基于stc单片机的遥控直升飞机系统设计

摘 要 随着航空模型的发展，特别是无线电遥控模型飞机的日臻完善，航空模型的用途越来越广泛。 本文主要研究了基于单片机的遥控直升飞机控制，以STC89C51作为核心部件进行逻辑控制及信号产生，实现了红外远程遥控直升机的目的。论文首先介绍了单片机的基本理论，然后对软件设计中所涉及的红外遥控发射、接收、调速等单元的设计及工作原理进行了详细的说明，并阐述了遥控直升飞机的飞行原理。由于飞机配件的选择及组装是本次设计的重要内容之一，因此文中对涉及到的电机、舵机、螺旋桨、锂电池等飞机主要配件及组装注意事项进行了重点讲解。最后通过对软硬件的反复调试，完成直升机的装机和控制系统设计，达到设计要求，实现对遥控直升飞机平衡、上升、下降、左转、右转等简单的控制。该遥控直升机具有接收信号灵敏，控制简单等优点。 关键词：遥控直升机；单片机；汇编语言；红外遥控 Abstract With the development of aviation models, especially the radio-controlled model airplanes are becoming perfection, the model airplane is getting more sophisticated and more widely used. In this paper, the microcontroller-based remote control helicopter is researched. It takes STC89C51 as the core components to have the logic control and generate signals, in order to achieve the purpose of the infrared remote control helicopter. First, the article introduces the basic theory of the microcontroller; then illustrates the designing process and working principles of infrared remote control transmitter, receiver, and speed control unit involved in software design; and expounds the flight theory of remote control helicopter. Because the selection and assembly of aircraft parts are one of the important parts of this design, this paper will pay attention to issues of motors, steering gear, propellers, lithium and other aircraft involved in the main parts and assembly. Finally, after the repeatedly testing of the hardware and software, this paper will complete the installment and control system design of the helicopter, meet the design requirements, to achieve the balance, up, down, turn left, turn right and some simple control of the remote control helicopter. The remote control helicopter has advantages of received signal sensitively and controlled simply. Keywords: remote control helicopter; microcontroller; assembly language; infrared remote control 目 录 1第1章 概 述 11.1 课题研究的背景和意义 11.2 国内外航模的发展状况 31.3 论文主要内容 4第2章 单片机简介 42.1 单片机概述 42.2 单片机的应用领域 52.3 STC89C51单片机的功能及简介 92.4 本章小结 10第3章 遥控直升飞机组件与安装 103.1 直升机的基本理论 143.2 直升飞机各组件名称与作用 173.3 硬件组装 203.4 本章小结 21第4章 系统的设计与实现 214.1 遥控码的发射 234.2 红外接收 264.3 调速单元 284.4 系统调试 304.5 本章小结 31结 论 32致 谢 33参考文献 34附录1发射程序 37附录2 接收程序 40附录3 PWM信号（产生移位脉冲） 42附录4 红外发射电路图 43附录5 红外接收电路图 第1章 概 述 1.1 课题研究的背景和意义 人类自古以来就幻想着飞行。在载人的航空器出现之前，人类就创造了许多能飞行的航空模型，不断地探索着飞行的奥秘。距今2000多年前的春秋战国时期，我们的祖先就制作出能飞的木鸟模型。另外，还制作出种类繁多的孔明灯、风筝和竹蜻蜓等。美国的莱特兄弟是世界上第一架飞机的制造者，他们的飞机在1903年12月17日试飞成功。 在飞机发明之前，航空模型具有强烈的探索性质，在飞机发明之后，航空模型仍然是研究航空科学的必要工具。