摘要四軸飛行器具備飛行器的所有優(yōu)點,又具備無人機的造價低、可重復性強以及事故代價低等特點,具有廣闊的應用前景.可應用于軍事上的地面戰(zhàn)場偵查和監(jiān)視,獲取不易獲取的情報.能執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務,可應對現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式.在民用方面可用于災后搜救、城市交通巡邏與目標跟蹤等諸多方面.工業(yè)上可以用在平安巡撿,大型化工現(xiàn)場等人工不容易到達的空間作業(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計實現(xiàn)、建模分析與限制器設計.首先從歷史的角度介紹小型四軸飛行器的開展現(xiàn)狀,引入現(xiàn)代四軸飛行器的研究,以及運用現(xiàn)代限制理論進行的研究方法和取得的結果.其次是給出本次畢業(yè)設計的四軸飛行器樣機模型與飛行限制器電路設計.文中著重從機械結構與飛行限制器硬件電路設計方面論述四軸飛行器的設計.文中詳細分析了機械結構設計中的元器件選型,實現(xiàn)了一個切實可用,能滿足應用研究的四軸飛行器模型.之后分析四軸飛行器的飛行限制原理,在此根底上進行動力學分析,建立四軸飛行器的動力學模型.通過軟件設計實現(xiàn)飛行限制器方案,并通過protues軟件踐行模擬仿真以討論其可行性.關鍵詞：四軸飛行器；單片機；飛行限制器；無人機ABSTRACTTheKeywords:Fouraircraft;SCM;Flightcontroller;UAVTOC\o"1-5"\h\z.緒論1國內外研究現(xiàn)狀.1本文研究目的及意義.2本文的主要內容.3.機械結構設計4元器件的選擇.4四軸飛行器根本工作原理..4旋翼和機架確實定..5其他小部件的選擇..5電機.6總體結構.7.硬件設計10概述.11硬件電路的設計與選型.11飛行限制系統(tǒng)結構..11單片機選型及介紹..12電機驅動電路..14無線通訊與遙控..17電源電路設計..18硬件局部整體電路圖.19.軟件設計及調試分析20PWM調速原理分析20.調速局部設計及分析.22紅外遙控系統(tǒng)的程序設計.26紅外發(fā)射局部..26紅外接收局部..28鍵盤設計..31調試分析...33Protues簡介..33調試結果分析...37結束語.38致謝.....39參考文獻.40附錄A:外文原文.41附錄B:中文譯.51附錄C:程序源代碼.55緒論國內外研究現(xiàn)狀四軸飛行器是無人飛行器的一種,也就是智能機器人,四軸指飛行器的動力是由四個旋翼式的飛行引擎提供.人們對于四軸飛行器的研究參軍用到民用、商用領域都有涉及.近幾十年來,隨著現(xiàn)代限制理論與電子限制技術的開展,運用現(xiàn)代限制技術,使用電機代替油動力引擎進行飛行器限制研究.四軸飛行器不需要專門的反扭矩槳,可以通過反扭矩作用使飛行器扭矩平衡.四軸飛行器的飛行限制技術是無人機研究的重點之一.它為為小型無人機的研究和設計創(chuàng)造了新的條件,提供了新的思路.當今國內外針對四軸飛行器的研究都處于快速開展的階段.隨著納米科技與制造業(yè)的迅猛開展以及MEMS的蓬勃興起,四軸飛行器的開展必定會朝著越來越實用化的道路進行.現(xiàn)在看來,四軸飛行器的研究還存在著許多亟待解決的技術難點問題,甚至有些問題很難在短時間內找到合理的解決方法.因此,現(xiàn)階段能做的就是利用現(xiàn)階段已經掌握的技術,盡最大可能解決現(xiàn)在面臨的問題,只有這樣才能使微小型無人機方面的研究不斷前進.四軸飛行器的研究領域十分廣闊,并且其研究范疇隨著研究的不斷深入還在繼續(xù)擴大,而對其中的局部技術問題開展一些探索性研究工作也是本課題的目的所在.揭開了近代航空開展史的序幕的,是美國的萊特兄弟,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力飛機.人類對四軸飛行器的研究與探索也開始于那個時代.但在很長一段時間內,四軸飛行器的研究由于科技開展程度以及理論知識的制約,并未能取得很好的開展與足夠的重視.縱覽整個20世紀,也并沒有多少多軸飛行器被真正設計.早在上個世紀中葉,多旋翼飛行器就已經受到了海外一些研究機構的矚目.近些年來,國際上針對四軸飛行器已經有很多的研究案例與研究成果,然而我國對四軸飛行器的研究成果還很少.很多國內高校開展了關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的智能機器人研究所、國防科技大學機器人實驗室和上海交通大學的微納米科學技術研究所等在做這方面的相關工作.從四軸飛行器的開展現(xiàn)狀來看我國在該領域與興旺國家的差距還很大,必須加大自身的研發(fā)力度,開展自主研發(fā)工作.本文研究目的及意義四軸飛行器屬旋翼飛行器,具有操作簡單、限制靈活,便于起降,可以懸停等優(yōu)點,它小巧的體積可以適應于很多的用途.四軸飛行器在結構上較單一直升機相比,結構緊湊、能產生更大的升力,同時可以通過反扭矩作用使飛行器平衡,不需要專門的反扭矩旋翼,懸停性能更加良好,易于限制,對于操作者的要求不高等特點,這對于廣泛的應用推廣具有重要的意義,在民用和軍事領域都有廣泛的應用前景,因此對于四軸飛行器的研究具有重大的現(xiàn)實意義.隨著科技的開展,人們生活的節(jié)奏也越來越快,隨之人們對方便,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要求.遙控器是由高產的發(fā)明家RobertAdler在五十年代創(chuàng)造的.而紅外遙控是20世紀70年代才開始開展起來的一種遠程限制技術,其原理是利用紅外線來傳遞限制信號,實現(xiàn)對限制對象的遠距離控制,具體來講,就是有發(fā)射器發(fā)出紅外線指令信號,有接收器接收下來并對信號進行處理,最后實現(xiàn)對限制對象的各種功能的遠程限制.紅外遙控具有獨立性、物理特性與可見光相似性、無穿透障礙物的水平及較強的隱蔽性等特點.隨著紅外遙控技術的開發(fā)和迅速開展,很多地方都應用了紅外遙控,而飛行器也不例外.從單純的在飛行器限制面板上通過按鈕限制,到10米以上遠距離的遙控,雖然改變不大,但其帶來的便利無疑是巨大的.而紅外遙控技術的成熟,也使得遙控器限制飛行器變得設計簡單,價格低廉.小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比,其優(yōu)勢在于其機械結構較為簡單,并且只需改變四個馬達的轉速即可實現(xiàn)限制,飛行機動水平靈活.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)域范圍內起飛、盤旋,飛行、著陸的水平.小型四旋翼飛行器研究也為自動限制以及計算機科學等諸多領域的融合研究提供了一個平臺.本設計主要通過單片機識別遙控器發(fā)出的信號對四個直流小電機進行速度限制,由電機帶動四個旋翼旋轉,實現(xiàn)飛行器的加速、減速、升降、前后左右移動等功能.內容涉及力學分析、直流電機驅動、微型計算機限制等學科領域.通過創(chuàng)立模型并編寫程序,在仿真軟件上進行仿真模擬飛行器的飛行狀態(tài),驗證設計的合理性.設計主要實現(xiàn)以下主要功能：.基于單片機限制飛行器啟停、加減速、前進后退、左右側飛以及左右轉；.通過紅外遙控局部能夠將鍵盤的信息有效的傳遞到微限制器上.1.3本次設計的主要內容本次畢業(yè)設計的主要設計內容是飛行器的整體設計,主要有機械局部、硬件局部和軟件三局部.首先是機械局部的結構設計,在文中的第二章中主要介紹的就是這局部內容,機械局部有螺旋槳、機架和電機三局部構成.第二局部是硬件局部的總體設計,這局部內容涉及到對飛行器的單片機限制、整體的電路圖設計以及基于單片機的紅外遙控局部的設計,這局部內容的重點是單片機對直流電機的限制,只有限制邏輯正確才能讓飛行器穩(wěn)定的飛行.而對于紅外遙控局部的設計,在設計中對紅外信號的發(fā)射和接收進行了簡單的設計,采用碼分制的方法保證紅外信號發(fā)出的能被準確的接收到,并且完成相應的操作.第三局部是軟件編程、流程圖和仿真調試的運行,軟件編程采用的是單片機C語言進行編寫的,流程圖是對程序運行的一種順序表示,表達出程序是如何運行下去的,仿真調試局部是利用KeilC51和Protues仿真結合在一起進行仿真的.總之,整體設計結構就如上文所述,本次設計是采用成熟的技術,簡單的方法實現(xiàn)單片機在飛行限制方面的應用,通過仿真運行結果可以看見設計的思想在理論上是可以的,但是還缺少實踐,以后希望有時機再深入研究.2機械結構設計元器件的選擇本結構的設計主要為飛行器的機械局部結構設計,首先要進行設計中所需的零部件的選擇,根據(jù)四軸飛行器的根本原理和結構,所需的元件主要有支架、四個直流小電機、兩個正向旋翼兩個反向旋翼、一個PCB電路板、四個電機驅動芯片,本局部主要是對支架、電機和旋翼進行選擇.飛行器根本工作原理在確定飛行器的模型之前查閱了大量的資料,結合前人的研究成果和經驗教訓,最終確定飛行器的機械結構呈十字形交叉固定的四根主軸組成,在主軸的四個端點處安裝四只旋翼,且四只旋翼處于同一水平面.飛行器的整體空間上呈現(xiàn)軸對稱結構,其結構示意圖如圖2.1所示.圖2.1四軸飛行器限制原理圖上圖中逆時針方向分別為電機1,電機2,電機3與電機4.電機1與電機3逆時針旋轉的同時,電機2與電機4順時針旋轉.各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉方向相反,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個自由度〔分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作〕,這6個自由度的限制都可以通過調節(jié)不同電機的轉速來實現(xiàn).四只電機轉速相同時,由于兩對旋翼旋轉方向相反,剛好可以使各自對機身產生的反扭矩得到抵消,使飛行器在旋轉方向上到達平衡[1].從整體上看,機體只受到向上的升力與其自身重力的作用.當同時增加四個電機的轉速時,可以使得旋翼提供的上升的拉力增大,當總拉力大于飛行器自身重力的時候,四軸飛行器便離開地面垂直上升.反之,同時減小降低四只旋翼的轉速時,旋翼提供的總的拉力減小,當總的拉力小于機身重力時,飛行器那么垂直下降.因此,限制四軸飛行器垂直升降時應保證四個旋翼轉速的同步增加或同步減小.當飛行器要轉向右轉向時,2,4號電機轉速下降,1,3號電機轉速上升,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.反之,那么實現(xiàn)四軸的左轉.其他方式的運動原理與上述過程類似,四軸飛行器原理雖然簡單,但實現(xiàn)起來還需要很多工作要做.旋翼和機架確實定四軸飛行為了抵消螺旋槳的自旋,相隔的槳旋轉方向是不一樣的,本設計中共需要一對正槳和一對反槳.在選擇螺旋槳的型號時要考慮到槳在旋轉時所形成的圓的直徑,在查閱了大量資料后確定螺旋槳的型號為1045.為了保證飛行器在飛行時四個螺旋槳之間不發(fā)生干擾,就需要對飛行器支架進行尺寸設計.以上可知螺旋槳直徑為10英寸〔1英寸=254毫米〕,一般對于機架的尺寸沒有特殊的要求,只要保證在運動過程中各旋翼不發(fā)生干擾即可,所以本次設計中讓機架長度為790毫米,軸距為750毫米,正好符合要求.其他小部件的選擇由于四軸飛行器的機械結構比較簡單,除了螺旋槳和機架外其余的一些小零件主要包括安裝在個芯片上的螺釘,螺旋槳上的塑料帽.在選擇螺釘時為了方便統(tǒng)一規(guī)格,按照標準均用M5x6.5規(guī)格的螺釘,塑料帽沒有要求只要能把螺旋槳固定住就行,以預防在飛行過程中槳飛出造成損壞.電機根據(jù)供電方式,電動機分為直流和交流電動機.而直流電機是最早出現(xiàn)的電動機,也是最早能實現(xiàn)調速的電動機.直流電動機包括旋轉的電樞和靜態(tài)的磁場.電樞中的電流,必須通過電刷來產生轉動的力.靜態(tài)磁場可以有繞線式電動機的勵磁繞組或永磁電動機的永磁體來提供.繞線式電動機可分為三種類型：用勵電動機的電樞和勵磁繞組是串聯(lián)的,這種電機具有很大的啟動轉矩和較高的空載轉速,但它的調速性能較差；并勵電動機的電樞和勵磁繞組是并聯(lián)的,這種電動機比用勵電動機具有更好地調速性能；復勵電動機既有用勵勵磁繞組又有并勵勵磁繞組,它綜合了申勵電機和并勵電機的優(yōu)點.永磁電動機使用永磁鐵提供靜態(tài)磁場,具轉矩-速度曲線具有很好的線性,能進行很好的調速,所以本次設計選擇了ZYN系列稀土永磁直流電機,具型號為70ZYN01,電機參數(shù)如下表：表2.1電機參數(shù)轉矩〔Nm轉速〔r/min〕功率〔W〕電壓〔V〕電流A〔不大于〕318.63000100246.5直流電機主要由磁極、電樞和換向器三局部組成,下面討論一下直流電機的工作原理,我們可以把直流電機結構簡化為圖2.2所示的工作原理圖.電機具有一對磁極,電樞繞組只是一個線圈,線圈兩端分別連在兩個換向片上,換向片上壓著電刷A和電刷B圖2.2直流電機工作原理圖直流電機再作電動機運行時,將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線圈.電流方向應該是這樣的：N極下的有效邊中的電流總是一個方向,而S極下的有效邊中的電流總是另一個方向.這樣才能使兩個邊上受到的電磁力方向一致,電樞因而轉動.因此,當線圈的有效邊從N〔S〕極下轉到S〔N〕極下時,其中電流的方向必須同時改變,以使電磁力方向不變.這個過程通過換向器就能實現(xiàn).直流電機電樞繞組中的電流〔電樞電流⑸與磁通①相互作用,產生電磁力和電磁

