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(fù)性強以及事故代價低等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。可應(yīng)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(wù)，可應(yīng)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(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)計實現(xiàn)、建模分析與控制器設(shè)計。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，以及運用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行的研究方法和取得的結(jié)果。其次是給出本次畢業(yè)設(shè)計的四軸飛行器樣機模型與飛行控制器電路設(shè)計。文中著重從機械結(jié)構(gòu)與飛行控制器硬件電路設(shè)計方面論述四軸飛行器的設(shè)計。文中詳細(xì)分析了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的元器件選型，實現(xiàn)了一個切實可用，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)行動力學(xué)分析，建立四軸飛行器的動力學(xué)模型。通過軟件設(shè)計實現(xiàn)飛行控制器方案，并通過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；飛行控制器；無人機ABSTRACTThe Keywords: Four aircraft; SCM; Flight controller; UAV目 錄1. 緒論11.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.11.2 本文研究目的及意義.21.3 本文的主要內(nèi)容.32. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計42.1 元器件的選擇.42.1.1 四軸飛行器基本工作原理.42.1.2 旋翼和機架的確定.52.1.3 其他小部件的選擇.52.2 電機.62.3 總體結(jié)構(gòu).73. 硬件設(shè)計103.1 概述.113.2 硬件電路的設(shè)計與選型.113.2.1 飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu).113.2.2 單片機選型及介紹.123.2.3 電機驅(qū)動電路.143.2.4 無線通訊與遙控.173.2.5 電源電路設(shè)計.183.3 硬件部分整體電路圖.194. 軟件設(shè)計及調(diào)試分析204.1 PWM調(diào)速原理分析.204.2 調(diào)速部分設(shè)計及分析.224.3 紅外遙控系統(tǒng)的程序設(shè)計.264.3.1 紅外發(fā)射部分.264.3.2 紅外接收部分.284.3.3 鍵盤設(shè)計.315. 調(diào)試分析.335.1 Protues簡介.335.2調(diào)試結(jié)果分析.37結(jié)束語.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附錄C：程序源代碼.551 緒 論1.1 國內(nèi)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從軍用到民用、商用領(lǐng)域都有涉及。近幾十年來，隨著現(xiàn)代控制理論與電子控制技術(shù)的發(fā)展，運用現(xiàn)代控制技術(shù)，使用電機代替油動力引擎進(jìn)行飛行器控制研究。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。四軸飛行器的飛行控制技術(shù)是無人機研究的重點之一。它為為小型無人機的研究和設(shè)計創(chuàng)造了新的條件，提供了新的思路。當(dāng)今國內(nèi)外針對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)展必定會朝著越來越實用化的道路進(jìn)行?，F(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(shù)難點問題，甚至有些問題很難在短時間內(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)在面臨的問題，只有這樣才能使微小型無人機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)擴大，而對其中的部分技術(shù)問題開展一些探索性研究工作也是本課題的目的所在。揭開了近代航空發(fā)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(nèi)，四軸飛行器的研究由于科技發(fā)展程度以及理論知識的制約，并未能取得很好的發(fā)展與足夠的重視?？v覽整個20世紀(jì)，也并沒有多少多軸飛行器被真正設(shè)計。早在上個世紀(jì)中葉，多旋翼飛行器就已經(jīng)受到了海外一些研究機構(gòu)的矚目。近些年來，國際上針對四軸飛行器已經(jīng)有很多的研究案例與研究成果，然而我國對四軸飛行器的研究成果還很少。很多國內(nèi)高校開展了關(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)的智能機器人研究所、國防科技大學(xué)機器人實驗室和上海交通大學(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)狀來看我國在該領(lǐng)域與發(fā)達(dá)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。1.2 本文研究目的及意義四軸飛行器屬旋翼飛行器，具有操作簡單、控制靈活，便于起降，可以懸停等優(yōu)點，它小巧的體積可以適應(yīng)于很多的用途。四軸飛行器在結(jié)構(gòu)上較單一直升機相比，結(jié)構(gòu)緊湊、能產(chǎn)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，易于控制，對于操作者的要求不高等特點，這對于廣泛的應(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，因此對于四軸飛行器的研究具有重大的現(xiàn)實意義。隨著科技的發(fā)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(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年代才開始發(fā)展起來的一種遠(yuǎn)程控制技術(shù)，其原理是利用紅外線來傳遞控制信號，實現(xiàn)對控制對象的遠(yuǎn)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(jìn)行處理，最后實現(xiàn)對控制對象的各種功能的遠(yuǎn)程控制。紅外遙控具有獨立性、物理特性與可見光相似性、無穿透障礙物的能力及較強的隱蔽性等特點。隨著紅外遙控技術(shù)的開發(fā)和迅速發(fā)展，很多地方都應(yīng)用了紅外遙控，而飛行器也不例外。從單純的在飛行器控制面板上通過按鈕控制，到10米以上遠(yuǎn)距離的遙控，雖然改變不大，但其帶來的便利無疑是巨大的。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(jié)構(gòu)較為簡單，并且只需改變四個馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)控制，飛行機動能力靈活。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、盤旋，飛行、著陸的能力。小型四旋翼飛行器研究也為自動控制以及計算機科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個平臺。