每一种新飞机的试制，都要先在风洞里用模型进行试验，甚至连航天飞机这样先进的航空器，也要经过模型试验阶段，取得必要的数据，才能获得成功。 航空模型是很有实用价值的器具。我国汉代就有用风筝测量距离和传递信息的。随着航空模型的发展，特别是无线电遥控模型飞机的日臻完善，航空模型的用途越来越广泛。 可以利用无线电遥控模型飞机作为部队和民兵对空射击训练的靶机。在训练的时候，通过无线电遥控设备控制航模靶机完成直线飞行、转弯、上升、俯冲等飞行动作，甚至在靶机上完成空投降落伞、发射模型火箭、投放炸弹、施放拖靶等特技动作。在实弹射击时候，可以在航模靶机尾部几十米远处拖拽一个彩色靶袋，以靶袋作为目标，避免击毁靶机。在无线电遥控模型飞机上装上摄影机，就可以对地面进行航空摄影，拍摄一些人们不容易接近的野生动植物，甚至可以拍摄一些危险性很大 的惊险镜头或战斗场面等。 航空模型是普及航空知识的玩具。航模活动是很多航模爱好者和广大青少年学生喜欢参加的课外活动。这不仅是学生的年龄层次决定的，更重要的是航模活动集科技性、知识性、趣味性、竞技性、实践性等优点，对锻炼青少年动手动脑能力，促进全面素质的提高，有着十分积极的作用。 1.2 国内外航模的发展状况 经过千年的努力，被美国国家航空和空间博物馆称为“最早的飞行器”的风筝，被英国和法国的航空先驱者们，用来探讨旋翼原理的竹蜻蜓，采用轻于空气的原理实现升空的孔明灯，以及具备火箭升空喷气反应推力原理的流星，相继在古老的中国出现，他们都是远古时代的航空模型，其中包涵的飞行原理为载人飞行器的研制开辟了道路。  20世纪前期，随着第一次世界大战的爆发，交战国纷纷将飞机用到了战争中，残酷的战火带动了航空业的迅速发展。由于模型飞机对普及航空知识、培养航空人才起着不可替代的作用，美国、俄国、德国、日本等国家相继出现了航空热，并逐渐形成有组织有领导的群众性航空模型运动。 时至今日在国外，航模产品的质量和性能都有较高的水平。航模产品的盛行带动了航模活动的普及。在国际上，航模的消费也主要集中在航模活动普及的国家和地区。 在航模运动的普及和飞行水平的提高方面，国外的各飞行俱乐部起了关键的作用。国外的飞行俱乐部都是爱好者自发组成的民间组织，注册于各国的航模总协会下，如美国的AMA（全美航模协会）、英国的BFMA（大英航模协会）、澳大利亚的MAAA（澳洲航模协会）。这些机构与中国的国家体育总局航管中心相似。俱乐部以团体的形式向社会介绍和推广航模活动，通过媒体对各种活动和赛事的报道提高了社会公众和政府对航模这项休闲及运动的认知和尊重，为航模运动争取一个较好的社会环境，为模友们创造一个良好的飞行氛围。 1905年国际航空联合会诞生，航空模型被列为其管辖的项目之一，随之成为一项世界性运动。航空模型一词于1913年流传到中国，首次出现在上海《东方杂志》刊登的《飞行雏形制造》的文章中。中国较大规模的航空模型运动起步于40年代，1947年举行了首届航空模型比赛。1978年10月中国加入国际航空联合会，并开始参加世界锦标赛，从此，我国的航空模型运动正式走向世界。随着我国航空事业的不断发展，航空知识教育日趋受到国家的重视，1992年82万青少年参加的首届“飞向北京”全国青少年航空模型竞赛，给航空模型运动的普及和发展增添了新的活力。 我国航模产业的集中度不高，没有形成部分企业大规模的绝对优势，但是行业内的竞争在加剧，这为航模企业提供了发展空间的同时也增加了紧迫感。 　　航模产业属于从朝阳产业向成熟产业过渡的阶段，行业竞争在加剧，我国航模产业的产量及其增长趋势体现在以下几个方面： 　　（1）行业的集中度不高。航模制造企业主要分布于珠江三角洲的深圳、珠海和上海、天津等地。全国50家企业，规模相对不大，势均力敌的对手比较多，竞争参与者范围广泛。 　　（2）市场趋于成熟，虽然每年都在增长，但是速度缓慢。市场增长主要是一些新兴工业化国家和逐渐走向富裕的国家和地区，如韩国、新加坡、中国。中国市场每年在以20%的速度增长。 （3）供需平衡 航空模型作为运动休闲类产品，欧美、日本等发达国家是主要的消费市场。航模生产主要集中在中国珠江三角洲和长江三角洲地区，尤以深圳为主。随着行业生产厂商技术能力的不断提高和行业竞争的加剧，航模生产厂商只有不断的提高技术能力，完善产品性能，提高产品品质，降低生产成本，才能在市场竞争中获得一席之地，取得很好的经营收益。 1.3 论文主要内容 本设计是以遥控直升飞机为研究对象，主要是研究单片机对直升机的平衡、上升、下降、左转、右转等遥控功能。此次设计中的单片机控制器采用的是STC89C51，针对单片机的基本理论和直升飞机的飞行原理进行了详细的阐述，同时对遥控直升机的模型结构也进行了剖析，并对其进行正确的安装，由于红外技术发展成熟，利用汇编语言进行编辑发射部分、接收部分的程序，所以本设计是以单片机为基础，通过红外远程遥控实现对直升机的简单控制。 在第二章中，主要对单片机及其应用的领域进行概述，重点阐述了单片机STC89C51各个引脚的功能，对微处理器、数据存储器、串行口、中断系统、定时器和基本操作等做了较为详细的介绍。 在第三章中，首先对遥控直升飞机的飞行原理和贝尔-希拉操纵进行了初步分析，然后阐述了遥控直升飞机的主要部件，重点对直升机组件及安装的注意事项进行了详细说明，最后完成装机工作。 在第四章中，介绍了基于单片机的遥控直升机控制系统的软件设计，详细介绍了红外遥控码的发射、红外遥控接收部分、调速单元的调速原理及计算方法，重点阐述了系统软、硬件的调试中所出现的故障及排除方法。 第2章 单片机简介 2.1 单片机概述 二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，代替着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。 