(2.1)轉矩.直流電機的電磁轉矩常用(2.1)T=Kt①Ia式中Kt一是與電機結構相關的系數(shù)①一單位是韋〔Wb〕Ia一單位是安〔A〕⑵總體結構研究完飛行器的根本原理并確定了所需元器件的型號以后,進行了總體結構模型的構建,利用CATIA軟件建模,將各局部零件組裝起來構成了本次飛行器設計的簡化模型,其效果圖如圖2.6所示.圖中主要有機架、電機和螺旋槳,機架在自己動手制作時可以選用質量較輕的復合型木材,在板的四個末端鉆四個直徑為50mm的孔,將電機安裝在孔中,四個旋翼那么安裝在電機軸上.由于螺旋槳的帽沒有固定的尺寸,在建模時就沒有繪制出來..圖2.3為設計中選擇的旋翼,旋翼為塑料件,旋翼有兩片葉片,旋轉中央的孔是配合安裝在電機軸上的.圖2圖2.3旋翼結構圖.圖2.4為制作成一體的機架,本次設計時沒有選擇專門的四軸飛行器機架,采用DIY的方式,選用輕質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.機架的四個頂端有四個直徑為50mm的孔用來和電機的大軸直徑相配合,安裝時只要將電機大端插到孔中就可以.圖2.4機架結構圖.圖2.5為設計中用到的直流小電機,將電機軸伸出端安裝在旋翼的中央孔中,外形結構簡單.圖2.5電機架構圖

