四轴飞行器的设计之主板硬件模型-STC15单片机实战指南连载

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前面讲了PID算法（错过了的可以点击查看：）
　　四轴飞行器的设计之PID算法概述
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　　四轴飞行器的设计之PID算法的分类与应用实例
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　　要让四轴飞起来，建立合适的硬件模型是必需的，这个模型包括四轴主板和遥控器，这些模型有大有小，形状也比较自由，但是四轴飞行器尽量做到四轴对称，至少两两对称。接下来，我们一起来学习一下四轴主板和遥控器的硬件电路设计。

　　搭建四轴飞行器的主板
　　要搭建一个四轴主板，首先得从要实现的功能入手。就如前面章节所讲述的，先提出项目需求，再根据项目需求来划分功能，之后再具体实现各个子功能，最后综合各个子功能，也即联调实现整个系统。为了让读者有个宏观的认识，我们这里先上四轴主板的总体框架图，再对其进行拆分讲解，总框架如图1所示。

图1四轴主板总框架图

　　1.电源部分电路的设计
　　电源对于系统的作用犹如心脏对人，实时提供着系统运行的“新鲜”血液。如果一个系统没有稳定电源，就如人体没有新鲜的血液，充满“SARS”、“H7N9”病毒的血液可以使人瘫痪，甚至死亡，同样如果一个四轴的电源不够稳定，那么四轴必然也会飞不起来，或者直接坠机身亡。由此可见，电源的稳定性是多么的重要，接下来，我们来为四轴设计一个稳定电源吧。

　　四轴的电源，我们采用“3.7V”的锂电池来供电。读者需要注意的是，这个3.7V，事实上并不是稳定的3.7V，该电池在充满电之后的电压为4.2V左右，随着电池的消耗，电压又会降到3.7V左右，甚至更低。这时读者需要考虑一个问题，如果四轴在空中飞行，飞到几分钟之后，电量耗尽，突然坠机，该怎么办呢?鉴于这种情况，我们再电路中加入了电池电量检测电路，用于电池电量的检测，当电量不足时，我们提前进行报警，让操作者此时开始操作返航，从而避免了坠机等特殊情况的发生，检测电路如图2所示。

　　由图1可知，需要用到电源的器件有主控单片机、传感器、无线模块、电机。其中单片机需求的电压由STC官方的数据手册第185页可知，电压范围是2.5~5.5V，这样一来，我们直接用电池给单片机供电在理论上是可行的;再者由MPU6050的规格书可知，其电压范围是2.375~3.46V;最后无线模块(NRF24L01)的电压范围是1.9~3.6V。这样综合三者的电压需求，如果采用先将电池电源用LDO电路进行降压，降到3.3V，再为单片机、传感器、无线模块供电，理论上，应该是很完美的，但是，理论终归是理论，与实际有很大的区别，为何这么说了?

　　要知道，电机在启动的一瞬间，电流是很大的，高达几A的电流，势必瞬间会拉低电压，这样，在实际调试时发现，3.3V的理论电压会被拉低到2.8V左右，这个电压，按单片机官方给出的数据分析，应该单片机还是能正常工作，可实际上，单片机在2.8V的电压下，是不能够正常工作，这样，就会造成单片机不断重启，从而无法正常控制该系统。鉴于这种情况，笔者对电源做了处理，先对其电池电源进行升压，升到5V，再对单片机进行供电，升压电路如图20-3所示，这里的升压芯片，笔者选用了BL8530，当然还可以选用QX2303等，道理大都类似。如果读者以后设计电路，需要大电流的升压芯片，例如2A，还可以选用MP1542这样芯片，典型应用如图3所示。

图2 5V升压电路原理图

图3 5V升压电路原理图

　　这里顺便为读者扩展一点PCB知识。在PCB绘制中，为了减小纹波和噪声，要仔细的绘制PCB，这里有一个很重要的知识点，对地的处理。一般包括三种基本的信号接地方式：铺地、单点接地、多点接地。其中铺地和多点接地读者自行查阅资料。所谓单点接地是线路中只有一个物理点被定义为接地参考点，凡需要接地均接于此。