本設(shè)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(jìn)行速度控制，由電機帶動四個旋翼旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的加速、減速、升降、前后左右移動等功能。內(nèi)容涉及力學(xué)分析、直流電機驅(qū)動、微型計算機控制等學(xué)科領(lǐng)域。通過創(chuàng)建模型并編寫程序，在仿真軟件上進(jìn)行仿真模擬飛行器的飛行狀態(tài)，驗證設(shè)計的合理性。設(shè)計主要實現(xiàn)以下主要功能：1. 基于單片機控制飛行器啟停、加減速、前進(jìn)后退、左右側(cè)飛以及左右轉(zhuǎn)；2. 通過紅外遙控部分能夠?qū)㈡I盤的信息有效的傳遞到微控制器上。1.3 本次設(shè)計的主要內(nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計的主要設(shè)計內(nèi)容是飛行器的整體設(shè)計，主要有機械部分、硬件部分和軟件三部分。首先是機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在文中的第二章中主要介紹的就是這部分內(nèi)容，機械部分有螺旋槳、機架和電機三部分構(gòu)成。第二部分是硬件部分的總體設(shè)計，這部分內(nèi)容涉及到對飛行器的單片機控制、整體的電路圖設(shè)計以及基于單片機的紅外遙控部分的設(shè)計，這部分內(nèi)容的重點是單片機對直流電機的控制，只有控制邏輯正確才能讓飛行器穩(wěn)定的飛行。而對于紅外遙控部分的設(shè)計，在設(shè)計中對紅外信號的發(fā)射和接收進(jìn)行了簡單的設(shè)計，采用碼分制的方法確保紅外信號發(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)試的運行，軟件編程采用的是單片機C語言進(jìn)行編寫的，流程圖是對程序運行的一種順序表示，表達(dá)出程序是如何運行下去的，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?？傊?，整體設(shè)計結(jié)構(gòu)就如上文所述，本次設(shè)計是采用成熟的技術(shù)，簡單的方法實現(xiàn)單片機在飛行控制方面的應(yīng)用，通過仿真運行結(jié)果可以看見設(shè)計的思想在理論上是可以的，但是還缺少實踐，以后希望有機會再深入研究。2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 元器件的選擇本結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要為飛行器的機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要進(jìn)行設(shè)計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(qū)動芯片，本部分主要是對支架、電機和旋翼進(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)驗教訓(xùn)，最終確定飛行器的機械結(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(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(zhuǎn)的同時，電機2與電機4順時針旋轉(zhuǎn)。各個旋翼對機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個自由度（分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），這6個自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。四只電機轉(zhuǎn)速相同時，因為兩對旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，剛好可以使各自對機身產(chǎn)生的反扭矩得到抵消，使飛行器在旋轉(zhuǎn)方向上達(dá)到平衡1。從整體上看，機體只受到向上的升力與其自身重力的作用。當(dāng)同時增加四個電機的轉(zhuǎn)速時，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(zhuǎn)速時，旋翼提供的總的拉力減小，當(dāng)總的拉力小于機身重力時，飛行器則垂直下降。因此，控制四軸飛行器垂直升降時應(yīng)保證四個旋翼轉(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，2,4號電機轉(zhuǎn)速下降，1,3號電機轉(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，則實現(xiàn)四軸的左轉(zhuǎn)。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。2.1.2 旋翼和機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(zhuǎn)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(jìn)行尺寸設(shè)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(shè)計中讓機架長度為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于四軸飛行器的機械結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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，以防止在飛行過程中槳飛出造成損壞。2.2 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(diào)速的電動機。直流電動機包括旋轉(zhuǎn)的電樞和靜態(tài)的磁場。電樞中的電流，必須通過電刷來產(chǎn)生轉(zhuǎn)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：串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(zhuǎn)矩和較高的空載轉(zhuǎn)速，但它的調(diào)速性能較差；并勵電動機的電樞和勵磁繞組是并聯(lián)的，這種電動機比串勵電動機具有更好地調(diào)速性能；復(fù)勵電動機既有串勵勵磁繞組又有并勵勵磁繞組，它綜合了串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，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)計選擇了ZYN系列稀土永磁直流電機，其型號為70ZYN01，電機參數(shù)如下表：表2.1 電機參數(shù)轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)速（r/min）功率（W）電壓（V）電流A（不大于）318.63000100246.5直流電機主要由磁極、電樞和換向器三部分組成，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(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhuǎn)動。因此，當(dāng)線圈的有效邊從N(S)極下轉(zhuǎn)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Ia）與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示T = KTIa （2.1） 式中KT 是與電機結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù) 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構(gòu)成了本次飛行器設(shè)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(zhì)量較輕的復(fù)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，四個旋翼則安裝在電機軸上。