.圖2.6為設計的整體建模效果圖,十字架板同一個方向上安裝的旋翼旋轉方向一致,另一個方向上的兩個旋翼方向與之相反.圖2.3四軸飛行器總體結圖3硬件設計概述本章主要從四軸飛行器的飛行限制特點入手,對飛行限制系統(tǒng)的總體方案進行設計.四軸飛行器具有體積小、重量輕、易于限制等特點,根據(jù)這些特點可以得出飛行控制的系統(tǒng)硬件設計的總體要求：選擇高速微處理器、高性能遙控收發(fā)設備、集成度高的驅動芯片、要有靈活的可控性等.在具體的方案設計過程中應該從以下方面考慮系統(tǒng)設計：可靠性、可行性和高集成度,根據(jù)這些特點得出飛行限制的系統(tǒng)硬件設計的總體要求,具體包括以下幾個方面：(1)通過鍵盤改變脈沖的占空比從而到達改變電機轉速使飛行器根據(jù)對應要求飛行的目的.(2)通過啟動鍵啟動電機,從而到達預防電機誤啟動的目的.(3)通過示波器來顯示四個電機的輸出波形.(4)無線通訊誤碼率要低,實時性要高,保證傳輸信息的準確性.以上幾點要求和限制為設計飛行限制系統(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和元器件.下面首先給出系統(tǒng)硬件總體結構,然后分模塊介紹系統(tǒng)硬件的選型和電路設計,包括限制器模塊、電機驅動模塊、紅外通訊模塊及電源模塊.硬件電路的設計及選型飛行限制系統(tǒng)結構上節(jié)中進行了四軸飛行器的飛行限制器硬件設計需要分析,根據(jù)系統(tǒng)設計需要,設計如右圖3.1所示結構的四軸飛行器系統(tǒng)方案.系統(tǒng)結構的核心局部為飛行限制器,其核心是基于AT89C51的限制系統(tǒng).微限制器加上各種功能模塊構成飛行限制器.其中無線收發(fā)模塊接受遙控器傳來的限制信號,然后將限制信息傳送給限制器模塊.限制器模塊通過執(zhí)行相應的軟件指令輸出相應的PWM信號,再經驅動電路后驅動四個電機工作,保持四軸飛行器穩(wěn)定飛行.其中L298n是專用的驅動直流電機的芯片,每一片L298n可以同時驅動兩個直流小電機,所以本設計中用到兩片.

飛行限制器電源模塊微飛行限制器電源模塊微限制器單元

(AT89c51)輸出電機1L298n電機3電機4電機2遙控接收單元遙控發(fā)射單元圖3.1飛行限制系統(tǒng)結構圖單片機的選型及介紹如今單片機的應用越來越廣泛特別是51系列的單片機,諸如調制解調器,電動機限制系統(tǒng),空調限制系統(tǒng),汽車發(fā)動機和航模等一些領域.這些單片機的高速處理速度和增強型外圍設備集合使得它們適合于各種高速事件應用場合.本次設計中那么選取了ATMEL公司生產的AT89C51單片機.一、AT89C51具有以下主要性能：4KB可改編程序Flash存儲器0HZ~24Hz3)三級程序存儲器保密128>8字節(jié)內部RAM32條可編程I/O2個16位定時器/計數(shù)器6個中斷源8)可編程串行通道9)片內時鐘振蕩器另外,AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設計的,其工作頻率可下降到0HZ,并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式------空閑方式和掉電方式.在空閑方式中,CPU停止工作,而RAM、定時器/計數(shù)器、用行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作.在掉電方式中,片內振蕩器停止工作,由于時鐘被“凍結〞,使一切功能都暫停,只保存片內RAM中的內容,直到下一次硬件復位為止.二、管腳說明VCC:電源端GND:接地端P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口,每個管腳可吸收8TTL門電流.當P1口的管腳寫“1〞時,被定義為高阻輸入.P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位.在FLASH編程時,P0口作為原碼輸入口,當FLASH進行校驗時,P0口輸出原碼,此時P0外部電位必須被拉高.P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流.P1口管腳寫入“1〞后,電位被內部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內部上拉的緣故.在FLASH編程和校驗時,P1口作為第八位地址接收.P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收輸出4個TTL門電流,當P2口被寫“1〞時,其管腳電位被內部上拉電阻拉高,且作為輸入.作為輸入時,P2口的管腳電位被外部拉低,將輸出電流,這是由于內部上拉的緣故.P2口用于外部程序存儲器或16位外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時,P2口輸出地址的高八位.在給出地址“1〞時,它利用內部上拉的優(yōu)勢,當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,P2口輸出其特殊功能存放器的內容.P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位的地址信號和限制信號.P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流.當P3口寫入“1〞后,他們被內部上拉為高電平,并用作輸入.作為輸入時,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口還用于一些專門功能,這些兼用功能見表3.1所示.表3,1P3各端口引腳與兼用功能表端口引腳兼用功能P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2Into〔外部中斷o〕P3.3INT1〔外部中斷1〕P3.4T0〔定時器0的外部輸入〕P3.5T1〔定時器1的外部輸入〕P3.6WR〔外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通〕P3.7RD〔外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通〕RST:復位輸入.當振蕩器復位器件時,要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間.ALE/PROG：當訪問外部存儲器時,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,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6.因此它可以用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的.PSEN:外部程序存儲器的選通信號.在由外部程序存儲器取址期間,每個機器周期PSEN兩次有效.但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的信號PSEN將不出現(xiàn).EA/VPP：當EA保持低電平時,訪問外部ROM,當EA端保持高電平時,訪問內部ROM.在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕.XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入.XTAL2:來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成了單片機的時鐘電路,他還有另一種接法,是把外部振蕩器的信號直接接到XTAL1端,XTAL2端懸空不用.AT89C51復位引腳RET/VP通過片內一個施密特觸發(fā)器〔抑制噪聲作用〕與片內復

位電路相連,施密特觸發(fā)器的輸出在每一個機器周期由復位電路采樣一次.當振蕩電路工作,并且在RST引腳上加一個至少保持兩個周期的高電平時,就能使AT89C51完成一次復位.復位不影響RAM的內容.所以,當單片機運行出錯或進入死循環(huán)時,可按復位鍵重新啟動.MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種復位方式.上電復位利用電容器充電來實現(xiàn).按鈕復位又分為按鈕電平復位和按鈕脈沖復位.前者將復位端通過電阻與VCC相接,后者利用RC微分電路產生正脈沖來到達復位目的.復位電路參數(shù)的選擇應能保證復位高電平持續(xù)時間大于兩個機器周期.[4]■IC3C4R7II30pFoX130pF<■IC3C4R7II30pFoX130pF<TEXT>500csnakTEKT>-一:10uF<TEXT>FWLI*TEXT：

0o復位U1>XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.fi/AD5ncTP0.6/AD6nnnrn-7HU.//AU/PZWA8P2.1/A9P22/A10PSENP2.3/A11ALEP24/A12EAP2.6/A13P2.6/A14P2.7/A15P10P3.0/RXDP1.1P3.i?P12P3.2/INTOP13P3.3/INT1P1.4P3.?P1.5P3.5H1P1.6P3.6/WRP17P3.7/RD19189NKB8A儂田KT型w1NK22NK44N屆5MK6e293031JI22汨2425q27a1011121416圖3.2AT89C51的最小操作系統(tǒng)電機驅動電路