　　对于以上的接地方式，各自有自己的好处，需要依情况综合运用。限于篇幅，不做太深入的讲解，简单说明一个知识点——单点接地。这是笔者曾经用过的一个12V转3.3V的电路，原理图如图4所示，其中转换效率为93%，输出电流高达2A。当然该IC不是只能输出3.3V，而是只要输入端满足4.75~18V的输入，输出端就可以通过配置电阻来输出0.923~15V的电压。其中VOUT=0.923×(R1+R2) /R2，这样，不同的电阻，就可以输出不同的电压了，例如图中：VOUT=0.923×[(R1+R2)/R2]=0.923×[(26.1+10)/10]≈3.33206V。

图4 MP1482电压转换电路图

　　以上不是笔者要说的重点，重点是下面的PCB图，笔者就将两面的图都贴到这里，以便说明，其中TOP Layer和Bottom Layer分别如图5和图6所示。

图5MP1482的TOP Layer图

图6MP1482的BOTTOM Layer图

　　关于此图或许涉及的方面还比较多，笔者这里只说两点：
　　(1)输入端滤波电容的地、转换IC的地、输出端滤波电容的地要用最短、最宽的地线来连接。
　　(2)将上面这些地不要一出来就接到底层的地上，因为此时的输出端纹波、噪声、干扰最大，等先经过滤波、旁路电容和电感等之后，再与底层地相连。同时在底层画出一块专门(不能与别的地连接)的地用于散热。

　　2.传感器——MPU6050
　　四轴飞行过程中，我们肯定是希望他平稳的飞行，而不是东倒西斜，甚至直接坠机，那该如何检测是否平稳，或者该用什么器件来知道呢?答案是陀螺仪MPU6050，这部分的电路图还是比较简单，具体如图7所示。

图7MPU6050应用原理图

　　现对图7做简单说明，基本的应用，读者可参考MPU6050的规格书。这里主要说明两点，磁珠和限流电阻。FB1、FB2是磁珠，何为磁珠?笔者的理解是，磁珠≈电阻+电感，只是电阻值和电感值都随频率变化而变化。磁珠的表示符号和电感的类似，因为在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同;单位是欧姆，而不是亨特。因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位是欧姆。例如通常说的100Ω、120Ω都是指磁珠在100MHz下的阻抗，要是直接测试磁珠的阻值，一般为0.4Ω左右，这里用磁珠，主要是为了高频干扰。

　　限流电阻RP5、RP6、RP7，也即匹配电阻。前面已经提到了，单片机采用了5V的逻辑电平，可是MPU6050采用的是3.3V的逻辑电平，这两个电压的逻辑电平是匹配的，因此不用考虑电平匹配，可是MPU6050数据端口的电压要求是不超过VDD，因此我们这里加了限流电阻RP5、RP6、RP7。

　　3.无线模块——Nrf24l01
　　四轴飞行过程中，读者肯定是需要对其控制，否则“她”怎么知道什么时候开始飞，飞到哪里去呢?说到控制，也行，我可以接一根长长的尾巴线，再接到控制器上，实现控制，读者觉得现实吗?因此有了无线模块的介入，继而用无线进行控制，无线部分，笔者采用了现成的无线模块，其接口电路和无线模块实物分别如图8和9所示。

图8 nRF24L01接口图

图9 nRF24L01实物图

　　飞蜓二號采用了无线模块，读者当可以采用将无线模块基础到板子上，这样，正确的原理图是必须的，结合nRF24l01的数据手册(第32页)，可以得到如图10所示应用原理图。

图10 nRF24l01的电路原理图

　　4.电机驱动电路
　　前面介绍单片机I/O口时，提到过，单片机是不能直接驱动大电路器件的，因此，驱动电路的设计也是必须的，飞蜓二號采用SI2302(NMOS管)来驱动电机，电路如图11所示。MOS管的具体应用，前面章节有所讲述，请读者自行查阅，该MOS管的驱动电路可达3A，完全满足我们的设计需求。

图11 电机驱动电路

　　5.控制核心——单片机(IAP15W4K58S4)
　　由于该系列的单片机内部集成了RC晶振和复位电路，所以最小系统的搭建相当简单，这里不赘，具体详见附录二。
　　有了电路的分析，读者只需按前面PCB章节讲述的知识，先画原理图和PCB封装，之后进行原理图绘制，再倒入到PCB界面，进行PCB的绘制，最后送工厂打板。等板子到了之后，焊接相应的元器件，并进行电池、电机、防撞圈的组装，这样就有了如图12所示的实物图。

图12飞蜓二號（FTST15-V1.0）实物图

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我将持续更新内容，下一节讲搭建四轴飞行器的遥控器（已更新见：https://bbs.elecfans.com/jishu_580527_1_1.html）。