2.2 单片机的应用领域 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： （1）在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 （2）在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 （3）在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣让机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，其无所不在。 （4）在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 （5）单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。 2.3 STC89C51单片机的功能及简介 STC89C51主要是由微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM/EPROM)、4个8位并行I/O口、1个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统组成。如图2-1为STC89C51基本引脚结构图。 主要性能参数： ·与MCS-51兼容 ·4K字节可编程闪烁存储器 ·寿命：1000写/擦循环 ·数据保留时间：10年 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 ·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路 图2-1 STC89C51基本引脚结构图 引脚功能说明： Vcc：接电源。 Vss：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向三态I/O口，每个管脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0口外部电位必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，也是由于上拉的缘故。 表2-1 P3口功能表 端口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外中断0） P3.3 INT1（外中断1） P3.4 T0（定时/计数器0） P3.5 T1（定时/计数器1） P3.6 WR（外部存储器写选通信号） P3.7 RD（外部存储器读选通信号） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST/Vpd：RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个市中振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应为小于0.5V低电平。Vpd为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将电源自动接入RST端，为内部RAM提供内部电源，以保证片内RAM的信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。　　　　 XTAL1：接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是一个反向放大器的输入端。这个反向放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。 XTAL2：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反向放大器的输出端。如采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 微处理器：51单片机中有1个8位的CPU，与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能不仅可以处理字节数据，还可以进行位变量的处理。 数据存储器：片内为128B，片外最多可扩张到64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B的RAM，以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单片机的运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。 程序存储器：用来存储程序，8031无此部件；8051为4KBROM；8751则为4KBEPROM。如果片内只读存储器的容量不够，则需用扩展片外只读存储器，片外最多可扩展至64KB。 中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。 定时器/计数器：片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数，因而需要在单片机内部设置定时器/计数器部件。 串行口：1个全双工的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 STC89C51的基本操作 如图2-2所示，在C2和C3之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，电路中的电容C2和C3典型值通常选择为33pF。