L298n是由達林頓管組成的雙H橋高電壓大電流集成PWM電路.PWM電路由四個大功率晶體管組成的H橋電路構成,四個晶體管分為兩組,交替導通和截止,用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài),根據(jù)調整輸入脈沖的占空比,精確調整電動機轉速這種電路由于管子工作只在飽合和截止狀態(tài)下,效率非常高.H型電路使實現(xiàn)轉速和方向的限制簡單化,且電子開關的速度很快,穩(wěn)定性也極強,是一種廣泛采用的PWM調速技術.脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法,把恒定的直流電源電壓調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,以調節(jié)電機轉速.橋式可逆PWM變換器電路如圖3,3所示.它包含有4個開關管和4個續(xù)流二極管,單電源供電.4個開關管分成兩組,VT1和VT4一組；VT3和VT4為另一組.同一組的開關管同步導通或截止,不同組的開關管的導通與截止正好相反.這是電動機M兩端電壓UAB的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化.(3.1)在每個PWM周期中,當限制信號Ug1為高電平時,開關管VT1、VT4導通,此時Ug3為低電平,因此VT2、VT3截止,電樞繞組承受從A至UB的正向電壓；當限制信號Ug1為低電平時,開關管VT1、VT4截止,此時Ug3為高電平,因此VT2、VT3導通,電樞繞組承受從B到A的反向電壓［5］.由于在一個PWM周期里電樞電壓經歷了正負跳轉,因此其平均電壓U.的表(3.1)Uo=(2a-1)Us(a=t1/T)式中,a一為占空比Us—電樞端電壓,VU.一平均電壓,V由式〔3.1〕可見,雙極性可逆PWM驅動時,電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比a的大小.當a=1時,Uo=Us,直流電動機正轉,且轉速最大；當a=1/2時,Uo=O,直流電機不轉.注意：雖然此時直流電機不轉,但電樞繞組中仍然有交變電流,使直流電動機產生高頻振蕩,這種振蕩有利于克服電機負載的靜摩擦,提升動態(tài)性能.關于PWM調速的具體原理及內容在后文中會有詳細的介紹,所以此處就不作具體解釋了.

L298n內部的每個所的下側橋臂晶體管發(fā)射極連在一起,具輸出腳〔SENSEA和SENSEB〕用來連接電阻檢測電流.Vss接邏輯限制的電源.Vs為電動機驅動電源.IN1一IN4輸入引腳為標準TT出輯電平信號,用來限制H轎的開與關即實現(xiàn)電機的正反轉,ENA、ENB引腳那么為使能限制端,用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調速.芯片的引腳結構如圖3.4所示.圖3.4L298引腳圖CAJHHENT圖3.4L298引腳圖OUTPUT4OUTPUT3INPUT4ENABLEBINPUT3LOGICSUPPLYVQLT網G匚V能GNDINPUT2ENABLEAINPUT1SUPPLYVOLTAGEVtOUTPUT2OUTPUT1CURRENTSENSINGA1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器,形成電流傳感信號.L298n可驅動2個電機,OUT1、OUT2、OUT3和OUT4之間分別接2個電機.5、7、10、12腳接輸入限制電平,限制電機的正反轉,ENA、ENB接限制使能端,限制電機的停轉.L298n的邏輯功能如表3,2所示.以兩個電機為例,即單片機的兩個I/O口限制一個電機,輸出PWM的端口限制轉速,另外一個那么限制轉向.由于單片機和限制電路在運行時都需要供電,為方便起見,選用一組5V電源同時給兩者供電.表3.2L298n的邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機運行情況HHL正轉HLH反轉H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止無線通訊與遙控如今應用比較廣泛的是以單片機為中央的紅外遙控設計,紅外線又稱紅外光波,在電磁波譜中,光波的波長范圍為0.01um~1000umo根據(jù)波長的不同可分為可見光和不可見光,波長為0.38um~0.76um的光波可分為可見光,依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色.光波為0.01um~0.38um的光波為紫外光〔線〕,波長為0.76um~1000um的光波為紅外〔線〕.紅外光波按波長范圍分為近紅外、中紅外、遠紅外、極紅外4類.紅外線遙控是利用遠紅外光傳送遙控指令的,波長為5.6um~1um.這種遙控方式主要適用于遠距離的遙控限制,而本次設計中那么需要對四軸飛行器進行10米以上的限制,這就需要對飛行器進行遠距離紅外限制.在整個通信中,需要一個發(fā)射端和一個接收端.發(fā)射端采用單片機將待發(fā)送的二進制信號編碼調制為一系列的脈沖用信號,通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號.紅外接收端采用價格廉價,性能可靠的一體化紅外接收管接收紅外信號,它同時對信號進行解調、放大、檢波、整形,得到相應的信號,再送給單片機,經單片機限制相關被控對象.電源電路設計電源模塊在系統(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

供給作為保證,為系統(tǒng)的各個模塊提供動力.穩(wěn)定的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長時間穩(wěn)定的工作,而如果電源模塊設計的不夠合理,那么就像在系統(tǒng)中埋下了一顆定時炸彈,系統(tǒng)隨時都可能因此而崩潰.所以電源模塊的設計必須非常謹慎,以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性.本設計中電機和驅動芯片需要5V電壓供電,微限制器和接收模塊那么需要3.3V電壓,故采用開關電源方案實現(xiàn)5V穩(wěn)壓電源,采用線性電源實現(xiàn)3.3V數(shù)字電源.開關電源方案采用開關電源芯片LM2596-ADJ配合電感器件組成BUCK型拓撲結構實現(xiàn)5V穩(wěn)定電壓.LM2596系列是美國國家半導體公司生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片,它包含1.23V基準穩(wěn)壓電路和150KHz固定頻率振蕩器,并具有限流、熱關斷等完善的保護電路.利用該器件只需要極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路,其轉換效率可達75%?88%.本次設計電路配置如圖3.5所示［6］.THHZTHHZO圖3.5LM2596電路圖V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節(jié)器.具壓差在1.2V時,輸出負載電流可達800mA.LM1117提供3.3V、5V、12V及可調等多個電壓檔次的產品.LM1117提供限流與過入保護等保護機制.飛行器設計的電路中3.3V的電路配置如圖3.6所示.

圖3.6LM1117—3.3電路圖3.3硬件局部的整體電路圖前兩節(jié)介紹了本次設計的硬件各局部的接線和功能,如圖3.7所示為設計的總體電路圖,主要包括單片機內部最小系統(tǒng)、單片機與兩片電機驅動L298的連接和L298與四個電機的連接電路.通過總體接線圖不僅可以清楚地看見各局部的連接方式,還可以了解到各局部的限制關系.圖3.8為單片機限制電機局部的整體接線圖,由于畫面的原因電機4的引腳連接在圖3.7中對應于圖3.8中L298n的輸出端L3和L4.遙控局部限制各種飛行功能的按鍵與單片機的P0口相連,當按鍵按下彈起后開始執(zhí)行對應功能.4u^iinvetvsIhQOU4u^iinvetvsIhQOUT1IKIIH4DUT24MT：%Bl陽1版P22W1DP213M11陛*2他即3P27/A1SPO.Q'.mcF0刈必E&WFO.ft.iweP0.7JAD7用:JCMaSP3.VTOF?詞而F33rtifTi的陽更1p3e^[P3.7JTOEH日OUTJEENEA0UT4S￡NS￡l屯ND圖3.8單片機限制局部電路4軟件設計及調試分析本章主要介紹了軟件局部的設計,主要包括單片機限制電機的調速原理及具體的調速方法,基于單片機的紅外遙控局部的軟件流程設計,以及基于本設計的Protues軟件仿真和結果分析.在程序編寫設計時主要是利用單片機C語言進行的,C語言在編程時比較靈活,可以運用多種方法進行同一功能的實現(xiàn),考慮到程序的簡練易懂,故用C語言對本次設計進行了編程.PWM調速原理分析脈沖寬度調制(PWM)是英文“PulseWidthModulation〞的縮寫,簡稱脈寬調制.它是利用位處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行限制的一種非常有效的技術,廣泛應用于測量,通信,功率限制與變換等許多領域.脈沖寬度調制(PWM)是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法.通過高分辨率計數(shù)器的使用,方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼.之后詳細設計了基于MCS-51單片機的直流小電機PWM調速的系統(tǒng)硬件電路以及各電路硬件說明目前單片機滲透到我們生活的各個領域,幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的追蹤0脈寬調制的根本原理：限制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行限制,是輸出端得到一系列幅值相等但寬度不等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形.也就是在輸出波形的半個周期產生多個脈沖,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)那么對各脈沖的寬度進行調制,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是利用開關管對直流電機進行PWM調速限制的原理圖和輸入輸出電壓波形.在圖4.1(a)中,當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時,開關管導通,直流電機電樞繞組兩端有電壓Us.t1秒后,柵極輸入變?yōu)榈碗娖?開關管截止,電動機電樞兩端電壓為00t2秒后,柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?開關管的動作重復前面的過程.這樣,對應著輸入的電平上下,直流電機電樞繞組兩端的電壓波形如圖4.1(b)所示.電機電(4.1)樞繞組兩端的電壓平均值(4.1)U0=(t1Us+0)/(t1+t2)=aUs

