stm32的四轴飞行器研究与设计(附件)
摘 要本课题设计了一款四轴飞行器系统，整个系统分为飞行器控制系统和无线遥控器两个部分。在硬件电路系统中包含了按键提示音电路、MPU6050飞行器姿态检测电路、SI2302无刷电机驱动电路、NRF24L01无线通信电路等。主控微处理器使用了STM32微处理器作为控制器，通过C语言构建程序代码实现对STM32微处理器的控制，通过其GPIO管脚对有源蜂鸣器、三维加速度传感器、SI2302无刷电机驱动芯片、NRF24L01无线通信模块和9050无刷电机的驱动。本课题实现了无线遥控器对四旋翼飞行器的动作控制，在空旷地带的遥控距离可以达到500米，通过灵活的遥控控制，四旋翼飞行器能够实现上升、下降、固定在某一高度、前后左右平行移动、飞行器机身旋转等花式动作，飞行器主控能够根据检测到的机身的当前姿态，自动控制机身的倾斜度，实现飞机动作的自动控制。为了对设计成果的各个环节进行验证，以便进行优化和改进，经过了多次的实验验证，本系统表现出了稳定的工作状态。
目录
一、 引言 1
（一） 四轴飞行器的发展背景 1
（二） 四轴飞行器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案设计及元器件选择 3
（一） 四轴飞行器的方案设计 3
（二） STM32微处理器简介 3
（三） MPU6050模块简介 4
（四） SI2302无刷电机驱动芯片简介 4
（五） 射频无线通信模块简介 5
（六） 无刷电机简介 5
三、 飞行器控制系统硬件设计 7
（一） 最小系统电路设计 7
（二） 机身姿态检测电路设计 8
（三） SI2302无刷电机驱动电路设计 9
（四） 遥控信号接收电路设计 9
四、 无线遥控器系统硬件设计 11
（一） 最小系统电路设计 11
（二） 按键提示音电路设计 11
（三） 遥控信号发射电路设计 11
（四） 按键电路设计 11
五、 系统软件设计 13
（一） 四轴飞行器的主程序流程设计 13
（二） 蜂鸣器子程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
流程设计 14
（三） 三维加速度传感器子程序设计 14
（四） 无线数据通信子程序设计 15
（五） 电机驱动子程序设计 16
六、 实物制作与安装 17
总结 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 23
附录三 元件列表 24
附录四 程序 25
引言
四轴飞行器的发展背景
我们经常说的四轴飞行器系统指的是一种通过等微处理器芯片的强大控制作用而实现的微型智能系统，它的实现是微处理器生产技术飞速发展后的一个产物，目前市面上大多数厂商研发的微型处理器都在朝着微型化、高速化和智能化方向发展，这为许多种类型微型系统的发展提供了方向，同时也使得四轴飞行器系统的发展越来越快速、性能越来越高。
四轴飞行器系统的核心部分是其内部的主控微处理器，它在系统中的作用主要是用来对片外的功能模块提供驱动，使得每个芯片或者传感器能够表现出正常功能，在四轴飞行器系统的发展背景中，最早的系统大多数采用了模拟电路架构，微处理器控制的概念较少，那时的数字电路以及控制系统的思想还没有得到普及，四轴飞行器系统只能够通过大量的模拟电路来实现，因此最终的表现形态较为单一，智能化元素较少。而当微处理器技术得到普及之后，智能化的四轴飞行器控制系统得到实现，人们可以将心中所想通过C语言等程序代码进行转换并烧录到微处理器芯片中，使得微处理器按照人们的预想控制进行工作，最终将表现出非常智能的表现。
本文就将在四轴飞行器系统的发展基础上，提出了可以通过STM32微处理器来作为主控核心，结合目前市面上大多数四轴飞行器系统产品所表现出的常见功能以及优缺点，本课题将实现这些产品的优点并且避开常见缺点，实现一款能够实现点阵显示、发出按键提示音信号、加速度检测、无刷电机驱动、射频数据收发和PWM波输出的高性能四轴飞行器系统。