电容的大小会影响振荡频率器的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是1.2MHZ到12MHZ之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠的近些，以减少寄生电容，更好的保证振荡器的稳定性、可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性好的电容。 STC89C51复位引脚RST/Vpd通过片内一个施密特触发器（抑制噪声作用）与片内复位电路相连，施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持2个机器周期的高电平时，就能使STC89C51完成一次复位。 复位不影响RAM的内容。复位后，PC指向0000H单元，使单片机从起始地址0000H单元开始重新执行程序。所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。 MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每一个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需的信号。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现上电自动复位。按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位两种方式。其中电平复位是通过RST端经电阻和电源Vcc接通而实现的；当时钟频率选用6MHZ时，C1取22uF，Rs取0.2K欧姆，Rk1欧姆。脉冲复位则是利用RC微分电路产生的脉冲来实现的。复位电路参数的选择应能保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。关于复位还有一个就是“看门狗”技术，它就是使用一个计数器不断的进行计数，监视程序循环运行。若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这是计数器溢出，然后强迫系统进行复位，在复位如后0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行进入正轨。在单片机系统运行时，有可能发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失。这时要求系统应首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。目前看门狗电路已经集成到一些处理器监控芯片中，集成化程度较高，功能齐全，具有广阔的应用前景。在单片机系统中使用微处理器监控芯片，可以大大提高单片机应用系统的抗干扰能力和可靠性。 图 2-2 STC89C51基本操作电路 2.4 本章小结 本章通过对单片机的简介，使我们对其有了更深的认识，本设计是以单片机STC89C51为核心的控制系统，本节着重对微处理器、数据存储器、串行口、中断系统、定时器和基本操作等做了较为详细的介绍，为后续编辑程序、电路连接等工作奠定了理论基础。 第3章 遥控直升飞机组件与安装 3.1 直升机的基本理论 旋翼头是直升机中最神奇，也是最关键的部件。直升机的绝大多数性质，比如稳定性、灵活性，包括所谓操纵感觉，都是由旋翼头决定的。遥控直升机的旋翼头采用贝尔-希拉操纵方式，也就是一对主旋翼，产生升力，同时靠一对小翼控制升力的方向，从而达到控制直升机的目的。 3.1.1 陀螺效应 所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点：进动性和定轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这就是进动(不考虑章动)。图3-1是陀螺效应的示意图： 图3-1 陀螺效应示意图 在上图中，圆盘是陀螺。L是圆盘的角动量，其大小是R×Mv或者Iω。由于在力学中，有M=dL/dt，所以M和dL方向相同。这直接导致了高速转动的陀螺在受到F后，整个陀螺以X轴为转轴转动而不是以Y轴为转轴。这就是神奇的陀螺效应。这种效应一直伴随着直升机的飞行。例如：要使直升机仰俯，就必须要使直升机左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡。基于这种原理我们下面就来解释遥控直升机的所谓贝尔-希拉操纵方式。 3.1.2 贝尔-希拉操纵方式的初步分析 在遥控直升机中，主旋翼就是一个大陀螺，它本身具有陀螺效应。当我们改变主旋翼倾角时，直升机的运动状态就会发生改变。但同时，如果用舵机直接改变主旋翼的倾角来控制飞机，问题是很多的。首先，主旋翼倾角的改变需要较大的力矩。如果用十字盘直接控制的话，强大的、交变的力矩将会直接作用到舵机上。这样舵机将会受到很大负荷，操纵精度会严重下降。第二，当直升机受到轻微扰动后，由于陀螺的进动性，直升机将不会恢复原来状态，而是绕着垂线方向进动。由于重力不通过旋翼头中心，所以造成力矩的产生，从而导致主旋翼发生进动。这个问题是严重的，会直接导致遥控直升机悬停及飞行时无法稳定。基于以上问题，贝尔-希拉操纵方式产生了。 操纵过程是这样的： （1）初始状态： 图3-2 初始平衡状态 希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化。 （2）操纵时： 图3-3 0度、180度状态 图3-4 90度、270度状态 上图为同一个视角，主旋翼转动到不同角度时的状态。在图3-3中，操纵者将十字盘倾斜。希拉小翼就与空气呈10°倾角。