发布时间 : 星期五 文章四轴飞行器的姿态检测模块设计报告更新完毕开始阅读3d6b86d469eae009581becff
第二章 方案设计
2.4 姿态检测系统工作原理及其组成
基于单片机STC89C52的姿态检测系统实际上就是可以实时为用户提供载体姿态信息的微型惯性检测系统。它由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器组成，提供的载体的加速度和角速率信息，这些实时信息经姿态解算后即可获得姿态角，其工作原理结构图如图2-1所示。
图2-1 姿态检测系统工作原理结构图
处理器部分，是由STC89C52单片机及其外围电路组成的，作为整个姿态检测系统的核心，其主要的功能是通过I/O口将集成芯片MPU6050的加速度计和陀螺仪以及HMC5883L得到的数据，通过模拟I2C总线采集，然后经过微处理器上进行换算，滤波，姿态解算，最终得到四轴飞行器的3个姿态角即俯仰角pitch、翻滚角roll、偏航角yaw[7]，如图2-2所示。
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第二章 方案设计
图2-2 姿态角示意图
MPU6050模块，MPU6050集成了三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器。其中三轴陀螺仪输出的是无符号的16位二进制码[8]，然后根据程序中设置的量程可以计算出角速度。同样三轴加速度传感器输出的也是无符号的16位二进制码，然后根据程序中设定的量程可以计算出加速度。
数字磁罗盘HMC5883L：数字磁罗盘主要为基于微机械器件的姿态检测系统提供导航角，通过磁偏角补偿，从而得到载体的真航向角。
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第三章 硬件设计
第三章 硬件设计
姿态检测系统硬件基于模块化设计，包括单片机处理器模块，传感器模块，以及电源模块。
3.1 处理器模块
处理器模块是由处理器构成的最小系统，它由一块STC89C52单片机、一个时钟电路、一个复位电路以及电源组成，其结构如图3-1所示。
图3-1 最小系统结构图
3.1.1 STC89C52硬件资源
? 8K字节程序存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间；512字节的数据
存储空间；可以直接使用串口下载应用程序[9]；
? 增强型的8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，有两种时钟周期即6
时钟周期和12时钟周期可供用户选择； ? 工作电压：5.5V～3.3V；
? 工作频率范围：0～40MHz，实际工作时的频率可以达到48MHz； ? 用户可以利用的应用程序空间为8K字节；
? 通用的I/O口共有32个，复位后：P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是
漏极开路输出，作为I/O口用时，不能输出高电平，需加上拉电阻，一般为1K或10K，作为总线扩展用时，不需要加上拉电阻；
? 共3个16位的定时/计数器，分别为T0，T1，T2，比51多一个定时器，设
计好定时器初值就可实现定时、计数及延时；
? SCT89C52共有6个中断源，分别是3个定时器中断、2个外部中断和一个
串行口中断；可分为两个中断优先级。 3.1.2 时钟电路
处理器模块的时钟电路也称振荡电路，是由两个30pF的陶瓷电容和一个11.0592MHz的晶振构成，其电路如图3-1-2所示。STC89C52芯片内部设有一个增益高的反相放大器，用作组成内部的振荡器。图3-1-2中X1和X2分别为处理
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第三章 硬件设计
器内置的反向放大器的输入和输出端，两端跨接晶振以及两个陶瓷电容就可构成稳定的自激振荡器。而电容C1，C2可以起稳定振荡频率的作用，并对振荡电路的频率具有微量调节的作用，通常来说，C1和C2可在20-100pF之间取值，本次设计取30pF[10]。
图3-1-2 时钟电路
3.1.3 复位电路
复位电路有两种形式，分别是上电复位和手动复位。上电复位的原理是在加电的瞬间导致电容两端的电压不同，形成电压差，进而对电容充电来实现的。在通电瞬间，电容C通过电阻R导通而充电，以致RST端出现正脉冲，对单片机进行复位。只要满足电源VCC的上升时间不超过1ms，电阻R和电容C可随意搭配，也就是说，电容和电阻的选取具有多样性。实现自动上电复位，即接通电源的瞬间就完成了系统的初始化。而对于电阻R和电容C的设置，只要满足在震荡电路稳定后保证RST端高电平持续的时间也就是正脉冲宽度大于2个机器周期就可以。当采用的晶振的晶体的频率为6MHz时，可采取C=22uF，R=1K；当采用晶体为11.0592MHz时，可取C=10uF，R=8.2K。
对于CMOS型的STC89C52，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，将外接电容减至1uF。
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。常用的方法是在正电源VCC和RST端之间增加一个四脚按键。当按下按键时，则VCC的+5V电平就会瞬间加到RST端，从而实现单片机手动复位。就算是人的动作再快，按钮保持接通的时间也可长达数十毫秒，完全能够满足复位的时间要求。
一般来说，为了实现复位的多样性，可采用手动复位和上电自动复位结合的形式[10]，其电路如图3-1-3所示。
图3-1-3 复位电路
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