摘 要

本文首先分析了飞行器在国内外的现状，其次针对了单片机STC89C52与STC15W104的优缺点进行了详细的分析，分析了三种电机驱动方式的优缺点，详细讲解了不同驱动方式对于整个系统电路的影响，硬件电路设计部分包括单片机最小系统、电机驱动电路、红外接收电路。软件的设计包括核心单片机STC15W104对红外信号的处理，单片机的输出PWM波驱动电机转动。同时详细介绍了新型单片机STC15W104寄存器不同位的功能及特点，对于以后使用新型单片机STC15W104具有重要的指导意义。

论文主要研究了姿态算法的解析，分析了欧拉角和四元数对于飞行器旋转姿态分析的优缺点，分析了四元数方法如何解析飞行器的姿态问题，对于以后研究飞行器甚至无人机具有指导作用。

本文使用多个方案综合比较优缺点选择性价比最高的方案进行设计。并通过引用公式，辅以少量的计算，最终使得小黄人飞行器在红外遥控器的控制下能顺利起飞和停止，顺利完成毕业设计。

关键词：STC89C52；STC15W104；欧拉角；四元数

Abstract

This paper first analyzes the status quo of the aircraft at home and abroad, analyzes the advantages and disadvantages of STC89C52 and STC15W104 single chip microcomputer, analyzes the advantages and disadvantages of the three motor drive modes, explains in detail the influence of different driving modes on the whole system circuit, hardware circuit design Part of the microcontroller, including the smallest system, the motor drive circuit, infrared receiver circuit. Software design includes the core microcontroller STC15W104 on the infrared signal processing, single-chip output PWM wave drive motor rotation. At the same time, the function and characteristics of different bits of STC15W104 register are introduced in detail, which is of great significance for the future use of STC15W104.

The paper analyzes the advantages and disadvantages of the Euler angle and the quaternion for the analysis of the attitude analysis of the aircraft. It analyzes how the quaternion method analyzes the attitude problem of the aircraft, and guides the aircraft and even the unmanned aerial vehicle effect.

In this paper, the use of multiple programs to compare the advantages and disadvantages of the most cost-effective option to design. And by reference to the formula, supplemented by a small amount of calculation, and ultimately make the small yellow aircraft in the infrared remote control under the control of the smooth take off and stop, successfully completed the graduation design.

Key words: STC89C52; STC15W104; Euler angle; quaternion

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 本文研究背景及意义 1

1.3 国内外研究现状 1

第2章 方案论证 3

2.1电机驱动方案论证 3

2.2红外接收方案论证 5

2.3本章小结 6

第3章 硬件电路设计 7

3.1 硬件需求分析 7

3.2 系统整体框图 7

3.3 单片机模块 7

3.4蓄电池模块 9

3.5电机模块 10

3.6红外发射模块-遥控器 10

3.7电路图设计 11

3.7.1 单片机最小系统模块 11

3.7.2 红外接收模块 12

3.7.3 电机驱动模块 12

3.8本章小结 12

第4章 软件程序设计 14

4.1 软件需求分析 14

4.2 程序流程设计 14

4.2.1 单片机程序流程 14

4.2.2 红外接收程序流程 15

4.3 程序编写 16

4.3.1 需要配置的寄存器 16

4.3.2 寄存器的设置 18

4.4 本章小结 19

第5章 姿态算法的研究 21

5.1 四元数 21

5.1.1四元数的基本性质 21

5.1.2 四元数与欧拉角的转化 22

5.2 欧拉角 23

5.3 欧拉角四元数对比 23

5.4 本章小结 24

第6章 系统测试 25

6.1 测试设备 25

6.2 安装调试 25

6.3 测试结果 25

6.4 本章小结 25

第7章 总结与展望 27

参考文献 28

附录A 30

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 引言

随着科技的发展与进步，特别是电子科技与芯片制造的突飞猛进，微小型飞行器具有体积比较小，重量比较轻等一系列优点，可以工作在一些人类难以进入的环境，因而微小型飞行器越来越受到人们的欢迎^[1]。微小型飞行器最高飞行高度一般低于100m，适合在高度要求不是特别高的地表环境下工作，例如室内、森林、城市中工作，对于效果特别好的微小型飞行器可以工作在火星环境中。

微小型飞行器在军事领域应用非常广泛，微小型飞行器可以应用到卫星难以覆盖的地区，获取危险地区的信息，在复杂的军事战斗中，通过微小型飞行器可以提高单兵作战的能力，保护士兵，减少人员伤亡。

微小型飞行器在民用领域应用也非常广泛，例如农业领域，通过自身携带的高精度摄像头检测果实成熟情况，检测土壤干湿度，检测森林火险等级，监控面积大且实时性好。

微小型飞行器一般具有独特的外形结构、较低的自身重量、足够的供电系统、精度较高的传感器甚至高精度摄像头来支持自身的工作。例如微小型飞行器可以对森林、海洋水质进行监控，对战场环境进行监视、侦测危险事件，因为这些独特的优点，微小型飞行器越来越受到人们的青睐。

1.2 本文研究背景及意义

微小型飞行器作为最近30年新型的军事生活重要工具，越来越受到人们的青睐，但微小型飞行器的制作却需要多少方面的知识。小型飞行器的飞行除了需要电路方面的知识外，更重要的是针对飞行器的飞行姿态进行解析、控制和调整。从而达到控制飞行器飞行姿态的目的，假如对于微小型飞行器姿态解析不彻底，仅仅只有供电电路工作正常，那么微小型飞行器无法正常工作，更不可能针对各个领域为人类服务。因此本文不但针对飞行器的供电、控制、驱动进行了设计，更针对飞行器的姿态控制进行了详细的解析，为以后飞行器的姿态解析和控制提供了指导性作用。

1.3 国内外研究现状

微小型飞行器是上个世纪90年代美国等先进工业国家融合了纳米技术而新兴的一门技术^[2],采用了新兴供电系统、精密传感器、新兴纳米科技、导航和通信等先进的技术，融合到微小型飞行器中，以实现微小型飞行器的功能。

目前美国微小型飞行器已经广泛应用在军事领域，例如阿富汗战场，研制出一种名为“微星”的类似昆虫的微小型飞行器，可以对战场实时的战争状况进行拍摄与监控，获取大量信息，这便是仿昆虫微小型飞行器，这种飞行器自身 大量传感器以及像素极高的摄像头，外形模仿昆虫，使得肉眼难以分辨。

目前我国国内微小型飞行器目前还处在起步的阶段，但是代表作品仍具有非常大的创新性。如北京航空航天大学的ifly30，尺寸为80*40*30mm，重量68g，功耗1200mW，具有自动起飞降落功能，并且具有姿态控制等功能^[3]。清华大学单旋翼球形飞行器，采用轻木碳纤维等材料，重量0.6kg，螺旋桨10*4.5，舵机：Emax ES08D,电池1500mAh^[4]。

民用型微小型飞行器作为休闲娱乐类玩具普遍受到欧美日本等发达国家人民的喜爱。相比较于其他玩具，飞行器有其独特的优势。目前国内对于微小型飞行器类玩具的研究发展也十分迅速，基于单片机的各类飞行玩具在市场或者电子竞赛上非常普遍，熟悉飞行器类玩具的硬件软件制作成为了许多人的想法，本文的设计即包括了一个简易的飞行器玩具的硬件和软件的设计。