a表示在一個周期里,開關管導通的時間與周期的比值.變化范圍在0和1之間.由式,當電源電壓Us不變的情況下,電樞的端電壓的平均值Uo取決于占空比a的大小,改變a的值就可以改變端電壓的平均值,實現(xiàn)調速,這就是本次設計用到的PWM調速原理.(b)輸入(b)輸入輸出電壓波形(a)原理圖圖4.1PWM調速限制原理圖和電壓波形占空比a是PWM調速的一個重要參數(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)調頻調寬法：它是保持t2不變,只改變t1,這樣使周期T也隨之改變.(3)定頻調寬法：它是使周期T保持不變,而同時改變t1和t2.前兩種方法由于在調速時改變了限制脈沖的周期(或頻率),當限制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時,將會引起振蕩,因此這兩種方法用的比較少.目前,直流電機主要采用定頻調寬的方法限制.[8]調速局部設計及分析有了上文中PWM原理的根底,飛行器的調速局部的設計主要涉及到的知識是單片機AT89C51中定時/計數(shù)器的工作原理,實現(xiàn)調速輸出PWM波形那么主要利用定時器的定時功能,改變定時時間就能實現(xiàn)調速.對于單片機根本的引腳功能介紹已經在前文介紹過了,此處就不做解釋了.本節(jié)主要對調速的內容進行具體的解釋說明.首先介紹一下單片機AT89C51的定時/計數(shù)器,AT89C51內含有二個16位的定時器/計數(shù)器T0和T1,他們都可以分別作為定時器或計數(shù)器使用.當使用于定時器方式時,定時器的輸入來自內部時鐘發(fā)生電路,每過一個機器周期,定時器加1,而一個機器周期包含有12個振蕩周期,所以,定時器計數(shù)頻率為晶振頻率的1/12.在計數(shù)器工作方式中,計數(shù)器是對外部事件計數(shù),計數(shù)脈沖是來自外部輸入引腳,當外部輸入引腳發(fā)生“1〞和“0〞的負跳變時,計數(shù)器加1.內部硬件在每個機器周期的S5P2采樣外部輸入引腳狀態(tài),當在一個機器周期采樣到高電平,接著另一個周期采樣到低電平時,計數(shù)器的值將在檢測到變化后的下一個周期的S3P1中被更新,由于對外部事件的檢測需要兩個機器周期.所以計數(shù)頻率最高為晶振頻率的1/24.T0和T1除了有定時器和計數(shù)器功能外,還有四種工作方式,分別為：13位定時器方式；16位定時器方式；8為常數(shù)自動重裝方式；分定時器工作方式.由于本次設計只用到了定時器T0,所以在說明時就以T0定時器為例,T1的工作方式和T0是相同的.一、T0的工作方式限制定時器/計數(shù)器T0的工作方式選擇是通過對SFR中的定時器方式存放器TMOD編程定義的,四種工作方式由TMOD存放器的M1、M0位確定,C/T位用于選擇定時器功能或計數(shù)器功能.方式存放器TMOD的格式定義如下：GATEC/TM2M0定時器T0圖4.2T0的工作方式限制GATE一門限制,當GATE=1時,僅當限制存放器TCON的TRX=1〔X為0或1〕,且INTX端為高電平時,定時器/計數(shù)器才計數(shù).當GATE=0時,定時器/計數(shù)器由TRX限制,TRX為1,允許計數(shù),TRX為0,不允許計數(shù).C/T一定時器和計數(shù)器選擇位.C/T=0為定時器方式.C/T=1為計數(shù)器方式.

M1M0一工作方式選擇位,如表4.1所示表4.1M1M0的工作方式M1M0方式功能00013位的定時器/計數(shù)器01116位的定時器/計數(shù)器102常數(shù)自動裝入的8位的定時器/計數(shù)器僅適用于T0,分為二113個8位定時器/計數(shù)器T1在方式3時停止計當M1M0為10時,定時器/計數(shù)器工作方式為2,在此方式下,設置了一個8位的計數(shù)器,并具有自動回復計數(shù)初值的功能.以T0為例,將TL0作計數(shù)器；而TH0作寄存器使用,存放計數(shù)初值,當TL0作增1計數(shù)至溢出時,除了把溢出標志位TF1置1外,同時還將TH0中的計數(shù)初值送入TL0中,使TL0又重新從初值開始計數(shù).飛行器設計中由于需要限制多種飛行功能,所以在軟件編程中涉及到的調速局部有很多,本局部主要以加速為例來說明一下此次畢業(yè)設計中的調速的局部.由流程圖可以看出當按鍵按下時就向單片機發(fā)出了中斷請求,開始利用定時器實現(xiàn)速度限制,定制器發(fā)出中斷請求后進入中斷效勞程序,中斷響應結束后回到主程序循環(huán)等待下次中斷.

圖4.圖4.3加速流程圖對應的定時器初始化局部的程序如下:voidTime0_int()//定時器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計選擇的定時器為T0,工作方式2,在方式2的模式下T0為8位的定時/計數(shù)器,最大計數(shù)時間為256,.設置的定時器計數(shù)初值為56,根據(jù)公式(4.2)所示為定時器初值的計算方法.T=(256—計數(shù)初值)X晶振周期X12(4.2)式(4.1)中T就是脈沖信號的定時時間,本次設計中單片機晶振頻率為12MHZ,賦給定時器的初值為56,那么單片機要計數(shù)200次后溢出中斷,計數(shù)加1就相當于多延時1um的時間,所以上述程序中實現(xiàn)了定時200um,即脈沖信號的周期為200um.在調速時,只要改變高電平的延時時間就能實現(xiàn)PWM調速.[10]voidTime0()interrupt1using1//定時效勞程序(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;))上面一段程序為中斷效勞程序,在總程序的開始定義了連接按鍵的單片機端口,M13、M23、M33、M43為電機驅動芯片L298的使能端,用于輸出PWM調速脈沖,在上述程序中定義了比較脈沖計數(shù)器,用來判斷單片機發(fā)出的脈沖數(shù)是否為需要的值,一旦到達最初設定的脈沖周期數(shù),計數(shù)器歸0重新發(fā)脈沖.同時也判斷高電平時間,如果判斷高電平到達設定的時間那么將高電平取反輸出低電平,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；“counters為電機1的比較計數(shù)器,“pwmH1〞為限制電機1的脈沖高電平計數(shù)器,當counter1的計數(shù)值大于等于pwmH1的設定值時,電機1為低電平.4.3紅外遙控系統(tǒng)的程序設計在第三章第二節(jié)中只是簡單的介紹了本設計中用到的是基于單片機的紅外遙控系統(tǒng),本節(jié)將對其工作原理進行詳細的說明,包括根本原理、整體電路設計、軟件流程和程序的簡單設計.紅外信號的發(fā)射也是基于單片機AT89C51實現(xiàn)的,前文對于AT89C51的介紹已經夠詳細了,在此也就不多累贅了.其電路設計主要有兩局部紅外發(fā)射和紅外接收.紅外發(fā)射局部當某個操作按鍵按下時,單片機先讀出鍵值,然后根據(jù)鍵值設定遙控碼的脈沖個數(shù),在調制成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(二進制脈沖碼)調制在38KHZ的載波上,經緩沖放大后送至紅外發(fā)光管,轉為紅外信號發(fā)射出去的.為了提升抗干擾性能和降低電源消耗,將上述的遙控編碼脈沖對頻率為38KHZ的載波信號進行調制,再經緩沖放大器放大后送至紅外發(fā)光管,將遙控信號發(fā)出［11］.如圖4.4是發(fā)射局部的根本框圖.

