單片機(jī)控制的遙控小飛機(jī)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25389單片機(jī)控制的遙控小飛機(jī)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 120571第1章遙控小飛機(jī)的硬件選擇 1304621.1單片機(jī)選擇 120461.2遙控小飛機(jī)的彩燈模塊設(shè)計(jì) 261321.2.1彩燈選擇 3271681.2.2彩燈工作原理 3196191.3遙控小飛機(jī)的音樂(lè)模塊設(shè)計(jì) 4154791.1.1揚(yáng)聲器選擇 4326561.1.2音樂(lè)播放原理 5134301.4遙控小飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 6146881.2.1電機(jī)型號(hào)選擇 695381.2.2電機(jī)控制器選擇 63631.2.3遙控小飛機(jī)運(yùn)行原理 777951.5遙控小飛機(jī)的遙控模塊設(shè)計(jì) 9163901.5.1遙控方式選擇 924911.5.2紅外線發(fā)射接收裝置型號(hào)的選擇 1061471.5.3紅外遙控原理 101768第2章遙控小飛機(jī)的軟件控制設(shè)計(jì) 1364472.1開發(fā)平臺(tái)Keil 132262.2彩燈模塊控制 14317132.3音樂(lè)模塊控制 1529542.4遙控運(yùn)動(dòng)模塊控制 15第1章遙控小飛機(jī)的硬件選擇1.1單片機(jī)選擇由于在課程中學(xué)習(xí)和平時(shí)接觸最多的就是51單片機(jī)，因此在單片機(jī)選擇方面我選擇AT8951系列單片機(jī)。89系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與80C51相近，C51是128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4千字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，C52是256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8千字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，在內(nèi)核構(gòu)造和指令系統(tǒng)與C51幾乎一樣的前提下，C52還增大了內(nèi)存空間，因此我選擇C52單片機(jī)作為智能遙控小飛機(jī)的控制芯片。C52單片機(jī)簡(jiǎn)介：

AT89C52是一種高性能、低功耗的8位單片機(jī)。片內(nèi)含8千字節(jié)的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)。使用ATML公司高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)器件，與標(biāo)準(zhǔn)80C51指令系統(tǒng)及80C52產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和FLASH由存儲(chǔ)單元，因此功能強(qiáng)大的AT89C52單片適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。C52的主要性能參數(shù):8個(gè)中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式全靜態(tài)操作:0HZ-24MHZ三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器256X8字節(jié)內(nèi)部RAM8字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫周期32個(gè)可編程I/O口線3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器.與Mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。圖1.80C52單片機(jī)各引腳1.2遙控小飛機(jī)的彩燈模塊設(shè)計(jì)1.2.1彩燈選擇在彩燈方面需要燈泡通電穩(wěn)定且有足夠多發(fā)光顏色的型號(hào)，市面上大多數(shù)普通的發(fā)光二極管都可滿足上述要求，因此選擇下圖樣式的發(fā)光二極管。圖2.發(fā)光二極管1.2.2彩燈工作原理圖1.彩燈接線原理圖2.彩燈開關(guān)彩燈的本質(zhì)就是一個(gè)發(fā)光二極管，只是各個(gè)彩燈接通時(shí)發(fā)出光的顏色不同。