论文总字数：15928字

摘 要

随着旋翼无人机在各领域的广泛应用和发展，电子陀螺仪的应用已经随处可见。随之而来的无人机精确姿态控制技术也得到了快速发展。本课题就一款使用单片机读取电子陀螺仪实时信息的硬件设计进行了探讨，并用意法半导体集团生产的STM32系列单片机作为主控芯片进行硬件设计，以验证课题实现的情况。文中首先对使用的模块进行了介绍，对各个模块的实现方法和具体电路进行了分析，在此基础上形成总体电路。完成电路的整体设计后开始进行元器件的选择，原理图和PCB的绘制。电路板制作完成后进行焊接，焊接完成后，配合软件方向同学进行调试。最后对设计、焊接和调试过程中遇到的问题进行总结与分析。

关键词：电子陀螺仪 无线数据传输 硬件设计 STM32

Electronic gyroscope wireless data acquisition (hardware)

Abstract

With the wide application and development of rotary wing drones in various fields, electronic gyroscope application has been everywhere. The accompanying drone precise attitude control technology has also been rapidly developed. This topic discusses a hardware design that uses MCU to read real-time information of electronic gyroscope. Using the STM32 series MCU manufactured by STMicroelectronics as the main control chip for hardware design to verify the realization of the topic. The paper first introduced the modules used, and then we analyze the function of each module and circuit, based on those, the total circuit formed. After completing the circuit's overall design, components selection, schematic drawing, and PCB drawing begin. After the circuit board is manufactured, it is soldered. After the board is completed, it is coordinated with the student who programming to debug. Finally, the problems encountered in the design, welding and debugging process are summarized and analyzed.

Key Words: electronic gyroscope; wireless data transmission; hardware design; STM32

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 设计的背景和意义 1

1.2 目前相关技术的发展情况 1

1.3 本文的安排 2

第二章 主要元器件介绍 3

2.1 稳压电源 3

2.2 电子陀螺仪 4

2.3 无线数据传输模块 5

2.4 单片机 5

2.5 LCD液晶显示屏 6

第三章 硬件设计 8

3.1 总体电路框图设计 8

3.2 模块电路设计 8

3.2.1 电源输入、减压模块 8

3.2.2 单片机模块 12

3.2.3 使用的接口 14

第四章 电路制作与焊接 16

4.1 PCB绘制注意事项 16

4.2 元器件的选择与购买 17

4.3 焊接电路板 18

第五章 电路调试与问题分析 20

5.1 电路调试 20

5.2 问题分析 21

第六章 总结与展望 23

6.1 论文总结 23

6.2 工作展望 23

参考文献 25

致 谢 27

绪 论

1.1 设计的背景和意义

旋翼无人机在各领域的广泛应用和发展，离不开本身的精确控制。对于经常执行精密任务的无人机以及自身易损的特性，无人机精确姿态控制技术发展的越来越快。姿态控制离不开陀螺仪，近年来电子陀螺仪发展迅速，而且成本越来越低廉，在生活中的应用越来越广泛，在无人机和智能手机中都能见到它们的身影。现在无人机主要应用于侦察、拍摄等方面，经常遇到要通过复杂环境的情况或者平稳的拍摄某一幅画面，这都对姿态控制要求很高。同时无人机基本都是无线遥控操作，这就涉及到无线通信的问题。在进行超视距操作的时候，人眼无法直接对无人机的姿态进行观测，只能通过无人机发送回的姿态数据进行调整，如果数据传输过程中出现严重时延或者错误时，就很有可能出现无人机失控坠毁的情况。所以对于电子陀螺仪的无线数据传输要十分重视。

1.2 目前相关技术的发展情况

电子陀螺仪的研究始于20世纪80年代，经过几十年的发展国外相关研究已经比较成熟，目前的目标是研究出能取代激光陀螺仪和光纤陀螺仪等传统产品的电子陀螺仪（MEMS）。我国的研究工作起步较晚，虽然目前正在积极研究，国家已经投入大量资金用于电子陀螺仪的技术研究，但不可否认，我国的研究成果与国外仍有较大的差距，能够商品化的高性能电子陀螺仪更是罕有。

早期的机械式陀螺仪内部存在一个高速旋转的陀螺，因此对震动特别敏感，会造成误差。而且因为加工工艺的限制，机械式陀螺仪的精度一直受到影响，同样，以机械式陀螺仪为核心的导航系统的精度也受到了限制。电子陀螺仪的发明离不开物理学的进步。物理学中发现的科里奥利力，可以通过在内部产生细微的电容变化，测量出电容的值，计算出角速度。以此为原理，发明出了电子陀螺仪。

无线传输模块是利用无线技术进行无线传输的模块化产品，在无线通讯、无线控制等领域可以经常看到它们的身影。

我国与国外发达国家相比，无线数据通信起步较晚，落后很多。但是当时政府预见到了无线数据通信的发展前景，专门为其开辟了223~235MHz的无线数据通信专用频段，避免了与语音通信争抢频率资源，这也为日后的快速发展奠定了坚实的基础。

和传统的有线方式相比，无线数据传输有许多优点。首先，在远距离、大规模的建设通信系统的时候，如果采用有线通信方式，需要大量的人力物力来架设线路，成本很高，而且建设周期长。如果采用无线数据传输，则只要在每个终端安装模块架设天线就可以了，时间成本和经济成本都大大降低。其次，在某些极端环境中并不适合甚至不能架设线路，而无线通信并没有这种制约。最后，当一个通信系统建成后，如果要向通信系统中添加新的设备，有线通信方式要重新布线施工，在施工过程中还有可能破坏原先的线路，如果采用无线数据传输的方式，只需要将新终端的无线传输模块与原先的系统相连接就可以使用，扩展性非常好。因此，无线传输模块广泛应用于工业自动化、铁路信号监控系统、GPS定位系统、无人机系统等等。

1.3 本文的安排

本文通过对电子陀螺仪和无线通信模块的资料查询还有所学的硬件知识，设计出一个能够采集陀螺仪数据并能进行无线传输的通信系统。发送端用主单片机采集陀螺仪的数据，并控制无线传输模块进行数据传输，将采集的陀螺仪数据发送给接收端。接收端的从单片机从本端的无线传输模块接收数据，并将接收到的数据在显示屏上显示。本文的主要工作有以下几点：

1. 根据要求设计出总体的电路框图；
2. 根据所要实现的功能，设计电路；
3. 设计必要的接口电路，完成电路原理图；
4. 完成原理图对应的PCB图；
5. 组装硬件电路板，协助软件人员进行系统调试；
6. 分析调试过程中遇到的问题，并进行改进。

第二章 主要元器件介绍

2.1 稳压电源

为了节省成本，本组的三个项目需要的电路板制作成一块板，所以共用的电源电路需要考虑的各组的需求，经过讨论后由实验室的直流稳压电源输入24V电压，再经由电路板上的稳压电路来进行转变，分别转换出12V、5V和3.3V的电压。经过查询资料，在输入电压与输出电压的电压差较大，使用开关稳压器件，在电压差较小的情况下，使用线性稳压器件。通过分析比较，选择最常用的两款电源，开关稳压器件LM2575和性稳压器LM1117。

使用的LM2575有两种型号，分别是LM2575-12和LM2575-5.0。LM2575系列是美国国家半导体公司生产的1安培集成开关稳压电路。和以前的稳压电路相比，它优化了内部电路结构，以此减少了散热片的大小，在某些情况下甚至无需使用散热片，内部有完善的保护机制，包括电流限制及开关热断电等等。它的适配性十分好，与多个不同的厂家提供的标准电感都可以组合使用。

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