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。1. 圖2.3為設(shè)計中選擇的旋翼，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軸上的。圖2.3 旋翼結(jié)構(gòu)圖3. 圖2.4為制作成一體的機架，本次設(shè)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(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(jié)構(gòu)圖4. 圖2.5為設(shè)計中用到的直流小電機，將電機軸伸出端安裝在旋翼的中心孔中，外形結(jié)構(gòu)簡單。圖2.5 電機架構(gòu)圖5. 圖2.6為設(shè)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(zhuǎn)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(jié)圖3 硬件設(shè)計3.1 概述本章主要從四軸飛行器的飛行控制特點入手，對飛行控制系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行設(shè)計。四軸飛行器具有體積小、重量輕、易于控制等特點，根據(jù)這些特點可以得出飛行控制的系統(tǒng)硬件設(shè)計的總體要求：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)動芯片、要有靈活的可控性等。在具體的方案設(shè)計過程中應(yīng)該從以下方面考慮系統(tǒng)設(shè)計：可靠性、可行性和髙集成度，根據(jù)這些特點得出飛行控制的系統(tǒng)硬件設(shè)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達(dá)到改變電機轉(zhuǎn)速使飛行器按照對應(yīng)要求飛行的目的。（2）通過啟動鍵啟動電機，從而達(dá)到防止電機誤啟動的目的。（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(zhǔn)確性。以上幾點要求和限制為設(shè)計飛行控制系統(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，包括控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外通訊模塊及電源模塊。3.2 硬件電路的設(shè)計及選型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)計需要分析，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，設(shè)計如右圖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。其中無線收發(fā)模塊接受遙控器傳來的控制信號，然后將控制信息傳送給控制器模塊。控制器模塊通過執(zhí)行相應(yīng)的軟件指令輸出相應(yīng)的PWM信號，再經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)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(qū)動直流電機的芯片，每一片L298n可以同時驅(qū)動兩個直流小電機，所以本設(shè)計中用到兩片。圖3.1 飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.2 單片機的選型及介紹如今單片機的應(yīng)用越來越廣泛特別是51系列的單片機，諸如調(diào)制解調(diào)器，電動機控制系統(tǒng)，空調(diào)控制系統(tǒng)，汽車發(fā)動機和航模等一些領(lǐng)域。這些單片機的高速處理速度和增強型外圍設(shè)備集合使得它們適合于各種高速事件應(yīng)用場合。本次設(shè)計中則選取了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機。一、AT89C51具有下列主要性能：1) 4KB可改編程序Flash存儲器2) 0HZ24HZ3) 三級程序存儲器保密4) 1288字節(jié)內(nèi)部RAM5) 32條可編程I/O6) 2個16位定時器/計數(shù)器7) 6個中斷源8) 可編程串行通道9) 片內(nèi)時鐘振蕩器另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設(shè)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、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、管腳說明（1）VCC：電源端（2）GND：接地端（3）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(dāng)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(dāng)FLASH進(jìn)行校驗時，P0口輸出原碼，此時P0外部電位必須被拉高。（4）P1口：P1口是一個內(nèi)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(nèi)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(nèi)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。（5）P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，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，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器或16位外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)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(nèi)部上拉的優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位的地址信號和控制信號。（6）P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，他們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時，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3.1 P3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)P3.2 (外部中斷0)P3.3 (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)P3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）（7）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。（8）ALE/：當(dāng)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。（9）：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，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。（10）：當(dāng)EA保持低電平時，訪問外部ROM，當(dāng)EA端保持高電平時，訪問內(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)部時鐘工作電路的輸入。