根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ晕覀冊(cè)谶@八個(gè)彩燈右側(cè)外接一個(gè)電源，由于C52單片機(jī)引腳內(nèi)置上拉電阻導(dǎo)致在其無(wú)命令時(shí)引腳保持高電平狀態(tài)，此時(shí)二極管兩側(cè)都為高電壓因此不導(dǎo)通。LIGHT）ON/OFF按鍵接在單片機(jī)P2.7引腳上，另一側(cè)接地，而當(dāng)按下（LIGHT）ON/OFF按鍵時(shí)，P2.7引腳跟著變?yōu)榈碗娖?，根?jù)單片機(jī)內(nèi)寫入的程序使單片機(jī)P1.0-P1.7引腳依次獨(dú)立變?yōu)殡娖?，?duì)應(yīng)引腳的二極管被加上正向電壓導(dǎo)通發(fā)光，此狀態(tài)依次在這八個(gè)引腳循環(huán)，組成一個(gè)流水燈模塊。在再次按下（LIGHT）ON/OFF按鈕時(shí)，單片機(jī)P1.0-P1.7八個(gè)引腳全部恢復(fù)為高電平，八個(gè)二極管全部不導(dǎo)通，流水燈結(jié)束。1.3遙控小飛機(jī)的音樂(lè)模塊設(shè)計(jì)1.1.1揚(yáng)聲器選擇在揚(yáng)聲器選擇方面需要其通電時(shí)穩(wěn)定無(wú)雜音且聲音足夠響亮，為了方便選擇無(wú)需外接電源可以直接用單片機(jī)輸出電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器模塊圖5.蜂鳴器1.1.2音樂(lè)播放原理如果要想發(fā)出相應(yīng)的音頻脈沖，只需算出某一音頻的周期(1/頻率)，然后將此周期除以2，即可得出半周期的時(shí)間。然后再利用定時(shí)器來(lái)計(jì)時(shí)這個(gè)半周期的時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到后就將輸出脈沖的I/O進(jìn)行反相，繼而重復(fù)計(jì)時(shí)此半周期的時(shí)間再對(duì)I/O進(jìn)行反相操作，該頻率的脈沖就可在I/O引腳上得到。

利用80C52的內(nèi)部定時(shí)器0，使其工作在方式1模式下，改變THO及TL0的值即可發(fā)出不同頻率的音頻脈沖。例如頻率為523Hz其周期T=1/523=1912us，因此只要令定時(shí)器計(jì)時(shí)956us/1us=956,在每次計(jì)數(shù)956次時(shí)將I/O進(jìn)行反相操作，就可得到中DO(523Hz)音。

脈沖計(jì)數(shù)值與頻率的關(guān)系公式如下:

N=F/2/r

N:計(jì)數(shù)次數(shù):

F:音頻的脈沖頻率;

r:單片機(jī)的機(jī)器周期;

定時(shí)器初始值T=65536-N一首音樂(lè)的節(jié)拍部分即可用一個(gè)延時(shí)函數(shù)yanshi（）來(lái)操作，若1/8拍為1yanshi（），那么1/4拍就為2yanshi（），依次類推。根據(jù)以上的原理綜合即可對(duì)音樂(lè)程序進(jìn)行編程編譯，完成對(duì)音樂(lè)模塊的操作。圖6.蜂鳴器接線圖7.音樂(lè)模塊按鍵1.4遙控小飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)1.2.1電機(jī)型號(hào)選擇由于小飛機(jī)采用兩輪驅(qū)動(dòng)且重量小，對(duì)于電機(jī)功率的要求不是很大，選擇型號(hào)為R300C的普通直流電機(jī)如下圖所示圖8.R300C電機(jī)1.2.2電機(jī)控制器選擇因?yàn)閱纹瑱C(jī)引腳的驅(qū)動(dòng)能力低，因此需要外接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。L298N驅(qū)動(dòng)模塊在市場(chǎng)上存量大，驅(qū)動(dòng)能力完全符合上面所選的小電機(jī)，而且價(jià)格便宜且驅(qū)動(dòng)操作簡(jiǎn)單，因此選擇L298N作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊是合理的。圖9.L298N模塊1.2.3遙控小飛機(jī)運(yùn)行原理圖10.L298N模塊接線圖圖11.直流電機(jī)接線圖L298N模塊的IN1、IN2、IN3、IN4接口分別接在單片機(jī)的的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引腳，OU1、OUT2輸出接口接在小飛機(jī)的左輪，OUT、OUT2輸出口接在小飛機(jī)的右輪。