由于空气的作用，希拉小翼在图3-3位置受力。由于陀螺效应，希拉小翼不会在图3-3位置立即上抬，而是在转过90°后在上图3-4位置上抬。 于是希拉小翼旋转平面与主旋翼平面呈10°夹角并稳定于此。 在图3-4中，我们清晰地看见，由于希拉小翼通过连杆控制着主旋翼的倾角，所以希拉小翼旋转平面的改变导致了主旋翼与空气产生夹角。从而使主旋翼在图3-4位置受力。由于陀螺效应，主旋翼不会在图3-4位置立即上抬，而是在转过90°后在图3-3位置上抬。从而使得主旋翼平面趋于平行于希拉小翼。 至此，遥控直升机主旋翼平面的倾转过程已经分析完毕。我们看到，遥控直升机的倾转总是希拉小翼旋转平面先倾转，主旋翼平面跟上趋于平行的过程。有意思的是，在这一过程中主旋翼操纵的负荷被希拉小翼完全承担。舵机只需承担操纵希拉小翼的负荷。这就有效地化解了一般操纵方式舵机负荷过重的问题。 下面再来初步分析希拉小翼对遥控直升飞机稳定性带来的好处。为此，我们来看贝尔-希拉操纵系统的干扰-稳定过程： （1）初始状态 图3-5 初始平衡状态  希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化 （2）外界气流对飞机进行干扰。  当遇到气流时，由于主旋翼的旋转，会导致左、右主旋翼相对于空气的速度不同，从而产生力矩，使飞机偏离平衡位置。如图3-6所示： 图3-6 气流干扰下的主旋翼失衡状态 在上图中，飞机机身及主旋翼平面由于干扰而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用对称翼型，不会受到外界干扰。由于陀螺效应的定轴性，希拉小翼平面保持不变。所以此时主旋翼平面由于与希拉小翼平面有夹角而产生恢复力矩，抵抗外界干扰。这就是贝尔-希拉控制方式的自稳定过程。也正是这个过程，使得遥控直升飞机避免了被干扰后就陷于进动的问题。同时，当直升飞机高速前进时，由于左、右主旋翼相对空气的速度不同，会导致力矩的产生，使飞机抬头的现象也被这种贝尔-希拉控制方式有效抑制，从而有效地提高了遥控直升飞机的可操纵性。值得注意的是，贝尔-希拉自稳定过程不能抑制过强的干扰。原因是希拉小翼旋转平面保持原来运动状态的同时，由于机身的倾斜，小翼与空气平面会产生夹角，从而破坏小翼原来的运动状态。如图3-7所示： 图3-7 希拉小翼平面与空气平面之间的β角 由于β角的存在，希拉小翼旋转平面会向主旋翼旋转平面方向旋转，最后趋于平行。所以贝尔-希拉的自稳定过程是有限的。还需要其他手段（比如使希拉小翼不太灵敏）来增加稳定性。 3.2 直升飞机各组件名称与作用 模型飞机一般与载人的飞机一样，主要由机翼、尾翼、机身、起落架和发动机等几部分组成。 （1）机翼：是模型飞机在飞行时产生升力的装置，并能保持模型飞机飞行时的横侧安定。 （2）尾翼：包括水平尾翼和垂直尾翼两部分。水平尾翼可保持模型飞机飞行时的俯仰安定，垂直尾翼保持模型飞机飞行时的方向安定。水平尾翼上的升降舵能控制模型飞机的升降， 垂直尾翼上的方向舵可控制模型飞机的飞行方向。 （3）机身：将模型的各部分联结成一个整体的主干部分叫机身。同时机身内可以装载必要的控制机件，设备和燃料等。 （4）起落架：供模型飞机起飞、着陆和停放的装置。前部一个起落架 ，后面两面三个起落架叫前三点式；前部两面三个起落架，后面一个起落架叫后三点式。 （5）发动机固定座：安装发动机的固定基座，可分成与机架一体及分离型两种。 （6）尾管：支承尾部传动的部分。 （7）起落架：用于起降的装置。 （8）尾部支撑杆：用于防止尾管发生共振现象；是用来增加机架和尾管强度的部件。 （9）尾传动轴：（尾传动皮带）将尾驱动装置所产生的动力传达到尾齿轮组的旋转轴，一般用皮带和钢丝（或碳杆）。 （10）平衡杆：同轴双桨遥控直升机在飞行过程中，是依靠上下两层桨的共同作用而保持姿态平衡的，但当直升机做需要前进、后退等动作时，下层桨会在舵机的作用下改变姿态，这时上下两层桨的平衡被打破，这时高速旋转的平衡杆，就如同一个陀螺一样，具有干涉这种变化，力图恢复平衡的趋向，通过球头拉杆自动控制上层桨的姿态，以使上下两层桨恢复平衡。此外，飞行过程中气流变化复杂，即便是稳定悬停时，也会不断受到环境干扰气流的影响，这些都会导致上下两层桨的工作失衡，这时候，高速旋转的平衡杆的陀螺效应就会干涉这种失衡，以维持原有姿态。如图3-8所示。 图3-8 平衡杆 （11）电机：航模的发动机分油动和电动，是给模型的起飞提供动力的设备，大多数刚入模的朋友大部分是从电动入门，既然是电动版，这里只谈谈电机。 目前航模用的电机目前有两种类型：有刷和无刷。现在都流行用无刷，一是因为动力足，二是因为寿命长，三是因为效率高，四是因为也并不贵。无刷是目前的主流，所以这里重点先谈谈无刷电机。无刷电机有三根线。没有像有刷那样的一对电刷，故称无刷。有刷电机有一对电刷，使用到一定次数，电刷就被磨损殆尽，于是得更换电刷。无刷电机没有电刷，这是它寿命远大于有刷电机的主要原因。无刷效率比有刷高，注意不是指无刷一定比有刷提供的动力强劲。效率高指耗费同样的电力无刷比有刷能提供更大的动力。 无刷电机有什么2208，2408，2822，1806，这个参数不同的厂商是不一样的。对于无刷而言，最为重要的参数就是KV值。KV是一个转速单位，就是每1V电压获得的每一分钟的空载转速。电机的转速（空载）=KV值*电压，一般而言KV值越大扭力就越小，KV值低扭力大。所以KV值决定你配什么样的桨，因为大桨需要的扭力大，小桨需要的扭力小。 另外，重量也是选电机时要重点考虑的。功率一样当然越轻越好！ 图3-9 遥控直升飞机的电机 （12）舵机：任何遥控模型都离不开舵机。它是应用最多最重要的最终执行操控者指令的执行者。它一般是一个小(黑)盒子，盒子两边有安装孔，有个输出转轴，可以安装一个圆形(十字或一字形)力臂，还有一条和电子调速器一样的3芯信号连接线，连接于接收机上相应的通道接口。