基于AVR單片機的無線遙控飛機航模的設(shè)計與實現(xiàn)

王 莉 周新東

（1.湖南商學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410205；2.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

0 引言

航模在生活上用途很廣泛，我們可以把它作為休閑娛樂的工具，也可以用它進行航空拍攝，如航模對建筑物、景觀規(guī)劃航空拍攝取得了一定效果等。由于使用航空模型機航拍有拍攝條件不受限制、很低的成本、方便可靠、效果好等一系列的優(yōu)點，已被用在城市道路規(guī)劃拍攝，然后通過計算機合成圖像，為規(guī)劃及建設(shè)提供重要依據(jù)。文獻[1]提到航模不但在城市建設(shè)與規(guī)劃領(lǐng)域很重要，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)也是非常重要的，尤其在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查和變化監(jiān)測、農(nóng)作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測和評估等方面。例如把紅外遙感裝在低空飛行的飛機航模上，通過反射的紅外波段光譜，就可以對作物和樹木等綠色植物受病蟲危害后的影響進行監(jiān)測及預(yù)報。本文基于此，運用ATmega16單片機和C1101無線模塊來進行無線遙控飛機航模的設(shè)計，實現(xiàn)飛機的上升、下降、翻轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。

1 航模組成及工作原理

本設(shè)計由兩部分組成，即機身部分和控制部分。機身部分由機翼、尾翼、機身、螺旋槳和發(fā)動機等幾個部分組成，其中尾翼負(fù)責(zé)飛機航模的升降，垂翼負(fù)責(zé)飛行方向，副翼負(fù)責(zé)航模的翻轉(zhuǎn)，電機采用的是無刷電機，型號是新西達2212，KV值是630，是飛機的動力裝置。

控制部分是本文介紹的重點，以單片機ATmega16為主控芯片，產(chǎn)生的不同PWM占空比信號，通過無線模塊CC10101來與舵機的基準(zhǔn)信號相比較，從而控制飛機航模的飛行狀態(tài)。整個控制部分分為兩個部分：遙控部分和接收控制部分，如圖1所示。其中遙控部分通過單片機與CC1101無線模塊通過SPI協(xié)議完成數(shù)據(jù)的交換和發(fā)送；接收部分將接收到的信號同樣通過SPI協(xié)議傳輸?shù)絾纹瑱C控制模塊，單片機通過快速PWM模式處理輸出一定占空比PWM脈沖信號，然后與舵機電壓信號比較，控制舵機的轉(zhuǎn)動，進而控制飛機的飛行狀態(tài)。

圖1 無線遙控飛機航模控制部分方框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 芯片設(shè)計

ATmega16是一種性能很高的、功耗很低的八位單片AVR微型處理器，有32個8位常用的工作寄存器端口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻；工作模式采取的是全靜態(tài)的，有100多條指令，指令是采用單周期的形式；系統(tǒng)內(nèi)部帶有16K字節(jié)的可重復(fù)擦寫的Flash和0.5M的電可擦寫的可讀儲存器，所以使用壽命都很長。芯片引腳圖如圖2所示。

圖2 ATmega16的引腳圖

圖3 CC1101的引腳圖

CC1101無線模塊是采用TI公司的CC1101芯片制作的模塊，一般是工作在433M，有效頻率：300-348Mhz,400-464Mhz,800-928Mhz；空曠傳輸距離300到500米；低電流損耗，接收模式15.6mA，接收靈敏度-108dBm；休眠模式小于0.5uA；輸出功率可編程，最大發(fā)射電流28mA，可達+10dBm；支持傳輸前自動清理信道訪問（CCA），即載波偵聽系統(tǒng)；高效的SPI串行編程接口，可用IO口模擬SPI時序，也可以用 MCU的SPI口；工作溫度范圍：-40℃～+85℃；工作電壓：1.8-3.6V；最高傳輸速率可達500Kbps；32信道可編程，也可以程序劃分更多的信道。芯片引腳圖如圖3所示。

2.2 主要模塊設(shè)計

2.2.1 遙控模塊

遙控模塊（遙控器）主要由單片機ATmega16、電位器、5V的穩(wěn)壓模塊、CC1101模塊組成，如圖4所示。圖中電位器的電壓信號經(jīng)過單片機PA0、PA1、PA2、PA3端口采集后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后單片機與無線模塊通過SPI協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳送，但CSN為0，SCK為下降沿時，單片機數(shù)據(jù)通過MOSI端口傳送到無線模塊，傳送數(shù)據(jù)完成。

圖4 遙控模塊電路圖

圖中單片機ATmega16主要引腳功能說明如表1所示。

表1 本系統(tǒng)中引腳功能說明

2.2.2 接收控制模塊

接收控制模塊（飛行版）主要由ATmega16單片機、CC1101模塊組成。信號接收到后，單片機就會進入快速PWM模式，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ㄕ伎毡鹊腜WM脈沖信號，然后與舵機的基準(zhǔn)信號相比較，從而控制舵機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛機各單元的控制。其電路圖如圖5如示。圖中無線模塊將接收到的信息傳送給單片機，單片機作為主機，CC1101作為從機。當(dāng)CSN為0，SCK為上升沿時，直到GDO0被拉低，單片機通過MISO開始接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完成，然后經(jīng)過單片機的快速PWM模式的處理，將產(chǎn)生一定占空比的PWM脈沖信號，信號與舵機的電壓信號相比較，完成模型飛機的控制。

圖5 接收控制模塊電路圖

3 軟件設(shè)計

航模采用C語言編寫，軟件設(shè)計主要分為3個模塊，即遙控模塊、接收控制模塊和PWM模塊。本文將重點介紹遙控模塊。啟動遙控模塊后，單片機通過PA端口采集四個電位器中的電壓信號，將電壓信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。信號完成轉(zhuǎn)換后，控制發(fā)送芯片CC1101的4位數(shù)據(jù)線分多次發(fā)送出去。發(fā)送完多組數(shù)字信號之后，程序延時50ms，系統(tǒng)再次采集電壓信號。其流程圖如圖6所示。

4 航模實物圖

圖6 發(fā)送模塊流程圖

圖7 航模實物圖

圖8 裝在機身下的接收控制模塊

5 結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試和運行，本系統(tǒng)利用AVR單片機和無線遙控模塊CC1101實現(xiàn)了無線遙控航模的設(shè)計。該航模具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，具有低成本、低功耗、可靠性高等特點。該航?？蓮V泛用于建筑、工礦、等場所，具有一定的推廣價值。

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