四轴飞行器的国内外发展现状
目前四轴飞行器系统的国内外的发展水平具有一定的差距，市面上较大比例的高性能产品的核心研发技术掌握在欧美国家的一些企业手中，由于国内要进口这种四轴飞行器系统的产品需要较高的成本，所以售价较高，而国内为了赶超这些高性能产品的研发技术，较多企业投入了较多的资金来大力开发四轴飞行器系统的高端性能。随着32位微处理器研发技术和应用技术的不断成熟，越来越多的研发设计师已经掌握了对这种高性能CPU内部寄存器的控制方法，而将这种高端CPU嵌入到四轴飞行器系统中是一项提升该系统性能较为行之有效的方法，所以目前市面上越来越多的四轴飞行器产品开始采用处理速度更高的微处理器来实现控制。
本文主要研究内容
本文以“基于STM32的四轴飞行器研究与设计”作为研究课题，设计了一款能够实现点阵显示、按键提示音、加速度的快速检测、无刷电机驱动、2.4GHz无线通信和无刷电机控制的智能型STM32微处理器控制系统，所有的预期功能指标都得到了实现，实现了能够通过无线遥控器对四旋翼飞行器的动作控制，在空旷地带的遥控距离可以达到500米，通过灵活的遥控控制，四旋翼飞行器能够实现上升、下降、固定在某一高度、前后左右平行移动、飞行器机身旋转等花式动作，飞行器主控能够根据检测到的机身的当前姿态，自动控制机身的倾斜度，实现飞机动作的自动控制，下列为本课题将要实现的各项功能指标。
1、能够在STM32微处理器GPIO管脚的高低电平控制下实现对有源蜂鸣器的工作状态控制，从而实现当用户操控飞行器遥控器时产生按键提示音信号；
2、能够通过STM32微处理器实现对MPU6050加速度传感器的驱动，通过IIC接口实现对加速度检测结果的快速读取，将检测结果转换为当前机身的倾斜角度，从而使得主控能够掌握当前机身姿态并快速调整；
3、能够实现SI2302无刷电机驱动芯片电路的配置，通过该电路对STM32微处理器输出的微弱功率脉冲进行放大，实现对四相无刷电机的强有力驱动，STM32微处理器通过对四个旋翼上电机不同转速的控制，使得飞行器实现上升、下降、固定在某一高度、前后左右平行移动、飞行器机身旋转等花式动作；
4、能够通过C语言在STM32微处理器内部构建SPI软件接口，实现STM32微处理器与NRF24L01无线通信模块的对接，实现无线遥控器和飞行器两个部分之间的遥控指令数据无线传输；
方案设计及元器件选择
四轴飞行器的方案设计
目录
一、 引言 1
（一） 四轴飞行器的发展背景 1
（二） 四轴飞行器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案设计及元器件选择 3
（一） 四轴飞行器的方案设计 3
（二） STM32微处理器简介 3
（三） MPU6050模块简介 4
（四） SI2302无刷电机驱动芯片简介 4
（五） 射频无线通信模块简介 5
（六） 无刷电机简介 5
三、 飞行器控制系统硬件设计 7
（一） 最小系统电路设计 7
（二） 机身姿态检测电路设计 8
（三） SI2302无刷电机驱动电路设计 9
（四） 遥控信号接收电路设计 9
四、 无线遥控器系统硬件设计 11
（一） 最小系统电路设计 11
（二） 按键提示音电路设计 11
（三） 遥控信号发射电路设计 11
（四） 按键电路设计 11
五、 系统软件设计 13
（一） 四轴飞行器的主程序流程设计 13
（二） 蜂鸣器子程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
流程设计 14
（三） 三维加速度传感器子程序设计 14
（四） 无线数据通信子程序设计 15
（五） 电机驱动子程序设计 16
六、 实物制作与安装 17
总结 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 23
附录三 元件列表 24
附录四 程序 25
引言