圖4.4發(fā)射局部框圖紅外信號發(fā)射過程：首先裝入發(fā)射脈沖個數(shù)〔發(fā)射是為3ms脈沖,停發(fā)時為1ms脈沖〕,此時假設發(fā)射脈沖個數(shù)為1那么返回主程序,假設不為1那么發(fā)1ms脈沖,然后停發(fā)1ms脈沖,這樣便結束整個發(fā)射過程.在實踐中,采用紅外線遙控方式時,由于受遙控距離,角度等影響,使用效果不是很好,如采用調頻或調幅發(fā)射接收碼,可提升遙控距離,并且沒有角度影響.圖4.5為發(fā)射局部的流程圖.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產生電路以不同的脈沖編碼〔不同的脈沖數(shù)目及組合〕代表不同的限制指令.單片機遙控發(fā)射器主要由單片機、操作桿、紅外發(fā)射電路三局部組成.單片機局部主要完成遙控發(fā)射過程.遙控器信息碼由AT89C51單片機的定時器1中斷產生38KHz紅外方波信號,由P0.7口輸出,經三極管放大后,由紅外發(fā)射管發(fā)射,改變滑動變阻的阻值大小可以改變紅外發(fā)射的距離.發(fā)射局部的主要元件為紅外發(fā)光二極管.它實際上是一只特殊的發(fā)光二極管,由于其內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,它發(fā)出的便是紅外線而不是可見光.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)射通過操作鍵盤產生具有不同的編碼數(shù)字脈沖,這種代碼信號指令調制在38KHZ的載波上,鼓勵紅外二極管產生不同的脈沖,通過空間的傳送到受控機的接收器.P1□作為按鍵局部,P0.7□作為紅外發(fā)射局部.電路圖如圖4.6所示.紅夕閡揖P0.7VeeR12GNDGGND圖4.6紅外發(fā)射電路圖紅外接收局部紅外接收局部主要是由光敏二極管接收到發(fā)射管發(fā)出的紅外線后,將光信號好轉換為電信號,再把信號送給單片機,單片機經過解調后執(zhí)行對應按鍵所要求的功能.圖4.7為紅外接收局部的根本框圖,在設計電路時就是根據(jù)以下列圖進行的.

紅外一體化紅外一體化接收頭單片機

AT09C51

解調被執(zhí)應控行請對相求圖4,7紅外接收局部根本框圖紅外遙控接收局部的主程序和初始化程序如下：首先進行初始化,然后檢查是否接受標志位,假設有那么調用相應的操作程序,然后清零中斷標志位.(1)數(shù)據(jù)幀的接收處理當紅外接收器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)時,第一位碼的低電平將啟動中斷程序,實施接收數(shù)據(jù)幀的操作.在數(shù)據(jù)幀接收時,將對第一位(起始位)碼的碼寬進行驗證.假設第一位低電平碼碼寬小于3ms,將作為錯誤碼處理.當間隔位的高電平脈寬大于2ms時,結束接收,然后根據(jù)累加器A中的脈沖個數(shù),調用相應的操作程序,執(zhí)行相應輸出口的操作［12］,(2)接收端程序流程圖初始化

初始化中斷過程：首先判斷低電平脈沖寬度是否大于2ms,假設脈寬不到3ms,那么中斷返回;假設低電平脈寬大于2ms,那么進行接收并對脈沖個數(shù)進行計數(shù).然后判斷高電平脈沖寬度是否大于2ms,假設高電平脈沖寬度不到2ms,那么返回上一接收計數(shù)過程再次進行計數(shù)；假設高電平脈寬大于2ms,那么根據(jù)統(tǒng)計的脈沖個數(shù)調用相應的操作程序.此時中斷返回.圖4,9紅外接收中斷流程圖紅外接收電路：在接收過程中,信號經過HS0038一體化紅外接收頭,此信號經過解調、放大、檢波、整形再送到單片機中,從而完成相應的遙控功能.接收電路圖見圖4.10.根據(jù)遙控信號編碼和發(fā)射過程,遙控信號的識別一即解碼過程就是去除38KHZ載波信號后識別出二進制脈沖碼中的0和1由MCS-51系列單片機AT89C51、一體化紅外接收頭、復原調制與紅外發(fā)光管驅動電路組成.一體化紅外接收頭HS0038的解調可以理解為：接收到紅外脈沖用時,輸出低電平,否那么輸出高電平,顯然輸出的信號極性與發(fā)送信號的相反.所以解碼是要將接收到的信號經過反向才能和發(fā)送信號編碼一致.當接收端接收到表示傳輸開始的同步幀后,接收

單片機進入解碼過程,解碼采用軟件抽樣判決.紅外遙控器接收局部由主程序、信號解碼子程序和執(zhí)行限制子程序,主程序負責初始化,檢查有無紅外信號.限制程序那么隨各設備的不同而不同.HS0038可以直接對紅外信號進行解調,并將解調后的信號直接給微處理器進行解碼和存儲.接收局部主要元件是紅外接收管,它是一種光敏二極管〔實際上是三極管,基極為感光局部〕.在實際應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用時是反向運用,這樣才能獲得較高的靈敏度.[13]VCC電源10.Ol0.OluFC82.2uF地3圖4.10紅外接收電路4.3.3鍵盤設計單片機系統(tǒng)所用的鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種.1〕編碼鍵盤本身除了按鍵之外,還包括產生鍵碼的硬件電路.只要按下編碼鍵盤的某一個鍵,它就能產生這個鍵的代碼,并稱為鍵碼,與此同時還產生一個脈沖信號,以通知CPU接收鍵碼,編碼鍵盤的優(yōu)點是使用比較方便,亦不需要編寫太復雜的程序＜其缺點是使用的硬件較復雜.2〕非編碼鍵盤的按鍵是排列成行、列矩陣形式的.按鍵的作用只是簡單地實現(xiàn)接點的接通或斷開,因此必須有一套相應的程序與之配合,才能產生相應的鍵碼,非編碼鍵盤幾乎不需要附加什么硬件電路.因此為了簡潔電路,我使用非編碼鍵盤.但使用非

