專業(yè)綜合實訓(xùn)報告基于STC12C5A60S2無人機遙控器設(shè)計與實現(xiàn)

1、專業(yè)綜合實訓(xùn)報告基于STC12C5A60S2的無人機遙控器的設(shè)計與實現(xiàn)學(xué) 院信息電子技術(shù) 專 業(yè)通信工程 班 級 學(xué) 籍 號 姓 名 指導(dǎo)教師 2017年12月23日目 錄摘 要1Abstract2第1章 引言3第2章 系統(tǒng)的主要流程4第3章 開發(fā)平臺53.1 硬件開發(fā)平臺53.2 軟件開發(fā)平臺5第4章 總體設(shè)計與系統(tǒng)原理64.1 單片機選型74.2 無線接收發(fā)射模塊74.3 液晶顯示屏模塊9總結(jié)11參考文獻(xiàn)11附錄12專業(yè)綜合實訓(xùn)報告摘要隨著無人機的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,其控制設(shè)備即遙控器也必定會得到推動。為了跟上趨勢,著手研究航模遙控器以滿足無人機的快速發(fā)展的需求是本項目的目的所在。本項目采用

2、模塊化的設(shè)計方法,將遙控系統(tǒng)分為4個主要部分,分別是中央控制系統(tǒng)、5110液晶顯示系統(tǒng)、搖桿控制系統(tǒng)和NRF24L01無線模塊。中央控制系統(tǒng)采用增強型的51單片機系列的STC12C5A60S2芯片作為控制核心,經(jīng)過設(shè)計開發(fā),實現(xiàn)了芯片將搖桿傳回的動作信號加以處理并經(jīng)NRF24L01無線模塊發(fā)射出去后,傳給無人機上的接收機,從而達(dá)到控制無人機航向的目的;同時5110液晶顯示屏由左右兩個搖桿油門的上下左右來控制顯示屏的各項功能,通過對液晶顯示屏的控制可以對其他小模塊進(jìn)行控制。采用模塊化的方式對項目進(jìn)行研究,并最終實現(xiàn)預(yù)定的功能。關(guān)鍵詞：單片機；NRF24L01；無人機；AbstractWith t

3、he development of unmanned aerial vehicle (UAV) and the wide range of applications, the control device is also bound to develop rapidly.In order to keep pace with the tendency of the development of uav, we investigating the rc remote control with the purpose fo satisfying the needs of the rapid deve

4、lopment of uav.This project is adopted the modular design method and divided the remote control system into four main parts.They are respectively the central control system, the 5110 LCD display system, the rocker control system and the NRF24L01 wireless module.The central control system is adopted

5、the STC12C5A60S2 chip of the enhanced 51single-chip computer series as the control core.Through the design and development, the control core can Process and send the signal which is from the rocker to the NRF24L01 wireless module, and then send the signal to the receiver on uav, so as to achieve the

6、 destination of controlling of UAV.Keyword：remote control; SCM; Nrf24l01; UAV; MCU;第1章 引言無線電遙控是一種通過無線電信號對某些物體裝置進(jìn)行無線操控的技術(shù),它的控制系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、接收機和執(zhí)行部分三大塊組成。無線電通信技術(shù)是無線電遙控技術(shù)的鼻祖,這種技術(shù)的出發(fā)點是用于無線傳輸信息的無線電電報技術(shù)。而真空電子管的發(fā)明和廣泛使用,使得無線電通信技術(shù)得到快速發(fā)展,最終形成了今天的無線電遙控技術(shù)。在軍用方面,無線遙控被運用較多的是世界大戰(zhàn)期間。并在之后,無線電遙控技術(shù)得到了

7、極快的發(fā)展,例如在軍事偵察、反恐、防爆等危險與惡劣環(huán)境作業(yè)中廣闊應(yīng)用前景1。無線電技術(shù)的出現(xiàn),使得對航模的控制從無控制或者線控轉(zhuǎn)換為無線遙控,極大地推動了航模普及,使得人們對航模的控制變得更加方便。航模運動開始出現(xiàn)是在20世紀(jì)初,而中國開始興起這種運動是在1940年后。20世紀(jì)70年代開始,無線電遙控設(shè)備漸漸成為一種潮流并占據(jù)重要的地位。但是航模設(shè)備在2003年之前主要由國外生產(chǎn);2003年之后,國內(nèi)才有許多企業(yè)成立并且習(xí)得了遙控和陀螺儀技術(shù),開始制造航模以及其配套設(shè)備。國內(nèi)的航模產(chǎn)品不但價格低廉,而且工藝精湛。在美國市場隨著航模的發(fā)展,像航模遙控這樣的專業(yè)設(shè)備逐漸形成。時至今日,諸多無線電設(shè)