当发射机的遥控杆被推动时，舵机的转轴连动力臂一起转动一定的角度，角度大小取决于遥控杆被推动的幅度。将电信号转化为机械力，驱动飞机的各个舵面。在小型电动飞机（1KG左右），一般使用的微型舵机，重量大概在8g~12g，更轻的在5g左右。舵机有一个扭力参数，就是能拉动多大的重量，当然是越大越好。不过同等情况下扭力越大，舵机也越重。 图3-10 舵机 （13）电池： 一般普遍使用的动力电池类型有镍镉，镍氢电池，近期锂聚合物也已经普及起来了。锂聚合物电池具有大电流放电的能力，高功率型可以达到30c上的放电能力！没有记忆效应，普遍使用在车辆、舰船、航空模型中。能量密度高，重量轻，单体标称电压3.7V，充电截止电压4.2V，放电截止电压3V，是目前好的动力电池，但是锂聚合物电池过充或过放则会电池立即损坏，甚至燃烧爆炸。 镍氢池也具有较大电流放电的能力，高功率型可以达到 15c上的放电能力！而且没有明显的记忆效应，可随时进行充电，重量较镍镉电池轻，曾被普遍的使用在飞机模型中或者车船模型中，现在逐渐被淘汰。这类电池的充电比较方便，可以使用普通的电源适配器即可，充电时间的大致计算方法为(电池容量/适配器电流=小时数)，电池的温度可以表示充电量，电池冲饱时一般温度会达到 40摄氏度左右。当然使用自动充电器效果更好。 同等情况下，电池容量越大，重量越重，为了机身的重量控制。所以买电池不要贪容量大，要适中。 （14）充电器：虽然模型飞机飞行时用不着它，但无论是镍氢，还是锂电，用完了都得充电。充电就必须用到充电器，锂电最好用平衡充电器。 （15）螺旋桨：桨有两个重要的参数，桨直径（桨径）和桨螺距（螺距），单位均为英寸。例如8060桨，就是说这个桨直径是8英寸。即8*2.54＝20.32厘米。螺距则为6英寸。螺距则代表桨旋转一周前进的距离。  桨直径和螺距越大，桨能提供的拉（推）力越大。注意桨直径是指桨转动所形成的圆的直径，而不是桨叶的总长度。对于双叶桨（两片桨叶，这是最常用的桨）恰好是两片桨叶长度之和；而对于单叶桨，直径是桨叶的长度*2；而三叶桨，直径就不是桨叶之和了。桨截断后桨直径会变小，但桨距是不会变化的。 选桨要注意与电机的KV值合适。另外，选桨时有慢速桨和直驱桨之分，其实慢速桨不是指慢，主要是说慢速桨一般是用在减速组上的，当然也可以直驱。再就是常常说前拉和后推，前拉的桨和后推的桨没有区别，后推时将桨反装就行。当然也有专门的后推桨，这类桨直接将电机轴插进桨孔中，不用桨保器或螺丝帽固定。由于是后推，转动时有一个前进的力，桨不会射出去。 3.3 硬件组装 遥控模型决非玩具，它在运转过程中存在危险，若安装不当会导致零件、电子设备损坏、操控失控等，由此导致坠毁事故甚至引发人身伤害，因而正确的组装直升飞机尤为重要。 3.3.1 装机主要步骤 遥控直升飞机有着严格的安装步骤，必须按照安装流程进行组装，才能确保飞机正常工作，为后续的电路连接做好硬件基础。 （1）主旋翼头部 → 机身部 → 尾旋翼部 → 其他部 → 调试 → 完成。 （2） 主旋翼头部组装建议顺序：主桨夹 → 大T座 → 跷跷板 → SF臂 → 副翼框 → 稳定摇臂 → 十字盘 → 主轴 （3）机身部组装建议顺序：上机身 → 下机身 → 上下组合。 （4）尾旋翼部组装建议顺序：尾保箱 → 导线 → 尾管 3.3.2 装机的注意事项 有了一整套的直升机套件后，如果认真地按照流程组装，经过调整，就能顺利飞行。如果出现可动部分不能轻易活动；所装的零件不对；中心对不准；尾桨反转等情况，是由于各个零件的配合不好，造成零件磨损加速，往往成为飞机振动和出故障的原因。因此，对直升机进行安装时必须注意下列几点： （1）要清点一下零件的数量，看看是否齐全。 （2）准备好必要的工具。 （3）固定球头的螺钉一定要拧紧，球头不能转动。 （4）机身的组装在一般情况下，这个安装孔要锉阔一下。首先确认侧板的内/外，然后将主轴轴承座先组装好，将主轴轴承固定座先套入一边侧板后，再将另一片侧板套上，并将两边的固定螺丝点上螺丝胶后锁入，机身底板装上后并用螺丝固定，最后将机身铝柱装上后,把固定螺丝点上螺丝胶后锁上，将机头照固定柱装上 。 （5）安装发动机时，检查一下，发动机的轴线是否与主轴平行。首先将马达先固定在马达固定座上，并将固定螺丝点上螺丝胶后再将马达固定座固定在机身，最后装上电池固定座，装上陀螺仪固定座，并用螺丝固定。 （6）电路板的安装，伺服器需加装垫片，组装好后建议用蛇管将伺服器讯号线包覆，以便整线时不意刮伤讯号线 （7）在传动位置涂上润滑油。 （8）固定舵机时，只安装橡胶减震垫，这样减震效果最佳。 （9）用胶带把连杆套管和尾管固定在一起，因为连杆轻微的晃动都可能引起尾桨桨距的微小变化。 （10）电池组和设备一定要用强力的双面胶固定，再绑扎牢固；电线也要捆好。 （11）安装机翼时，机翼中点应对准机身中线，两边夹角相等。 （12）尾翼：遥控器右方微调放在中央时，舵面是否应和尾翼在一个平面。拉动遥控器方向操纵杆，左右舵摆动应相等垂直尾翼应垂直水平尾翼，水平尾翼平行地面（垂直尾翼）。V形尾翼与地面两边的夹角应相等（V形尾翼）。 （13）尾杆应和机身中线在一条直线上。首先尾电机固定座先套入尾管，然后接著将尾连杆固定环也套入尾管。 （a） （b） 图3-11 完成装机图（a），（b） 3.4 本章小结 本章首先通过对遥控直升飞机的飞行原理的初步分析，让我们对遥控直升飞机的控制原理有了一个大概的了解，对直升机旋翼头有了一定的认识。由于大动作操作的运动方程比较复杂，需要用模拟软件对方程进行曲线模拟才能得出具体结论。所以将贝尔-希拉控制过程分为两类：微扰动过程和一般过程，目的是从易到难，逐个分析，从而简化难度。