四旋翼无人机设计

1主控制器电路设计

STM32F103RCT6是STM32家族中性能比较高端的单片机，将单片机作为基于视觉的四旋翼路径跟踪系统的主控控制器芯片，其内核主要是Cortex-M3。处理速度快，工作效率高。

2. STM32F103最小系统

其STM32F103RCT6、电源相关的模块、有关MCU的复位装置、对信号产生时钟周期的模块，以及下载调试电路都属于最小系统。与其他型号的的MCU相比较而言，因为内部的通讯接口、I/O口以及高级定时器等设置则使工作更加快捷高效。

 

供电电路：官方公示的正常运行电压为2V至3.6V。其正常工作必需的1.8V电源不但可以通过电池等提供还可从其MCU内部设置的调节器来调节得到，用来在应对突发断电的时候，使单片机依然能够正常工作，维持单片机的数据存储和RTC实时时钟的正常工作。

复位电路：按下按键，复位RESET引脚接地，复位引脚电平被拉低，单片机产生低电平复位。按键松开后，电源通过上拉电阻给电容充电，RESET引脚电压逐渐增加，最终以电源达到3.3v以结束这一复位过程。如上图所示的复位电路中电容的主要的功能是通过提供一定的脉冲信号以其宽度这一性质产生复位信号。

时钟电路：共有五个时钟源在 STM32中，分别为 HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。ST官方推荐的时钟信号来源是外接8M晶振,通过PLL进行9倍频，产生72M的时钟源，为单片机提供时钟信号，这个就是系统时钟。

3. 九轴姿态角输出模块JY-901

JY-901模块内部了集成高精度的三轴陀螺仪、三轴加速度计、地磁场传感器，角度传感器，通过模块上的高性能单片机，配合卡尔曼滤波算法，，能够准确的，快速的解算出当前模块的运动状态。且解算出的运动精度可达0.01度，且输出的数据稳定，可直接使用。

 

 

JY-90模块有着串口和IIC两种通讯接口，可以方便与各种型号的单片机链接。其中串口的输出速率为标准的2400bps~921600bps之间，IIC接口速度最快可达400K。

4.电源电路设计

电源采用的是锂电池由于不同的模块用的电源各不相同，所以设计了不同的电路来输出不同的电压供各个模块使用。比如：MCU与超声波、飞控各自所需电压就略有不同，分别是3.3V与5V。

 

 

5. 5V电压输出电路

MP1584是一种高性能高频降压芯片。MP1584采用贴片8脚封装，工作输入电压为8-28V，工作最快频率1.5MHz，输出电流最大可达3A。通过加在MOS管上的开关PWM信号来控制开关管的导通与关断，使电感和电容充放电，从而达到将电源进行降压的目的。MP1584芯片内部自带短路保护，短路电流阈值为4.87A，去除过载后瞬时恢复。通过芯片MP1584来输出稳定的5V，并且带负载能力也能达到我们的要求。在这里采用的二极管是肖特基二极管，其特点是快速恢复。相对于普通的二极管，普通的二极管会因为开关频率高产生漏电发热大而被烧毁。对于普通的三端稳压器如LM7805输入输出压差不能过大，若电压的差值超出一定范围则会造成MCU的运行效率骤然降低以至于发生击穿行的不可恢复的伤害。输入的最高电压不能太大，并且要限制输出电流的大小，1.5A的电流是其最大输出电流。如果一直保持大电流的输出，就必须使用的大尺寸散热片和散热硅脂，否则芯片无法及时散发热量，则热量集聚在一处最后导致热击穿；在输入的电压值与输出的电压值之间的差量不能在2V以下，这一方式主要用来保护外围电路部分。相比之下就能体现出MP1584是一个很合适的降压芯片。

6. 3.3V电压输出电路

AMS1117系列可调和固定电压调节器，主要用于提供最大1A的输出电流并使其工作到1V输入到输出差分电压。器件的输出最大电流时，输入输出电压压差最小1.3v，在负载较低，输出电流较小的情况下，压差可减小。片内调整可将参考电压调整到1.5％。与电压相同电流也得到同样的调整，最大程度的降低了压力调节设备的所必须的条件。因为MCU所需的电压为3.3V，单片机功率消耗比较小，所以选用AMS1117来输出3.3V。

7.超声波定高电路设计

超声波通过超声波发射器发射端，在向某一方向发射出时同时打开定时器，当超声波在空气中遇到阻碍反弹回后接收到信号的同时终止定时器。利用得到的时间结合公式便可到一个数据，这个数据的产生就是我们所说的时间测距的方法。本次设计采用的是的HC-SR04这一模块，该模块更加便捷，利用是时间测距的原理即可得到距离，不断的循环测量，便可以得到移动测量的值。具体设计电路如下：

 

 

用于定高还有另一套方案就是用气压计定高。在气压传感器中MS5611占据着另一片不可取代的地位，其体积非常小，但测量的数据相较一些专业的仪器而言是非常精准的，物美价廉是它的另一优势。MS5611在没有发明之前所用的设备比它要笨重的多，且不如它便捷，所以MS5611一面世就受到了世面上热烈的响应。

MS5611的反应快捷、时间短，做功所造成的损耗也极低，但测量范围却比其他设备更广。MS5611在气压传感器中杀出重围成为这一方面的不二首选，主要是具有以下这些优势：可以与MCU共用同一电源、温度范围更加广泛、高度集成等。

相比于超声波测距，气压计返回的数据与高度成非线性关系，而且受天气等因素的影响比较大，放弃了用气压传感器测量高度的这个方案。

8. 跟踪模块电路设计

为了实现跟踪和寻迹，本次论文设计主要采用OV7725这一型号。OV7725摄像头采用与其型号相对应的内部芯片，并因其自身独特的硬件部分 ，且在信息处理方面更加符合工作所需，所以在这一系列中有着独一无二的地位。

对于市面上的摄像头主要包括两种，一种是CCD摄像头，另一种是CMOS摄像头，我们采用的是CMOS摄像头。OV7725摄像头硬件自适应曝光，即：摄像头会随着外界环境的光线强度调剂自身的曝光时间，当外界光照很强时，摄像头就会减少自己的曝光时间，当外界光照很弱时，摄像头就会增加自身的曝光时间，使得自身输出的数据在最优范围之内。同时OV7725摄像头自带硬件二值化，输出的数据只有两种形式，有利于我们进行数据处理。

OV7725摄像头由于其内部硬件构造可以直接产生二值化的图像，且传输速率更快，相较于黑白、彩色摄像头分别是8-16倍的碾压。所以传输更加稳定。