8、備和技術(shù)正在飛速發(fā)展,從紅外感應(yīng)和藍(lán)牙無線傳輸,到今天的無限WiFi傳輸技術(shù),無不體現(xiàn)著無線技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。這些技術(shù)深深地影響著生活的方方面面,變?yōu)榱巳祟惿鐣豢煞指畹囊粋€重要的組成部分。不管是在今天,或是未來,它們必將搭載著人類的夢想繼續(xù)給社會帶來更多便利?；诖?本課題開始著手對無線遙控進(jìn)行初步的研究,并以航模遙控器為基石,開啟探索無線電技術(shù)的旅程。第2章 系統(tǒng)的主要流程遙控系統(tǒng)的簡要流程圖如圖2-1所示。進(jìn)入主函數(shù)后,系統(tǒng)先延時200ms,然后進(jìn)行硬件初始化,對ADC、優(yōu)先級、I/O和定時器等進(jìn)行配置。接下來對單片機執(zhí)行讀取EEPROM操作,獲取上一次保存的系統(tǒng)狀態(tài)信息。讀取到信息之后進(jìn)

9、行5110液晶顯示模塊和NRF24L01無線收發(fā)模塊的初始化操作,并且將NRF24L01與接收端對頻。若對頻失敗則在屏幕上顯示錯誤;如果對頻成功,則打開菜單定時器,程序正式開始運行。圖2-1 遙控系統(tǒng)的簡要流程第3章 開發(fā)平臺3.1 硬件開發(fā)平臺為了對項目的電路原理圖進(jìn)行設(shè)計和仿真實驗,選擇了硬件開發(fā)設(shè)計工具Proteus進(jìn)行硬件設(shè)計。Proteus除了有其他EDA軟件仿真功能外,更兼有對外圍器件和各種單片機的仿真。另外,這款軟件帶有超過27000多種元器件,可以非常方便地創(chuàng)建新元件;由于器件眾多,Proteus增加了智能的器件搜索,對需要用到的器件可以通過模糊搜索快速地定位。此外,獨特的單片

10、機協(xié)同仿真功能(VSM)使得這款軟件支持ARM7、8051/52、AVR等CPU,這對于課題的硬件仿真設(shè)計和電路設(shè)計提供了很大的幫助,并且在項目實現(xiàn)之前能夠排除疏漏,降低設(shè)計成本,提高效率,可很大程度低縮短開發(fā)的時間。3.2 軟件開發(fā)平臺本文選擇KEILC51為單片機軟件開發(fā)工具。作為一款兼容51系列單片機的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng),KEILC51提供了宏匯編、連接器、C語言編譯器、庫管理和一個強大的功能仿真器,對每個階段的開發(fā)人員而言都是適合的。KEILC51支持包括具有存儲器擴展和指令集的所有的8051系列芯片,既支持C語言編寫也支持匯編語言,并且KEIL可進(jìn)行在線調(diào)試,排除代碼錯誤,其產(chǎn)生的H

11、EX文件可通過燒錄軟件下載到單片機中。第4章 總體設(shè)計與系統(tǒng)原理遙控系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖4-1所示。系統(tǒng)原理圖如圖4-2所示。圖4-1 遙控系統(tǒng)的設(shè)計框圖圖4-2 系統(tǒng)原理4.1 單片機選型在這里,采用STC12C5A60S2芯片作為遙控系統(tǒng)的微型處理器。該芯片作為一款增強型的51單片機,擁有比傳統(tǒng)8051單片機更快的速度,并且完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,而速度卻快812倍。內(nèi)部集成專用復(fù)位電路,抗干擾性強,且有超強加密性,解密難度高,內(nèi)部帶有1KB可擦寫EEPROM3,可存儲簡單數(shù)據(jù)。這對提高遙控系統(tǒng)的性能起到了很大的作用。宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機,STC12C5A60S2系

12、列單片機,是超強干擾、功耗低并且擁有高速運行速率的新一代8051單片機。在芯片內(nèi)部集成了專用復(fù)用電路MAX810,兩路的脈寬調(diào)制PWM及8路的250Kpbs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D。遙控系統(tǒng)設(shè)計中使用的引腳匯總?cè)绫?所示(部分)。表中不包括微處理器晶振、電源等基本運行所需要的引腳。4.2無線接收發(fā)射模塊航模遙控系統(tǒng)是利用無線電技術(shù)進(jìn)行信息的傳輸和雙方的通信的。在飛行過程中如何實現(xiàn)對航模的有效和穩(wěn)定控制是遙控系統(tǒng)是否設(shè)計成功的指標(biāo)。本設(shè)計中主要有兩個無線發(fā)射接收模塊,分別在遙控器和接收機上。一般來說,航模的飛行距離較遠(yuǎn),能達(dá)到的高度也較大,鑒于對航模的實際控制距離的需要,在設(shè)計中,采用了2.4G帶屏