从3.1.2中，我们已经知道直升飞机的操纵主要过程是：小翼与空气产生夹角→小翼旋转平面倾斜→主旋翼与空气产生夹角→主旋翼旋转平面倾斜。在理想状态下，且未计入机身转动惯量对运动的影响的情况下，利用图形，比较直观的对贝尔-希拉操纵方式进行简要分析。 重点介绍了遥控直升飞机的主要部件，然后对直升机组件安装的步骤及注意事项进行了详细阐述，这是完成装机工作的前提，最后按照规范流程进行操作，完成遥控直升机的组件安装。 第4章 系统的设计与实现 红外遥控是单工的红外通信方式，整个通信中，需要一个发射端和一个接收端。发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收端普遍采用价格便宜，性能可靠的一体化红外接收管接收红外信号，它同时对信号进行解调、放大、检波、整形，得到相应的信号，再送给单片机，经单片机控制相关的被控对象。 该系统的软件主要可以分为红外发射、红外接收和电机控制三部分，其中具体有单片机初始化程序、红外发射编码和红外接收解码程序和产生PWM信号等模块。 4.1 遥控码的发射 当某个操作按键按下时，单片机先读出键值，然后根据键值设定遥控码的脉冲个数，再调制成38kHz方波由红外发光管发射出去。 通常，红外遥控是将遥控信号（二进制脉冲码）调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去的。为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz（周期为26us）的载波信号进行脉幅调制（PWM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。 红外信号发射过程:首先装入发射脉冲个数(发射时为3ms脉冲，停发时为1ms脉冲)，此时若发射脉冲个数为1则返回主程序，若不为1则发1ms脉冲，然后停发1ms脉冲，这样便结束整个发射过程。 在实践中，采用红外线遥控方式时，由于受遥控距离，角度等影响，使用效果不是很好，如采用调频或调幅发射接收码，可提高遥控距离，并且没有角度影响。 图4-1 遥控发射器遥控码发射程序流程图 本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。单片机遥控发射器主要由单片机、操作杆、红外发射电路三部分组成。单片机部分主要完成遥控发射器发射过程的控制。单片机选用STC89C51，其中P0.7用于输出方波信号控制红外发射电路的工作，遥控器信息码由STC89C51单片机的定时器1中断产生38KHZ红外方波信号，由P0.7口输出，经过三极管进行放大，由红外发射管发送，改变滑动变阻的阻值大小可以改变红外发射的距离。 在确定选择STC89C51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体震荡器便可实现红外发射。 发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它发出的便是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通的发光二极管相同，只是颜色不同。 遥控发射通过操作杆产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在38KHz的载波上，激励红外光二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机的遥控接收器。P1口作为按键部分，P0.7口作为红外发射部分。电路图如图4-2所示。 图4-2 红外发射电路 4.2 红外接收 红外遥控接收部分的主程序和初始化程序如下：首先进行初始化,然后检查是否有接收标志位，若有则调用相应的操作程序，然后清零中断标志位。 （1）数据帧的接收处理 当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平(3ms)将启动中断程序，实施接收数据帧的操作。在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的脉宽小于3ms，将作为错误码处理。当间隔位的高电平脉宽大于2ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲个数，调用相应的操作程序，执行相应输出口的操作。 （2）接收端程序流程图 图4-3 遥控接收器主程序流程图 中断过程：首先判断低电平脉冲宽度是否大于2ms，若脉宽不到3ms，则中断返回；若低电平脉宽大于2ms，则进行接收并对脉冲个数进行计数,然后判断高电平脉冲宽度是否大于2ms，若高电平脉宽不到2ms，则返回上一接收计数过程再次进行计数；若高电平脉宽大于2ms，则按照统计的脉冲个数调用相应的操作程序。此时中断返回。 图4-4 遥控接收器中断程序流程图 红外接收电路：在接收过程中，信号经过HS0038红外一体化红外接收管，此信号经过解调、放大、检波、整形在送到单片机中，从而完成相应的遥控功能。接收电路图见图4-5。 红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码)调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，产生红外信号发射出去。将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz(周期为26μs)的载波信号进行脉幅调制(PAM )，再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。 