編碼鍵盤需要通過軟件來解決按鍵的識別、防抖動以及如何產生鍵碼的問題.基于鍵數(shù)少的原因我采用獨立式鍵盤接口與單片機相連接,由于它占用的I/O口不多.圖中每個按鍵占用一個口,彼此獨立,互不影響.上拉電阻保證按鍵沒被按下時,I/O口輸入高電平.獨立式鍵盤可工作在查詢方式下,通過I/O口讀入鍵狀態(tài),當有鍵被按下時I/O口變?yōu)榈碗娖?而未被按下的鍵對應為高電平,這樣通過讀電平狀態(tài)可判斷是否有鍵按下和哪個鍵被按下.本次設計中發(fā)射局部采用的是8個獨立式鍵盤進行飛行邏輯限制,由單片機的P0口連接鍵盤的各個按鍵P1.0口為油門加,P1.1口為油門減,P1.2為左轉向,P1.3為右轉向,P1.4為前進,P1.5為后退,P1.6為左側飛,P1.7為右側飛.圖4.11為按鍵局部的電路圖.啟停四軸飛播遙播捕啟停四軸飛播遙播捕向圖4.11四軸飛行器遙控器電路圖5調試分析本次四軸飛行器的設計雖然沒有進行實物的制作,當然也就不可能實際試飛了,所以在理論的根底上利用了keil和Protues仿真軟件的結合對本次設計進行了簡單的仿真調試.在此說明一下,由于在仿真的時候并沒有將紅外遙控局部加進去,所以在繪制電路圖的時候將遙控器的按鍵局部直接與飛行器的微限制器相連,并進行了相應程序的編寫.在進行仿真時,可以在電機運行的同時由示波器顯示出四個電機的輸出波形,這樣可以直觀的看見調速的過程.本節(jié)主要對keil和Protues軟件進行介紹以及仿真現(xiàn)象結果的分析.Protues簡介.Protues是英國LabcenterElectronics公司研發(fā)的公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件.它運行于Windows操作系統(tǒng)上,可以仿真、分析〔SPICE〕#種模擬器件和集成電路,該軟件的特點是：①實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合.具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等.②支持主流單片機系統(tǒng)的仿真.目前支持的單片機類型有：ARM7、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列J、HC11系列以及多種外圍芯片.③提供軟件調試功能.在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能,同時可以觀察各個變量、存放器等的當前狀態(tài),因此在該軟件仿真系統(tǒng)中,也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境,如KeilC51uVision2、MPLAB等軟件.④具有強大的原理圖繪制功能.總之,該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件,功能極其強大.在Protues仿真系統(tǒng)中可以快速、方便地繪制出單片機應用系統(tǒng)的原理圖..下面介紹一下Protues軟件的界面與操作,主界面是原理圖繪制窗口,如圖5.1.它是各種電路、單片機系統(tǒng)的Protues仿真平臺.元器件要放到編輯區(qū).原理編輯窗口、沒有滾動條,可以通過預覽窗口改變原理圖的可視范圍.

圖5.圖5.1ProtuesISIS的工作界面在左上角的藍色框的局部是預覽窗口,預覽窗口可以顯示兩個內容：一個是在元器件列表中選擇一個元器件時,顯示該元器件的預覽圖；另一個是鼠標焦點落在原理圖編輯窗口時,顯示整張原理圖的縮略圖,并會顯示一個綠色的方框,綠色的方框里面的內容就是當前原理圖窗口中顯示的內容.通過改變綠色的方框的位置,可以改變原理圖的可視范圍.由上圖可以看見在預覽窗口的下方有P按鈕,由按鈕和空白區(qū)域構成了對象選擇器,對象選擇器用來選擇元器件、終端、圖表、信號發(fā)生器和虛擬儀器等.對象選擇器上方有一個條形標簽,說明當前所處的模式及所列的對象類型.選中器件后,該元器件會出現(xiàn)在預覽窗口中,簡單明了[14].上述是對Protues仿真軟件進行了簡單的介紹,而在進行仿真時需要將C語言程序裝載到Protues中才能進行仿真,所以下面用一小局部介紹一下KeilC51的集成開發(fā)環(huán)境.KeilC51是眾多單片機集成開發(fā)環(huán)境中的一種,它是德國Keil公司開發(fā)的,是目前世界上最優(yōu)秀、最強大的51單片機開發(fā)應用平臺之一.具有編譯時間短、可產生最少的代碼量、支持浮點和長整形、重入和遞歸等特點,因而得到許多51單片機開發(fā)者的青睞.KeilC51它集編譯、編輯、仿真與一體,支持匯編、PL/M語言和C語言的程序設計,界面友好,易學易用.它內嵌的仿真調試軟件可以讓用戶采用模擬仿真和實時在線仿真兩種方式對目標系統(tǒng)進行開發(fā).軟件仿真時,除了可以模擬單片機的I/O口、定時器、中斷外,甚至可以仿真單片機的串行通信圖4.12為KeilC51的操作界面.MCS—51集成開發(fā)環(huán)境KeilC51開發(fā)過程為：1〕建立一個工程工程,選擇芯片,確定選項.2〕建立C源文件.3〕用工程治理器生成各種應用文件.4〕檢查并修改源文件中的錯誤.5〕編譯連接通過后進行軟件模擬仿真.6〕編譯連接通過后進行硬件模擬仿真.7〕編程操作.8〕應用.在圖5.2中可以看見,有空白處會顯示出編譯后的程序,只要在軟件中編輯好需要的程序,生成目標文件并且要轉換成Hex文件格式才能在仿真軟件中進行仿真.本次設計中主要是通過仿真出在不同的按鍵作用下,飛行器的四個電機進行不同方式的轉動,在仿真時觀察電機的運動規(guī)律是否符合設計所要求的邏輯關系,如果符合那么說明設計是可行的,如果不符合說明程序在設計的時候還有需要修改的地方,這就需要我們自己通過查閱資料來解決了.圖5.2KeilC51的操作界面

