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
http://bbs.elecfans.com/jishu_580161_1_1.html
四轴飞行器的设计之PID算法的分类与应用实例
http://bbs.elecfans.com/jishu_580176_1_1.html
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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：http://bbs.elecfans.com/jishu_580527_1_1.html）。
四轴飞行器的设计之PID算法概述
http://bbs.elecfans.com/jishu_580161_1_1.html
四轴飞行器的设计之PID算法的分类与应用实例
http://bbs.elecfans.com/jishu_580176_1_1.html
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
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
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：http://bbs.elecfans.com/jishu_580527_1_1.html）。
刚好学习下
顶起来，必须顶起来。
感谢分享，电路部分解说的很详细
附录二在哪里找不到啊
顶一个先！
还是感觉好难，感觉好多地方突然就略过了
加油加油使劲看啊使劲看
学习下学习下学习下学习下学习下学习下学习下学习下学习下学习下学习下
看看。正在学习中，支持下！
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看看。正在学习中，支持下！
看图片实物做出来了，那么飞行效果如何呢?
666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666
感谢小编 PCB 布线部分的介绍！
看这个：http://bbs.elecfans.com/forum.ph ... =1101111&extra=
http://bbs.elecfans.com/forum.ph ... =1101111&extra=这个
谢谢分享