四轴飞行器的发展背景
我们经常说的四轴飞行器系统指的是一种通过等微处理器芯片的强大控制作用而实现的微型智能系统，它的实现是微处理器生产技术飞速发展后的一个产物，目前市面上大多数厂商研发的微型处理器都在朝着微型化、高速化和智能化方向发展，这为许多种类型微型系统的发展提供了方向，同时也使得四轴飞行器系统的发展越来越快速、性能越来越高。
四轴飞行器系统的核心部分是其内部的主控微处理器，它在系统中的作用主要是用来对片外的功能模块提供驱动，使得每个芯片或者传感器能够表现出正常功能，在四轴飞行器系统的发展背景中，最早的系统大多数采用了模拟电路架构，微处理器控制的概念较少，那时的数字电路以及控制系统的思想还没有得到普及，四轴飞行器系统只能够通过大量的模拟电路来实现，因此最终的表现形态较为单一，智能化元素较少。而当微处理器技术得到普及之后，智能化的四轴飞行器控制系统得到实现，人们可以将心中所想通过C语言等程序代码进行转换并烧录到微处理器芯片中，使得微处理器按照人们的预想控制进行工作，最终将表现出非常智能的表现。
本文就将在四轴飞行器系统的发展基础上，提出了可以通过STM32微处理器来作为主控核心，结合目前市面上大多数四轴飞行器系统产品所表现出的常见功能以及优缺点，本课题将实现这些产品的优点并且避开常见缺点，实现一款能够实现点阵显示、发出按键提示音信号、加速度检测、无刷电机驱动、射频数据收发和PWM波输出的高性能四轴飞行器系统。
四轴飞行器的国内外发展现状
目前四轴飞行器系统的国内外的发展水平具有一定的差距，市面上较大比例的高性能产品的核心研发技术掌握在欧美国家的一些企业手中，由于国内要进口这种四轴飞行器系统的产品需要较高的成本，所以售价较高，而国内为了赶超这些高性能产品的研发技术，较多企业投入了较多的资金来大力开发四轴飞行器系统的高端性能。随着32位微处理器研发技术和应用技术的不断成熟，越来越多的研发设计师已经掌握了对这种高性能CPU内部寄存器的控制方法，而将这种高端CPU嵌入到四轴飞行器系统中是一项提升该系统性能较为行之有效的方法，所以目前市面上越来越多的四轴飞行器产品开始采用处理速度更高的微处理器来实现控制。
本文主要研究内容
本文以“基于STM32的四轴飞行器研究与设计”作为研究课题，设计了一款能够实现点阵显示、按键提示音、加速度的快速检测、无刷电机驱动、2.4GHz无线通信和无刷电机控制的智能型STM32微处理器控制系统，所有的预期功能指标都得到了实现，实现了能够通过无线遥控器对四旋翼飞行器的动作控制，在空旷地带的遥控距离可以达到500米，通过灵活的遥控控制，四旋翼飞行器能够实现上升、下降、固定在某一高度、前后左右平行移动、飞行器机身旋转等花式动作，飞行器主控能够根据检测到的机身的当前姿态，自动控制机身的倾斜度，实现飞机动作的自动控制，下列为本课题将要实现的各项功能指标。
1、能够在STM32微处理器GPIO管脚的高低电平控制下实现对有源蜂鸣器的工作状态控制，从而实现当用户操控飞行器遥控器时产生按键提示音信号；
2、能够通过STM32微处理器实现对MPU6050加速度传感器的驱动，通过IIC接口实现对加速度检测结果的快速读取，将检测结果转换为当前机身的倾斜角度，从而使得主控能够掌握当前机身姿态并快速调整；
3、能够实现SI2302无刷电机驱动芯片电路的配置，通过该电路对STM32微处理器输出的微弱功率脉冲进行放大，实现对四相无刷电机的强有力驱动，STM32微处理器通过对四个旋翼上电机不同转速的控制，使得飞行器实现上升、下降、固定在某一高度、前后左右平行移动、飞行器机身旋转等花式动作；
4、能够通过C语言在STM32微处理器内部构建SPI软件接口，实现STM32微处理器与NRF24L01无线通信模块的对接，实现无线遥控器和飞行器两个部分之间的遥控指令数据无线传输；
方案设计及元器件选择
四轴飞行器的方案设计
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