（12）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(gòu)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(fù)位引腳RET/VP通過片內(nèi)一個施密特觸發(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)器的輸出在每一個機器周期由復(fù)位電路采樣一次。當(dāng)振蕩電路工作，并且在RST引腳上加一個至少保持兩個周期的高電平時，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)單片機運行出錯或進(jìn)入死循環(huán)時，可按復(fù)位鍵重新啟動。MCS-51 單片機通常采用上電自動復(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實現(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)位端通過電阻與VCC相接，后者利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(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)時間大于兩個機器周期。4圖3.2 AT89C51的最小操作系統(tǒng)3.2.3 電機驅(qū)動電路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電路由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)調(diào)整輸入脈沖的占空比，精確調(diào)整電動機轉(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型電路使實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制簡單化，且電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強，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)電機轉(zhuǎn)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(guān)管和4個續(xù)流二極管，單電源供電。4個開關(guān)管分成兩組，VT1和VT4一組；VT3和VT4為另一組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或截止，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與截止正好相反。這是電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。在每個PWM周期中，當(dāng)控制信號Ug1為高電平時，開關(guān)管VT1、VT4導(dǎo)通，此時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Ug1為低電平時，開關(guān)管VT1、VT4截止，此時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PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正負(fù)跳轉(zhuǎn)，因此其平均電壓U0的表達(dá)式為： U0 = ( 2-1)Us ( = t1/T) (3.1)式中， 為占空比 Us電樞端電壓，V U0平均電壓，V由式（3.1）可見，雙極性可逆PWM驅(qū)動時，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比的大小。當(dāng) = 1時，U0 = Us，直流電動機正轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng) =1/2時，U0 =0，直流電機不轉(zhuǎn)。注意：雖然此時直流電機不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍然有交變電流，使直流電動機產(chǎn)生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電機負(fù)載的靜摩擦，提高動態(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)用來連接電阻檢測電流。Vss 接邏輯控制的電源。Vs為電動機驅(qū)動電源。IN1一IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調(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腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298n可驅(qū)動2個電機，OUT1、OUT2、OUT3和OUT4之間分別接2個電機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。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口控制一個電機，輸出PWM的端口控制轉(zhuǎn)速，另外一個則控制轉(zhuǎn)向。由于單片機和控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3.2 L298n的邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機運行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止3.2.4 無線通訊與遙控如今應(yīng)用比較廣泛的是以單片機為中心的紅外遙控設(shè)計，紅外線又稱紅外光波，在電磁波譜中，光波的波長范圍為0.01um1000um。根據(jù)波長的不同可分為可見光和不可見光，波長為0.38um0.76um的光波可分為可見光，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色。光波為0.01um0.38um的光波為紫外光（線），波長為0.76um1000um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(yuǎn)紅外、極紅外4類。紅外線遙控是利用遠(yuǎn)紅外光傳送遙控指令的，波長為5.6um1um。這種遙控方式主要適用于遠(yuǎn)距離的遙控控制，而本次設(shè)計中則需要對四軸飛行器進(jìn)行10米以上的控制，這就需要對飛行器進(jìn)行遠(yuǎn)距離紅外控制。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(jìn)制信號編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。紅外接收端采用價格便宜，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(jìn)行解調(diào)、放大、檢波、整形，得到相應(yīng)的信號，再送給單片機，經(jīng)單片機控制相關(guān)被控對象。3.2.5電源電路設(shè)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障，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(shè)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(shè)計必須非常謹(jǐn)慎，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。本設(shè)計中電機和驅(qū)動芯片需要5V電壓供電，微控制器和接收模塊則需要3.3V電壓，故采用開關(guān)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(guān)電源方案采用開關(guān)電源芯片LM2596ADJ配合電感器件組成BUCK型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)5V穩(wěn)定電壓。