單片機(jī)接收紅外發(fā)射器發(fā)射的信號(hào)經(jīng)處理后會(huì)改變IN各接口的電平高低狀態(tài)，進(jìn)而使左右電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)改變，完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止功能。在接收紅外信號(hào)的前進(jìn)指令時(shí)，IN1為高電平、IN2為低電平、IN3為高電平、IN4為低電平，左右輪全部正轉(zhuǎn)，小飛機(jī)前進(jìn)；接收紅外信號(hào)左轉(zhuǎn)指令時(shí)，IN1為低電平、IN2為高電平、IN3為高電平、IN4為低電平，左輪反轉(zhuǎn)右輪正轉(zhuǎn)，小飛機(jī)左轉(zhuǎn)；接收紅外信號(hào)右轉(zhuǎn)指令時(shí)，IN1為高電平、IN2為低電平、IN3為低電平、IN4為高電平，左輪正轉(zhuǎn)右輪反轉(zhuǎn)，小飛機(jī)右轉(zhuǎn)；接收紅外信號(hào)后退指令時(shí)，IN1為低電平，IN2為高電平，IN3為低電平，IN4為高電平，左右輪全部反轉(zhuǎn)，小飛機(jī)后退；接收紅外信號(hào)停止指令時(shí)，IN1、IN2、IN3、IN4全部為低電平，電機(jī)無(wú)驅(qū)動(dòng)，小飛機(jī)停止。表1.L298N邏輯表IN1IN2IN3IN4運(yùn)行狀態(tài)1010前進(jìn)1001右轉(zhuǎn)0110左轉(zhuǎn)0101后退0000停止1.5遙控小飛機(jī)的遙控模塊設(shè)計(jì)1.5.1遙控方式選擇現(xiàn)在常見的遙控方式大體有紅外遙控、無(wú)線電遙控和藍(lán)牙遙控三種，下面大概介紹一下這三種方式的原理。紅外遙控：遙控器依據(jù)事先選擇的相應(yīng)紅外通信協(xié)議發(fā)送一串紅外脈沖，由接收頭接收反饋給單片機(jī)進(jìn)行解碼處理，然后根據(jù)發(fā)送的信息來(lái)完成一系列操作。無(wú)線電遙控：發(fā)射端按頻率編碼發(fā)送一串無(wú)線電波，由接收頭接收反給單片機(jī)進(jìn)行解碼處理，根據(jù)發(fā)送的信息來(lái)操控相應(yīng)機(jī)構(gòu)藍(lán)牙遙控:藍(lán)牙遙控嚴(yán)格上也屬于無(wú)線電的一種，但是其發(fā)射端由專用遙控器變成了手機(jī)，且其傳輸?shù)木嚯x也比無(wú)線電短了許多，傳輸原理與無(wú)線電大體相同。無(wú)線電遙控的可控范圍大，受障礙物影響小，但是容易受到環(huán)境中其他的無(wú)線電波的干擾，而且作為遙控玩具的載體的情況下，其大范圍的可控性又會(huì)浪費(fèi)資源，故不選。如今所有的智能手機(jī)都有藍(lán)牙功能，藍(lán)牙遙控的優(yōu)點(diǎn)就是不需要指定的遙控器，只需一個(gè)手機(jī)即可操控，但是與被控件的每次操作前都需要連接手機(jī)，對(duì)于面對(duì)對(duì)象是兒童的情況下反而不是那么方便，故不選。紅外遙控的精準(zhǔn)性較強(qiáng)，編碼解碼方面也比較簡(jiǎn)單，其遙控器輕巧簡(jiǎn)單，整套設(shè)備造價(jià)便宜也不占用其他資源，因此選擇紅外遙控是合適的。1.5.2紅外線發(fā)射接收裝置型號(hào)的選擇當(dāng)今紅外遙控技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，我選擇的此套模塊發(fā)射器采用UPD6112控制芯片NEC編碼格式，發(fā)送頻率為38KHZ；接收頭則采用HX1838，可接收38KHZ任何遙控編碼的數(shù)據(jù)。此套裝置小巧輕便、價(jià)格低廉，適合作為本設(shè)計(jì)的紅外遙控模塊。圖12.紅外發(fā)射器1.5.3紅外遙控原理紅外遙控是發(fā)射器發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外光波然后經(jīng)接收頭接收將發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)送至處理器執(zhí)行操作。紅外遙控系統(tǒng)的原理大體上相同，只是各個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)編碼方式不一樣，下面以NEC協(xié)議介紹。遙控器由掃描鍵、編碼和發(fā)射電路組成，當(dāng)按下遙控器的相應(yīng)的按鍵時(shí)，遙控器的發(fā)射電路就會(huì)發(fā)送一串紅外脈沖編碼。圖11.紅外編碼格式一次完整的按鍵操作由引導(dǎo)碼、用戶碼、操作碼和結(jié)束碼組成。