的阻值大小可以改变红外发射的距离。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它发出的便是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通的发光二极管相同，只是颜色不同。遥控发射通过操作键盘产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码信号指令调制在38KHZ的载波上，激励红外二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机的接收器。P1口作为按键部分，P0.7口作为红外发射部分。电路图如图4.6所示。图4.6 红外发射电路图4.3.2 红外接收部分红外接收部分主要是由光敏二极管接收到发射管发出的红外线后，将光信号好转换为电信号，再把信号送给单片机，单片机经过解调后执行对应按键所要求的功能。图4.7为红外接收部分的基本框图，在设计电路时就是按照下图进行的。图4.7 红外接收部分基本框图红外遥控接收部分的主程序和初始化程序如下：首先进行初始化，然后检查是否接受标志位，若有则调用相应的操作程序，然后清零中断标志位。（1）数据帧的接收处理当红外接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平将启动中断程序，实施接收数据帧的操作。在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码码宽小于3ms，将作为错误码处理。当间隔位的高电平脉宽大于2ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲个数，调用相应的操作程序，执行相应输出口的操作12。（2）接收端程序流程图图4.8 红外接收主流程图中断过程：首先判断低电平脉冲宽度是否大于2ms，若脉宽不到3ms，则中断返回；若低电平脉宽大于2ms，则进行接收并对脉冲个数进行计数。然后判断高电平脉冲宽度是否大于2ms，若高电平脉冲宽度不到2ms，则返回上一接收计数过程再次进行计数；若高电平脉宽大于2ms，则按照统计的脉冲个数调用相应的操作程序。此时中断返回。图4.9 红外接收中断流程图红外接收电路：在接收过程中，信号经过HS0038一体化红外接收头，此信号经过解调、放大、检波、整形再送到单片机中，从而完成相应的遥控功能。接收电路图见图4.10。根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号的识别即解码过程就是去除38KHZ载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1由MCS51系列单片机AT89C51、一体化红外接收头、还原调制与红外发光管驱动电路组成。一体化红外接收头HS0038的解调可以理解为：接收到红外脉冲串时，输出低电平，否则输出高电平，显然输出的信号极性与发送信号的相反。所以解码是要将接收到的信号经过反向才能和发送信号编码一致。当接收端接收到表示传输开始的同步帧后，接收单片机进入解码过程，解码采用软件抽样判决。红外遥控器接收部分由主程序、信号解码子程序和执行控制子程序，主程序负责初始化，检查有无红外信号。控制程序则随各设备的不同而不同。HS0038可以直接对红外信号进行解调，并将解调后的信号直接给微处理器进行解码和存储。接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。13图4.10 红外接收电路4.3.3 键盘设计单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。1）编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较复杂。2）非编码键盘的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开，因