LM2596系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(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)斷等完善的保護電路。利用該器件只需要極少的外圍器件便可構(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LM11173.3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，輸出負(fù)載電流可達(dá)800mA。LM1117提供3.3V、5V、12V及可調(diào)等多個電壓檔次的產(chǎn)品。LM1117提供限流與過入保護等保護機制。飛行器設(shè)計的電路中3.3V的電路配置如圖3.6所示。圖3.6 LM11173.3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)計的硬件各部分的接線和功能，如圖3.7所示為設(shè)計的總體電路圖，主要包括單片機內(nèi)部最小系統(tǒng)、單片機與兩片電機驅(qū)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晰地看見各部分的連接方式，還可以了解到各部分的控制關(guān)系。圖3.8為單片機控制電機部分的整體接線圖，由于畫面的原因電機4的引腳連接在圖3.7中對應(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的P0口相連，當(dāng)按鍵按下彈起后開始執(zhí)行對應(yīng)功能。圖3.8 單片機控制部分電路4 軟件設(shè)計及調(diào)試分析本章主要介紹了軟件部分的設(shè)計，主要包括單片機控制電機的調(diào)速原理及具體的調(diào)速方法，基于單片機的紅外遙控部分的軟件流程設(shè)計，以及基于本設(shè)計的Protues軟件仿真和結(jié)果分析。在程序編寫設(shè)計時主要是利用單片機C語言進(jìn)行的，C語言在編程時比較靈活，可以運用多種方法進(jìn)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(shè)計進(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，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用位處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(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）是一種對模擬信號電平進(jìn)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(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。之后詳細(xì)設(shè)計了基于MCS51單片機的直流小電機PWM調(diào)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(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的追蹤。脈寬調(diào)制的基本原理：控制方式就是對逆變電路開關(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(chǎn)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)則對各脈沖的寬度進(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是利用開關(guān)管對直流電機進(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（a）中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電機電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低，直流電機電樞繞組兩端的電壓波形如圖4.1（b）所示。電機電樞繞組兩端的電壓平均值U0為： U0 =（t1Us +0）/(t1+t2)= Us (4.1)表示在一個周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。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取決于占空比的大小，改變的值就可以改變端電壓的平均值，實現(xiàn)調(diào)速，這就是本次設(shè)計用到的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是PWM調(diào)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(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，而同時改變t1和 t2。前兩種方法由于在調(diào)速時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，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(diào)寬的方法控制。84.2 調(diào)速部分設(shè)計及分析有了上文中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(diào)速輸出PWM波形則主要利用定時器的定時功能，改變定時時間就能實現(xiàn)調(diào)速。對于單片機基本的引腳功能介紹已經(jīng)在前文介紹過了，此處就不做解釋了。本節(jié)主要對調(diào)速的內(nèi)容進(jìn)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(nèi)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(dāng)使用于定時器方式時，定時器的輸入來自內(nèi)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(dāng)外部輸入引腳發(fā)生“1”和“0”的負(fù)跳變時，計數(shù)器加1.內(nèi)部硬件在每個機器周期的S5P2采樣外部輸入引腳狀態(tài)，當(dāng)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(shè)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的工作方式控制定時器/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位用于選擇定時器功能或計數(shù)器功能。方式寄存器TMOD的格式定義如下：GATEC/TM2M0定時器T0圖4.2 T0的工作方式控制GATE門控制，當(dāng)GATE = 1時，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，定時器/計數(shù)器才計數(shù)。當(dāng)GATE = 0時，定時器/計數(shù)器由TRX控制，TRX為1，允許計數(shù)，TRX為0，不允許計數(shù)。C/T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工作方式選擇位，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113僅適用于T0，分為二個8位定時器/計數(shù)器T1在方式3時停止計數(shù)當(dāng)M1M0為10時，定時器/計數(shù)器工作方式為2，在此方式下，設(shè)置了一個8位的計數(shù)器，并具有自動回復(fù)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(dāng)TL0作增1計數(shù)至溢出時，除了把溢出標(biāo)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(shè)計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說明一下此次畢業(yè)設(shè)計中的調(diào)速的部分。