根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号的识别——即解码过程是去除38KHz载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。由MCS—51 系列单片机STC89C51、一体化红外接收头、还原调制与红外发光管驱动电路组成。 一体化红外接收管HS0038的解调可以理解为：接收到红外脉冲串时，输出低电平，否则输出高电平，显然输出的信号极性与发送信号的相反。所以解码时要将接收到的信号经过反向才能和发送信号编码一致。当接收端接收到表示传输开始的同步帧后，接收单片机进入解码过程，解码采用软件抽样判决。红外遥控器接收部分由主程序、信号解码子程序和执行控制子程序，主程序负责初始化，检查有无红外信号。控制程序则随各设备的不同而不同。HS0038可以直接对红外信号进行解调，并将解调后的信号直接给微处理器进行解码和存储。 接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。 图4-5 红外接收电路 4.3 调速单元 4.3.1 调速原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。 4.3.2 调速方法 图4-6为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图a中，假定晶体 管V1先导通T1，秒(忽略V1的管压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上)，然后关断T2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复，则电枢端电压波形如图b中所示。电动机电枢端电压Ua为其平均值。 图4-6 PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形 （a）原理图，（b）输出电压波形 4-1 式4-1中， 4-2 为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比[17]。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变 的值，从而达到调压的目的： (1)定宽调频法：T1保持一定，使T2在0～∞范围内变化； (2)调宽调频法：T2保持一定，使T1在0～∞范围内变化 (3)定频调宽法：T1+T2=T保持一定，使T，在0～T范围内变化。 不管哪种方法， 的变化范围均为0≤ ≤l，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0～Ud，均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。本设计采用定频调宽法，STC89C51产生可控硅的移相脉冲，移相的改变可以实现导通角的改变。假如设T=50ms,将P0.4导通时间可以多级等分，以5等分为例，使T1在1-5之间变化，从而达到5级调速的目的，如图4-7所示。 图4-7 调速示意图 4.4 系统调试 在完成系统硬件的检查后主要是对软件进行编写调试，对遥控器的调试主要是用示波器观察能否在遥控接收器中输出相应的波形，调整发射电阻的大小可以改变红外线发射的作用距离。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机中运行。 4.4.1 起动前的注意事项 飞行前检查是不可缺少的重要准备，未经过合理调试的模型不但无法正常飞行还有可能导致事故的发生。因此飞机启动之前必须注意以下几点： （1）检查发射机和接收机的电压。 （2）飞机每个部件必须加润滑油。 （3）所有的舵机是否灵活，功能开关的位置是否正确，旋转方向是否正确。 （4）用手转动旋翼，是否旋转轻快。 （5）操纵杆是否灵活。 （6）可动部分是否圆滑。 （7）螺母和小螺丝是否拧紧了。 （8）旋翼和尾桨的螺矩变化是否正确。 （9）无线电装置和陀螺的安装是否可靠；如果是新设备，在地面拉一下距离是否可以，看一看各个舵机运转是否正常。 4.4.2 常见故障及分析 在飞机工作的过程中，经常会出现强烈震动；无方向控制；直升机不能升空等故障，因而针对这些故障及排除方法进行如下分析。 表4-1 常见故障分析及排除方法 故障现象 原因分析 排除方法 发生强烈振动 主轴弯曲 尾桨驱动装置变形 左右桨叶重量不等 更换 更换 使左右桨叶平衡 无方向控制 尾桨驱动接头螺钉松动 尾桨夹头安装错误 尾桨连接头螺钉松动 陀螺仪操纵方向颠倒 拧紧螺钉 注意方向，并纠正 拧紧螺钉 按遥控器纠正 直升机不能升空 主旋翼螺距太低 调整螺距 主旋翼桨叶轨迹不在同一平面上 主旋翼螺距不等 平衡杆弯曲 主旋翼夹头的滚珠轴承有问题 左右桨叶重量不等 调整螺距 更换 更换 使左右桨叶平衡 4.5 本章小结 本章详细介绍了基于单片机的遥控直升机控制系统的软件设计，首先介绍红外遥控码的发射和红外遥控接收部分，并通过绘制流程图、电路图对红外遥控码的发射程序、接收器的主程序及中断程序进行详细的阐述，其次详细说明了调速单元的调速原理及计算方法，由于STC89C51产生可控硅的移相脉冲，移相的改变可以实现导通角的改变，确定本设计采用定频调宽法，最后重点阐述了系统软、硬件的调试中所出现的故障及排除方法。 采用单片机设计的红外遥控发挥了软件的优点，使电路简化，可靠性高、易于维护、功能扩展性好、降低了成本，适应范围广等特点，具有广泛的应用前景。 通过完成本章，我了解并掌握了红外的基本理论知识，更深入的掌握单片机在实际电路中的开发和应用。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发打下了一定