2023年全國大學生電子設計競賽**
【本科組】
課題:四旋翼自主飛行器 （b 題）
摘要為了滿足四旋翼飛行器的設計要求，設計了以微控制器為核心的控制系統和演算法。首先進行了各單元電路方案的比較論證，確定了硬體設計方案。四旋翼飛行器採用了固連在剛性十字架交叉結構上的4個電機驅動的一種飛行器，以78k0r cpu核心為基礎,圍繞新的rl78 cpu核心演化而來的rl78/g13作為控制核心，工作頻率高達32mhz，工作電壓1.
6v-5.5v，適合各種型別的消費類電子和工業應用, 滿足8/16位微控制器的需求，有助於降低系統功耗，削減總系統的構建成本。採用9926b mos管晶元的驅動直流電機，該驅動晶元具有內阻小、負載電流大、且控制簡單的特性。
通過採用mpu-6050整合的3軸陀螺儀、3軸加速器，並含可借由第二個i2c埠連線其他廠牌之加速器、磁力感測器、或其他感測器的數字運動處理(dmp: digital motion processor)硬體加速引擎，由主要i2c埠以單一資料流的形式，向應用端輸出完整的9軸融合演算技術invensense的運動處理資料庫，可處理運動感測的複雜資料，降低了運動處理運算對作業系統的負荷，實現了四旋翼飛行器運動速度和轉向的精準控制。通過hc-sr04超聲波測距模組實現了對四旋翼飛行器飛行高度的準確控制。
通過雷射感測器，實現了四旋翼飛行器沿黑線前進，在規定區域起降，投放鐵片等功能，所採用的設計方案先進有效，完全達到了設計要求。
關鍵詞：四旋翼自主飛行器，紅外，尋線，超車，微控制器
整個系統分為系統模組、角度檢測模組、電機驅動模組、電源模組、顯示模組。各模組的系統框圖如圖1所示。
圖1 系統模組框圖
(1)控制模組
傳統的51微控制器廣為應用，具有使用簡便、便宜**等優點，但是其運算能力較低，速度較慢，功能相對單一，難以實現較複雜的任務要求。mc9s12xs128是一款功能強大的16位微控制器，具有非常豐富的片上資源，如：10位精度的adc，節省了片外ad；強大的定時器，方便對電機進行控制，可以進行浮點型運算。
另外還有精密的比較器，大容量的ram和rom，可儲存大容量的程式。
(2)電機模組方案
方案一：採用步進電機控制懸掛物體的準確運動，步進電機不需要使用感測器就能精確定位，但其驅動能有限不適合驅動小車。
方案二：採用低內阻大電流的電機驅動晶元vnh3sp30 驅動直流電機，相比於l298nsp30優勢明天且速度相應較好。
基於上述理論分析，我們選擇方案二。
(4)顯示系統方案
方案一：採用 led 數碼管顯示器。led 數碼管亮度高，醒目，但是其電路複雜，占用資源較多，顯示資訊量較小。
方案二：lcd 液晶顯示器。lcd 有明顯的優點：微功耗、顯示資訊量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適，使整個控制系統更加人性化。 因此，決定選用方案二。
綜合以上各部分的比較結果，決定以mc9s12xs128微控制器為核心，通過驅動晶元控制直流電機實現小車的運動控制，以紅外發射接收管實現邊線和標誌線的檢測，同時在lcd上顯示實時資訊。
根據前面的分析，設計出本系統的總體架構如圖2所示。
圖2. 系統架構框圖
(1)邊線檢測模組
尋邊線模組利用xl6003產生的恆流源驅動紅外發射管，接收管採用1kl3b高靈敏度紅外置收管，再通過lm393比較器實現硬體二值化輸出，直接輸送至微控制器的io口，提高了系統的工作效率。圖3和圖4分別給出了尋邊線模組的工作流程及原理圖。
圖3 尋邊線模組的工作流程
圖4 尋邊線模組的原理圖
(2) 標誌線檢測模組
標誌線檢測採用檢測黑線常用的tcrt5000對管，在接收管輸出處上拉即可直接連線微控制器io口輸入微控制器，在微控制器內部經過數字濾波實現精準的標誌線檢測。該模組的原理圖如圖5所示。
圖5 標誌線檢測模組原理圖
(3)直流電機驅動電路
競賽之初我們採用ln298作為電機驅動，但經過一天的除錯以後發現ln298的驅動能力不足且內阻較大，pid調速很不穩定，因而採用了大電流低內阻的sp30晶元實現電機驅動，經過除錯獲得了良好的速度特性。
電機驅動電路的原理圖如圖6所示。
圖6 電機驅動板原理圖
(4)液晶顯示電路
選取了48*84點陣型的nokia5110液晶，顯示與前車距離。
系統軟體採用c語言開發，在codewarrior ide環境下除錯並實現功能。主程式流程如圖7所示，進入主程式並初始化後，判斷撥碼開關鍵值後執行相應的程式。軟體程式設計採用模組化的結構，便於分析和實現功能。
當撥碼開關5為off是實尋線繞場一周程式，當為on的時候為超車程式。流程圖如圖8所示。
圖7 正常行駛一周的系統軟體流程
圖8 超車程式的流程圖
在系統各部分硬體搭建完畢，軟體除錯結束後，我們對系統進行了實際測試。資料**分別如表1-表3所示。
表1. 小車行進一周的時間（單位：秒）
表2. 超車一周的時間（單位：秒）
表3. 兩車間的最大距離（單位：cm）
通過合理的系統構建和軟體程式設計，本系統能夠完成題目要求，實現平穩的行駛和超車過程。實際測試表明，所設計的軟體和硬體系統具備良好的穩定性，小車具有較快的速度，可持續執行10圈，超出題目要求。
由於時間的原因，在設計時有部分因素未能實現，如採用探測距離更遠的感測器、實現更好的速度調節等。
08電子設計大賽設計報告
摘要本系統是用微控制器 at89c2051 4051 三個驅動晶元74hc595 超高亮白色led燈24個 電源 水銀開關等器件製作led顯示棒。該系統是利用手揮動led顯示棒，由位於顯示棒上端的水銀開關產生中斷，並將中斷訊號送微控制器處理，控制三個驅動晶元74hc595，利用該晶元的移位與鎖存功能...
全國電子設計大賽賽後感
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