13、蔽罩的無線收發(fā)模塊NRF24LO1P+PA+LNA,其發(fā)射功率為100mW,通信距離達(dá)到了2100m,帶功放全進(jìn)口工業(yè)級元器件,耐高溫,距離遠(yuǎn),非常適合航模的控制需要。在傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)中采用的是并行總線擴展外圍設(shè)備,對地址線譯碼產(chǎn)生片選信號,為每個外設(shè)分配唯一的地址。利用并行數(shù)據(jù)總線占用引腳數(shù)多。為提高傳輸速率和節(jié)約引腳數(shù),便出現(xiàn)了串行總線。NRF24L01,與微型處理器STC12C5A60S2通過SPI串行外設(shè)接口總線系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,支持多點通信,最高傳輸速率達(dá)2Mbps。當(dāng)配置為接收模式時可以接收六路不同地址相同頻率的數(shù)據(jù),每個數(shù)據(jù)擁有自己的地址并且可以通過寄存器來進(jìn)行分別配置。無線

14、收發(fā)模塊的引腳圖如圖4-3所示。STC12C5A60S2引腳使用表如圖4-4所示。圖4-3 引腳圖圖4-4 STC12C5A60S2引腳使用表NRF24L01擁有1個發(fā)送通道和6個接收通道,即一個NRF24L01可以接收來自六路不同的地址的數(shù)據(jù)。也就是說,1個NRF24L01只可以有1個發(fā)送目標(biāo)地址寄存器以用來指示接收端的接收通道的地址。EN_RXADDR是配置數(shù)據(jù)通道的寄存器,但是在默認(rèn)的情況下開啟的通道只有數(shù)據(jù)通道0和數(shù)據(jù)通道1。另外,可以通過寄存器RX_ADDR_PX來配置每一個數(shù)據(jù)通道的地址。需要注意的是,不同的數(shù)據(jù)通道其地址也應(yīng)該不同,而且發(fā)射通道的地址和接收通道的地址要保持一致。數(shù)

15、據(jù)通道0擁有40位可配置的地址,不同的是通道15只有8位可配置的地址,其余32位為共用地址。NRF24L01芯片內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制,可軟件設(shè)置地址,確保了通信的安全性和可靠性。當(dāng)作為發(fā)送端的無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端時,接收端在收到數(shù)據(jù)后會記下發(fā)送方的地址,同時以該地址為目標(biāo)發(fā)送應(yīng)答信號,即應(yīng)答對象為發(fā)送方的地址。(此過程用硬件實現(xiàn))。通道05的地址設(shè)置如圖4-4所示。圖4-5 通道05的地址4.3 液晶顯示屏模塊液晶顯示(Liquidcrydisplay,LCD),由于液晶在電磁場的作用下會產(chǎn)生扭曲,所以可折射出不同的顏色從而可以在屏幕上實現(xiàn)豐富的色彩變化。不同的電

16、場施加方式產(chǎn)生了不同類型的LCD顯示,如超扭曲向列型液晶顯示(scansupertwistnematic,STN-LCD)和有緣矩陣薄膜晶體觀星液晶顯示(activematrixthinfilm,TFT-LCD)。5110液晶顯示屏采用的是PCD8544低功耗的CMOSLCD控制驅(qū)動器,設(shè)計為驅(qū)動48行84列的圖形顯示。一切要用到的顯示功能都設(shè)計在一塊芯片上,其中就囊括了偏置電壓發(fā)生器及LCD電壓,所用到的外部元件很少且功耗小,適合于電池供電的系統(tǒng)。PCD8544的方框圖如圖4-5所示。在框圖中,通過串行接口傳輸?shù)?8行84列的顯示數(shù)據(jù)存儲在顯示數(shù)據(jù)存儲器中(DDRAM)中。圖4-6 PCD8

17、544的方框圖5110液晶顯示屏與單片機的引腳連接情況如圖4-6所示。圖中5110的復(fù)位引腳RST與單片機的P3.4腳焊接,用以復(fù)位液晶屏;片選CE與P3.2連接;DC引腳與P4.7連接,當(dāng)DC的值為1的時候,表示寫數(shù)據(jù);DC的值為0的時候,表示寫指令。DIN是5110液晶顯示屏的數(shù)據(jù)輸入引腳CLK和BL分別是液晶屏的時鐘輸入和背景燈。圖4-7 顯示屏引腳連接總結(jié)與展望本文利用2.4GHz無線射頻技術(shù)和液晶顯示技術(shù),設(shè)計和實現(xiàn)了以51單片機為控制器的航模遙控器。通過對上述模塊的驅(qū)動代碼的設(shè)計以及各模塊之間的連接和模塊化設(shè)計,實現(xiàn)了遙控器的基本功能。如今,各種無線傳輸技術(shù)正在蓬勃發(fā)展,無線技術(shù)的