由流程圖可以看出當(dāng)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)速度控制，定制器發(fā)出中斷請求后進(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 加速流程圖對應(yīng)的定時器初始化部分的程序如下：void Time0_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(shè)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(shè)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）晶振周期12 (4.2)式（4.1）中T就是脈沖信號的定時時間，本次設(shè)計中單片機晶振頻率為12MHZ，賦給定時器的初值為56，則單片機要計數(shù)200次后溢出中斷，計數(shù)加1就相當(dāng)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(diào)速時，只要改變高電平的延時時間就能實現(xiàn)PWM調(diào)速。10void Time0() interrupt 1 using 1 /定時服務(wù)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服務(wù)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(qū)動芯片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，一旦達(dá)到最初設(shè)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，如果判斷高電平達(dá)到設(shè)定的時間則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；“counter1”為電機1的比較計數(shù)器，“pwmH1”為控制電機1的脈沖高電平計數(shù)器，當(dāng)counter1的計數(shù)值大于等于pwmH1的設(shè)定值時，電機1為低電平。4.3 紅外遙控系統(tǒng)的程序設(shè)計在第三章第二節(jié)中只是簡單的介紹了本設(shè)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(jìn)行詳細(xì)的說明，包括基本原理、整體電路設(shè)計、軟件流程和程序的簡單設(shè)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(jīng)夠詳細(xì)了，在此也就不多累贅了。其電路設(shè)計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)某個操作按鍵按下時，單片機先讀出鍵值，然后根據(jù)鍵值設(shè)定遙控碼的脈沖個數(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（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頻率為38KHZ的載波信號進(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），此時若發(fā)射脈沖個數(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(diào)頻或調(diào)幅發(fā)射接收碼，可提高遙控距離，并且沒有角度影響。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。單片機遙控發(fā)射器主要由單片機、操作桿、紅外發(fā)射電路三部分組成。單片機部分主要完成遙控發(fā)射過程。遙控器信息碼由AT89C51單片機的定時器1中斷產(chǎn)生38KHZ紅外方波信號，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，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(chǎn)生具有不同的編碼數(shù)字脈沖，這種代碼信號指令調(diào)制在38KHZ的載波上，激勵紅外二極管產(chǎn)生不同的脈沖，通過空間的傳送到受控機的接收器。P1口作為按鍵部分，P0.7口作為紅外發(fā)射部分。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，將光信號好轉(zhuǎn)換為電信號，再把信號送給單片機，單片機經(jīng)過解調(diào)后執(zhí)行對應(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)計電路時就是按照下圖進(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，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(jìn)行驗證。若第一位低電平碼碼寬小于3ms，將作為錯誤碼處理。當(dāng)間隔位的高電平脈寬大于2ms時，結(jié)束接收，然后根據(jù)累加器A中的脈沖個數(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)行接收并對脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(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，則返回上一接收計數(shù)過程再次進(jìn)行計數(shù)；若高電平脈寬大于2ms，則按照統(tǒng)計的脈沖個數(shù)調(diào)用相應(yīng)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(jīng)過HS0038一體化紅外接收頭，此信號經(jīng)過解調(diào)、放大、檢波、整形再送到單片機中，從而完成相應(yīng)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，遙控信號的識別即解碼過程就是去除38KHZ載波信號后識別出二進(jìn)制脈沖碼中的0和1由MCS51系列單片機AT89C51、一體化紅外接收頭、還原調(diào)制與紅外發(fā)光管驅(qū)動電路組成。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，輸出低電平，否則輸出高電平，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(jīng)過反向才能和發(fā)送信號編碼一致。當(dāng)接收端接收到表示傳輸開始的同步幀后，接收單片機進(jìn)入解碼過程，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，檢查有無紅外信號。控制程序則隨各設(shè)備的不同而不同。HS0038可以直接對紅外信號進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)后的信號直接給微處理器進(jìn)行解碼和存儲。接收部分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，基極為感光部分）。在實際應(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)用時是反向運用，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 鍵盤設(shè)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(chǎn)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(chǎn)生這個鍵的代碼，并稱為鍵碼，與此同時還產(chǎn)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(fù)雜的程序。其缺點是使用的硬件較復(fù)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