引導(dǎo)碼由9ms紅外脈沖加2.5ms無(wú)紅外脈沖組成，是接收頭識(shí)別的前提；用戶碼由八位固定的給定地址和給定地址的反碼組成，用來(lái)識(shí)別發(fā)射的元件；操作碼即遙控器上的相應(yīng)的按鍵對(duì)應(yīng)的發(fā)射編碼和發(fā)射編碼的反碼的組合，用來(lái)識(shí)別按鍵操作；結(jié)束碼即一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)“0”，與前面的各碼一同組成了一個(gè)按鍵操作信號(hào)。一個(gè)38kHz載波的周期大概是26.3μs即一個(gè)紅外脈沖，其占空比為1：3，一個(gè)紅外脈沖由大約8.77μs發(fā)送紅外光和17.53μs不發(fā)送紅外光組成。根據(jù)協(xié)議發(fā)送一個(gè)二進(jìn)制“0”位是由0.56ms發(fā)射紅外脈沖和0.56ms不發(fā)射紅外脈沖組成；一個(gè)二進(jìn)制“1”位由0.56ms發(fā)射紅外脈沖和1.685ms不發(fā)射紅外脈沖組成。對(duì)用戶碼、操作碼的編碼都是根據(jù)以上的協(xié)議對(duì)其由低位到高位逐位發(fā)送。發(fā)射器對(duì)38kHz載波進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制后形成遙控信號(hào)，經(jīng)發(fā)射電路由紅外發(fā)射二極管發(fā)送出去。紅外接收頭接收到調(diào)制后的信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)濾波、檢波、整形等操作后，從而得到和輸出信號(hào)反相的紅外遙控脈沖，再經(jīng)過(guò)處理器處理后得到相應(yīng)的紅外遙控信號(hào)然后進(jìn)行相關(guān)的按鍵指令操作。圖12.紅外發(fā)射接收模塊接線圖15.紅外發(fā)射控制按鍵紅外發(fā)射頭高電平導(dǎo)通低電平不工作，發(fā)射頭接在單片機(jī)的P1.6引腳上，根據(jù)這個(gè)特性我們將紅外信號(hào)通過(guò)按鍵編碼經(jīng)單片機(jī)控制P1.6引腳電平的高低變換進(jìn)而使發(fā)射頭的通斷將指令發(fā)送出去。GO、BACK、LEFT、RIGHT、STOP按鍵分別接在單片機(jī)的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5引腳上，當(dāng)按下GO按鍵時(shí)，P1.1引腳變低，單片機(jī)發(fā)送帶有ox08操作碼的紅外信號(hào)指令，使接收信號(hào)的單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引腳分別為高電平、低電平、高電平、低電平，進(jìn)而控制L298N芯片的OUT輸出口，使左右電機(jī)正轉(zhuǎn)，完成前進(jìn)操作；當(dāng)按下BACK按鍵時(shí)，P1.2引腳變低，單片機(jī)發(fā)送帶有ox02操作碼的紅外信號(hào)指令，使接收信號(hào)的單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引腳分別為低電平、高電平、低電平、高電平，進(jìn)而控制L298N芯片的OUT輸出口，使左右電機(jī)反轉(zhuǎn)，完成后退操作；當(dāng)按下LEFT按鍵時(shí)，P1.3引腳變低，單片機(jī)發(fā)送帶有ox04操作碼的紅外信號(hào)指令，使接收信號(hào)的單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引腳分別為低電平、高電平、高電平、低電平，進(jìn)而控制L298N芯片的OUT輸出口，使左電機(jī)反轉(zhuǎn)右電機(jī)正轉(zhuǎn)，完成左轉(zhuǎn)操作；當(dāng)按下RIGHT按鍵時(shí)，P1.4引腳變低，單片機(jī)發(fā)送帶有ox06操作碼的紅外信號(hào)指令，使接收信號(hào)的單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引腳分別為高電平、低電平、低電平、高電平，進(jìn)而控制L298N芯片的OUT輸出口，使左電機(jī)正轉(zhuǎn)右電機(jī)反轉(zhuǎn)，完成右轉(zhuǎn)操作；當(dāng)按下STOP按鍵時(shí)，P1.5引腳變低，單片機(jī)發(fā)送帶有ox05操作碼的紅外信號(hào)指令，使接收信號(hào)的單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引腳全部為低電平，進(jìn)而控制L298N芯片的OUT輸出口，使左右電機(jī)全部停轉(zhuǎn)，完成停止操作。