18、應(yīng)用也越來越深入到人們的生活當(dāng)中,不可分離。相信在不久的將來,無線傳輸技術(shù)會得到更加快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,從而為人們提供更加便利的高質(zhì)量生活。參考文獻(xiàn)1張乃龍,崔建國.無線遙控車輛仿真平臺的開發(fā)J.機械設(shè)計與制造,2014(9):168-171.2張坤,薛文玲,王振朝,等.基于nRF24L01的pH值監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計J.計算機測量與控制,2014,22(3):734-736,744.3潘衛(wèi)衛(wèi),鄭常寶,高杰,等.光伏控制逆變一體機的人機接口模塊設(shè)計J.液晶與顯示,2014,29(6):963-968.4朱向慶,胡均萬,陳宏華,等.多功能單片機實驗系統(tǒng)的研制J.實驗室研究與探索,2012,31(4

19、):41-44.5付聰,付慧生,李益青.基于nRF24L01的無線溫度采集控制系統(tǒng)的設(shè)計J.工礦自動化,2010,36(1):73-75.6宋曉偉,孟國營,葉洋,等.基于nRF24L01的無線溫度檢測系統(tǒng)J.煤炭工程,2010(11):11-12.7趙軒,馬建,曹仁磊,等.基于nRF24L01的無線式模型車運動狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)J.科技導(dǎo)報,2010,28(2):63-66.8曾勇,楊濤,馮月暉.基于nRF24L01的超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計J.電子技術(shù)應(yīng)用,2008,34(7):45-48.9朱瑜紅.基于STC單片機的溫室定時自動卷簾控制器設(shè)計與實現(xiàn)J.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,43(12):

20、485-487.10石建國,何惠龍,劉根據(jù),等.多控制器結(jié)構(gòu)單片機實驗系統(tǒng)研制與應(yīng)用J.實驗室技術(shù)與管理,2016,33(2):57-60.附錄：1.飛控源碼：int main(void)ceSystemop.initial()；/creelins環(huán)境初給化ceDebugOp.initial(CE_NULL_RESOURCE);/通過Uart串口輸出Debug信息到上位機/T000:請在此處插入模塊初始化等操作initialParment()；/結(jié)構(gòu)件的函數(shù)初始化initialModule()；/初始化所有功能模塊while(1)ceTaskop.mainTask()；/creelink環(huán)境主

21、循環(huán)任務(wù)，請保證畫數(shù)能夠被周期調(diào)用/ToDo:請在此處插入用戶操作acc=ce60of0p.getAcceleration(&ce6Dof)；/獲取當(dāng)前無人機力加速度gyr=ce6DofOp.getGyroscope(&ce6Dof)；/獲取當(dāng)前無人機角速度ceEnvirmont=ceBap1800p.getEnvironmentAsync(&ceBmp180)；/獲取當(dāng)前無人機大氣壓相關(guān)教據(jù)celNOWACC.x=acc->x；/轉(zhuǎn)存加速度數(shù)據(jù)ceNowAcc.y=acc->y；celNowACC.Z=acc->z；celowGyr.x=-ByT&g

22、t;x；/轉(zhuǎn)存角速度數(shù)據(jù)cellowGyr.y=gyr->y；cellowGyr.Z=gyr->z；cellowAngles.altitude·ceEnvirmont->altitude；/當(dāng)前高度暫存ceFilterOp.filter(aceNowAcc，&cetlonwGyr,&celowAngles,dts)；/對當(dāng)前加速度、當(dāng)前角速度進(jìn)行姿態(tài)解析及濾波，以獲趣無人機姿態(tài)角數(shù)據(jù)ceDrivePower*cePIDOp.calculate(&cetNowAcc,&ceNofGyr,&cellowAngles,&ceHlopeAngles,dts);/根據(jù)當(dāng)前加速度及角速度、姿態(tài)角、還有期望姿態(tài)進(jìn)行串級P1D運算，并獲取四個電機的驅(qū)動強度ceMDOp.setDriverPower(&ceMD0,(uavstatus !=UAV_STATUS_READY)?(ceDrivePower->driverPower0):0);/配置第0路電機驅(qū)動強度，01000