調試結果分析由于需要調試的功能很多所以在此就不一一列舉了,下面介紹的是以本次設計中加速、左飛和上升局部的仿真效果圖,通過運行界面可以看出四個電機的速度都是變化的,再通過示波器可以看見每個直流電機的輸出脈沖波形的寬度也是變化的.從順時針方向看為電機1、電機2、電機3和電機4,黃色的是電機1的波形,藍色的為電機2的波形,紫色的為電機3的波形,綠色的為電機4的輸出波形.彳gVif-AEdeTr?-^0,陰知產?：?TiwnpAWHflp___0e..電金口||[%laXilBIKftlBBIB(b)圖5.3加速仿真效果圖圖5.3中〔a〕顯示的是按下啟動鍵后各電機的運行情況,〔b〕為按下加速鍵后四個電機的運行情況,可以明顯看出輸出波形加寬,四個電機同時加速,產生的扭矩是相同的但是是增加的,因此就實現(xiàn)了飛行器整體速度的增加,滿足設計要求.圖5.4前進仿真圖圖5.4顯示的是按下前進鍵后,仿真界面出現(xiàn)的結果,從圖中可以看出電機3的輸出波形的脈沖寬度是增加的其他3個電機的脈沖寬度是減小的,也就是說電機3的速度是增加的,由電機3產生的扭矩是增加的,而其他3個電機的速度是減小的,隨之扭矩也減小.在反扭矩的作用下飛行器實現(xiàn)向前飛行.前文已經說明本次設計需要實現(xiàn)四軸飛行器的啟停、升降、左右轉、左側飛、右側飛,因此在進行調試的時候,就要通過手動按下相應的按鈕觀察電機轉速和波形.當然在開始調試的時候也會遇到一些問題,比方電機不轉,波形不對等等,但是在一次次的調試過程中就會發(fā)現(xiàn)問題的所在并在老師的指導下及時的解決了.此次的設計對于所要求的功能根本實現(xiàn)了,但是也有缺乏,還不夠完美,在設計時就用到了電源模塊、微控制器模塊、和遙控模塊,只是實現(xiàn)了根本的飛行功能,并沒有用陀螺儀來保證飛行器的飛行更加穩(wěn)定,整個限制屬于開環(huán)限制.如果用閉環(huán)限制的方法會使整個結構更加穩(wěn)定效果更好.希望以后有時機還能繼續(xù)研究做的更加完善,實現(xiàn)的功能更多.結束語本次畢業(yè)設計的題目是四軸飛行器運動限制系統(tǒng)的設計,根據(jù)四軸飛行器的工作原理,設計了整體的機械結構和基于AT89C51的運動限制系統(tǒng),對構成飛行器各個硬件和整體參數(shù)對系統(tǒng)主要模塊的硬件設計包括模塊的器件選型和設計方法,包括限制器模塊、四個電機限制模塊、電源模塊、遙控模塊進行了詳細的介紹,重點集中在飛行器控制硬件的設計局部,通過一定的飛行邏輯分析限制飛行器實現(xiàn)平穩(wěn)的飛行.設計中實現(xiàn)了啟停、左右轉、右右側飛、前進后退及加減速五種飛行限制,在遙控限制局部根本實現(xiàn)了紅外信號的發(fā)出和接收.總體上根本實現(xiàn)了設計要求的功能.設計的要求根本能夠到達,但是設計的還不夠完善,在進行Protues仿真時,沒有將遙控局部加進去,而是直接將鍵盤的局部接到了微限制器AT89C51的對應端口上.對于紅外遙控設計本身,紅外光的發(fā)射與接收會受到日光的影響,進而會影響發(fā)射距離,而紅外線在發(fā)射時的限制距離不能到達特別遠的距離,因此這種技術應用在飛行器方面還不是很成熟.實際的應用限制中,還有待驗證.致謝持續(xù)緊張和忙碌半年的畢業(yè)設計終于結束了,在此我特別感謝帶我的指導老師-楊旗老師,在這次畢業(yè)設計中對我的的耐心指導和幫助.還有各位同學在此期間對我的幫助和鼓勵,使我在設計的時候信心十足.感謝學校給我門這次畢業(yè)設計的時機和其它的幫助.還有一同討論、幫助我設計的同學表示感謝.在這次畢業(yè)設計中,老師的教導和同學們的協(xié)作,使我受益匪淺.感謝同組的同學在我進行不下去的時候和我一起討論并找到解決方案.沒有老師和他們的幫助、查找資料.對于我一個對單片機知識一竅不通的人來說要想在短短的幾個月的時間里學習到計算機限制的知識并完成畢業(yè)論文是很困難的事情.所以,非常感謝我的指導老師和我的組員.最后感謝辯論組的各位老師.參考文獻[1]紀名剛.機械設計.第八版高等教育出版社,2006年：34-35[2]馬杰.小型直流電機限制.1版科學出版社,2021年：70[3]余永權.Flash單片機原理及應用.北京：電子工業(yè)出版社,1997年：88-101[4]胡漢.單片機原理及其接口技術.3版北京：清華大學出版社,2021年：59-61[5]秦曾煌.電工學.6版北京：高等教育出版社,106—134[6]范永濤.四軸飛行器運動限制系統(tǒng)設計.二級.2021年：25-26[7]朱玉璽,崔如春.計算機限制技術.2版北京：電子工業(yè)出版社,2021年：44-45[8]陳繼文,楊紅娟,于復生.單片機機械限制設計及典型應用.1版北京：化學工業(yè)出版社,2021年：46—48[9]吳金戌.8051單片機實踐與應用研究[M].北京：清華大學出版社,2002年：2-409[10]郭天祥.新概念51單片機C語言教程.1版電子工業(yè)出版社,2021年：56-78[11]周華,宋公明,陳志輝.基于51單片機的綜合性多鍵位數(shù)控鍵盤設計,制造業(yè)自動化2005年,第27卷增刊[12]趙亮.單片機C語言編程與實例[M].北京：人民郵電出版社,2003年：3—432[13]瞿貴榮.15通道紅外遙控電路[J].實用電子制作,2005年：10[14]蔣敏.從Proteus仿真設計到實際產品制作.科技創(chuàng)新導報,2021年：21,23[15]莊一方.專利文獻的英漢譯.知識產權出版社,1—12附錄A外文原文AnalysisandImplementationofaNovelSingleChannelDirectionFindingAlgorithmonaSoftwareDefinedRadioPlatformJohnJosephKeavenyCapter1Aradiodirectionfinding(DF)systemisanantennaarrayandareceiverarrangedinacombinationtodeterminetheazimuthangleofadistantemitter.Basically,allDFsystemsderivetheemitterlocationfromaninitialdeterminationoftheangle-of-arrival(AOA).Radiodirectionfindingtechniqueshaveclassicallybeenbasedonmultiple-antennasystemsemployingmultiplereceivers.ClassictechniquessuchasMUSIC[1][2]andESPRITusesimultaneousphaseinformationfromeachantennatoestimatetheangle-of-arrivalofthesignalofinterest.Inmanyscenarios(e.g.,hand-heldsystems),however,multiplereceiversareimpractical.Thus,singlechanneltechniquesareofinterest,particularlyinmobilescenarios.AlthoughtheamountofexistingresearchforsinglechannelDFisconsiderablylessthanformulti-channeldirectionfinding,singlechanneldirectionfindingtechniqueshavebeenpreviouslyinvestigated.Whenconsideringsinglechanneldirectionfindingsystems,wefindthattherearetwodistincttypesofDFsystems.ThefirsttypeofDFsystemistheamplitude-basedDFsystem.Amplitude-basedsystemsdeterminethebearingofthesignal(ortheAOA)byanalyzingtheamplitudesoftheoutputvoltagesfromeachantennaelement.AmplitudeDFsystemsincludetheWatson-WatttechniqueusinganAdcockantennaarray.ThesecondtypeofDFsystemisthephase-basedDFsystem.Phase-basedsystemsusethreeormoreantennaelementsthatareconfiguredinawaysothattherelativephasesoftheiroutputvoltagesareuniqueforeverywavefrontangle-of-arrival.Phase-basedDFsystemsincludethePseudo-Dopplertechniquewithacommutativeswitchbasedantennaarray.Sincebothoftheabovetechniquesareprimarilyanalogtechniquesandhavebeenanalyzedinpreviouswork,wewillinvestigateanewsinglechanneldirectionfindingtechniquethattakesspecificadvantageofdigitalcapabilities.Specifically,weproposeaphase-basedmethodthatusesabankofPhase-LockedLoops(PLLs)incombinationwithaneight-elementcirculararray.OurmethodissimilartothePseudo-Dopplermethodinthatitsamplesantennasinacirculararrayusingacommutativeswitch.IntheproposedapproachthesampleddataisfedtoabankofPLLswhichtracksthephaseoneachelement.TheparallelPLLsareimplementedinsoftwareandtheiroutputsarefedtoasignalprocessingblockthatestimatestheAOA.ThisthesispresentsthedetailsofthenewalgorithmandcomparesitsperformancetoexistingsinglechannelDFtechniquessuchastheWatson-WattandthePseudo-Dopplertechniques.WealsodescribetheimplementationofthealgorithmonaDRSSignalSolutionsIncorporated(DRS-SS),WJ-8629ASoftwareDefinableReceiverwithSunrise.Technologyandpresentmeasuredperformanceresults.Simulationsonasignalwith10dBSNRhaveshownthattheWatson-WattalgorithmandthePseudo-Doppleralgorithmhaveanaccuracythatisworsethantheproposedtechniquebyapproximatelyanorderofmagnitude.Thealgorithmwasimplementedonasingle-channelDSP-basedsoftwareradiowithahomemadeeight-elementcircularantennaarray.TheWJ-8629AsoftwaredefinedradioreceiverwasprovidedbyDRS-SSinordertoimplementouralgorithm.TheimplementationwastestedusingaCWsignalat~1.57068GHzinalowmultipathlaboratoryenvironmentandoutdoors.TheperformanceoftheprototypeiscomparedtothedataprovidedbythesimulationsinMatlab.Implemen