第2章遙控小飛機(jī)的軟件控制設(shè)計(jì)2.1開發(fā)平臺(tái)Keil美國(guó)KeilSoftware公司出品的KeilC51軟件是51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)平臺(tái)，與匯編相比，在功能性、易讀性、結(jié)構(gòu)性、可移植性上C語(yǔ)言有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛使用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)有著多樣化功能且強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)集成開發(fā)平臺(tái)將這些部分有序的組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。KS公司于09年2月份發(fā)布的Keil4，Keil4引入靈活的窗口操作系統(tǒng)，讓工程師們可以使用多臺(tái)監(jiān)視器，并提供了視覺(jué)上的表面對(duì)窗口位置的完全控制的任何地方。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個(gè)窗口，提供一個(gè)整潔、高效的平臺(tái)來(lái)開發(fā)應(yīng)用程序。新版本還支持大部分新推出的ARM系列單片機(jī)，還增加了許多其他新功能。圖16.keil軟件界面使用keil創(chuàng)建編譯代碼流程：點(diǎn)擊工程選擇Newμvisionprojiect保存文件在相應(yīng)路徑→在彈出框中選擇Atmel選中AT89C52→在左上菜單右擊目標(biāo)1，選擇為目標(biāo)1設(shè)置選項(xiàng)，在Target選項(xiàng)卡中將單片機(jī)晶振頻率設(shè)置為12MHz，在Output選項(xiàng)卡中勾選CreatHexFile→點(diǎn)擊軟件上方文件選項(xiàng)選擇新建再單擊保存，保存文件格式以.c位后綴的c文件→雙擊“源組1”，將剛才新建的c文件添加進(jìn)去即可開始編程。在創(chuàng)建的.c文件中編寫代碼，初次編寫完畢后點(diǎn)擊界面左上角的translate按鍵，在界面下方會(huì)彈出關(guān)于error、warning相關(guān)的信息，如有語(yǔ)法錯(cuò)誤和警告則必須在修改后無(wú)錯(cuò)誤警告才可進(jìn)而build、rebuild。打開畫好Proteus文件，雙擊單片機(jī)模塊，在ProgramFile選項(xiàng)卡中選擇存放已編譯好的程序文件中的hex文件，即完成對(duì)單片機(jī)的模擬程序?qū)懭搿?.2彩燈模塊控制圖17.流水彩燈流程圖將P1.0-P1.7設(shè)置為彩燈輸出接口，每一個(gè)引腳后接一個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管，P1.0則接一個(gè)控制彩燈的開啟關(guān)閉的開關(guān)按鈕k1。當(dāng)按下k1按鈕時(shí)，P1=0xfe，P1.0口燈亮P1其他口燈全不亮；經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)后將P1=0xfe左移一位再將最低位取1，即P1=0xfd，則P1.0口及其他P1口燈全不亮僅P1.1口燈亮；當(dāng)循環(huán)至P1=0x7f時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后將P1賦值為P1=0xfe，按此流程循環(huán)下去。當(dāng)再次按下k1按鈕時(shí)，將P1賦值為P1=0xff八個(gè)燈全不亮，以上綜合即流水燈程序的全部過(guò)程。2.3音樂(lè)模塊控制圖18.音樂(lè)播放模塊控制流程圖蜂鳴器接在單片機(jī)P1.3引腳上，ON/OFF、NEXT、BEFORE按鍵分別接在單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2引腳上。ON/OFF按鍵時(shí)音樂(lè)模塊的總開關(guān)，單片機(jī)首先需要判斷ON/OFF是否被按下，如被按下才能繼續(xù)判斷其他按鈕的開斷狀態(tài)。當(dāng)ON/OFF按鍵被按下時(shí)，蜂鳴器開始工作并播放第一首歌曲；在播放某一歌曲時(shí)按下ON/OFF鍵時(shí)，音樂(lè)播放被暫停，再次按下ON/OFF鍵時(shí)，音樂(lè)播放繼續(xù)從剛才中斷的位置開始播放；在按下ON/OFF按鍵的前提下按下NEXT按鍵，蜂鳴器切換為下一首歌開始播放，再按下NEXT鍵再次切換為下一首歌曲，在八首歌曲里循環(huán)切換；在按下ON/OFF按鍵的前提下按下BEFORE按鍵，蜂鳴器