基于AVR单片机的无线遥控飞机航模的设计与实现

王 莉 周新东

（1.湖南商学院 计算机与信息工程学院，湖南 长沙 410205；2.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012）

0 引言

航模在生活上用途很广泛，我们可以把它作为休闲娱乐的工具，也可以用它进行航空拍摄，如航模对建筑物、景观规划航空拍摄取得了一定效果等。由于使用航空模型机航拍有拍摄条件不受限制、很低的成本、方便可靠、效果好等一系列的优点，已被用在城市道路规划拍摄，然后通过计算机合成图像，为规划及建设提供重要依据。文献[1]提到航模不但在城市建设与规划领域很重要，在农业领域内也是非常重要的，尤其在农业资源调查和变化监测、农作物估产、农业灾害监测和评估等方面。例如把红外遥感装在低空飞行的飞机航模上，通过反射的红外波段光谱，就可以对作物和树木等绿色植物受病虫危害后的影响进行监测及预报。本文基于此，运用ATmega16单片机和C1101无线模块来进行无线遥控飞机航模的设计，实现飞机的上升、下降、翻转、左转、右转等功能。

1 航模组成及工作原理

本设计由两部分组成，即机身部分和控制部分。机身部分由机翼、尾翼、机身、螺旋桨和发动机等几个部分组成，其中尾翼负责飞机航模的升降，垂翼负责飞行方向，副翼负责航模的翻转，电机采用的是无刷电机，型号是新西达2212，KV值是630，是飞机的动力装置。

控制部分是本文介绍的重点，以单片机ATmega16为主控芯片，产生的不同PWM占空比信号，通过无线模块CC10101来与舵机的基准信号相比较，从而控制飞机航模的飞行状态。整个控制部分分为两个部分：遥控部分和接收控制部分，如图1所示。其中遥控部分通过单片机与CC1101无线模块通过SPI协议完成数据的交换和发送；接收部分将接收到的信号同样通过SPI协议传输到单片机控制模块，单片机通过快速PWM模式处理输出一定占空比PWM脉冲信号，然后与舵机电压信号比较，控制舵机的转动，进而控制飞机的飞行状态。

图1 无线遥控飞机航模控制部分方框图

2 硬件设计

2.1 芯片设计

ATmega16是一种性能很高的、功耗很低的八位单片AVR微型处理器，有32个8位常用的工作寄存器端口，具有可编程的内部上拉电阻；工作模式采取的是全静态的，有100多条指令，指令是采用单周期的形式；系统内部带有16K字节的可重复擦写的Flash和0.5M的电可擦写的可读储存器，所以使用寿命都很长。芯片引脚图如图2所示。

图2 ATmega16的引脚图

图3 CC1101的引脚图

CC1101无线模块是采用TI公司的CC1101芯片制作的模块，一般是工作在433M，有效频率：300-348Mhz,400-464Mhz,800-928Mhz；空旷传输距离300到500米；低电流损耗，接收模式15.6mA，接收灵敏度-108dBm；休眠模式小于0.5uA；输出功率可编程，最大发射电流28mA，可达+10dBm；支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统；高效的SPI串行编程接口，可用IO口模拟SPI时序，也可以用 MCU的SPI口；工作温度范围：-40℃～+85℃；工作电压：1.8-3.6V；最高传输速率可达500Kbps；32信道可编程，也可以程序划分更多的信道。芯片引脚图如图3所示。

2.2 主要模块设计

2.2.1 遥控模块

遥控模块（遥控器）主要由单片机ATmega16、电位器、5V的稳压模块、CC1101模块组成，如图4所示。图中电位器的电压信号经过单片机PA0、PA1、PA2、PA3端口采集后转变为数字信号，然后单片机与无线模块通过SPI协议进行数据传送，但CSN为0，SCK为下降沿时，单片机数据通过MOSI端口传送到无线模块，传送数据完成。

图4 遥控模块电路图

图中单片机ATmega16主要引脚功能说明如表1所示。

表1 本系统中引脚功能说明

2.2.2 接收控制模块

接收控制模块（飞行版）主要由ATmega16单片机、CC1101模块组成。信号接收到后，单片机就会进入快速PWM模式，将数字信号转变为一定占空比的PWM脉冲信号，然后与舵机的基准信号相比较，从而控制舵机的转动，实现飞机各单元的控制。其电路图如图5如示。图中无线模块将接收到的信息传送给单片机，单片机作为主机，CC1101作为从机。当CSN为0，SCK为上升沿时，直到GDO0被拉低，单片机通过MISO开始接收数据，数据接收完成，然后经过单片机的快速PWM模式的处理，将产生一定占空比的PWM脉冲信号，信号与舵机的电压信号相比较，完成模型飞机的控制。

图5 接收控制模块电路图

3 软件设计

航模采用C语言编写，软件设计主要分为3个模块，即遥控模块、接收控制模块和PWM模块。本文将重点介绍遥控模块。启动遥控模块后，单片机通过PA端口采集四个电位器中的电压信号，将电压信号转为数字信号。信号完成转换后，控制发送芯片CC1101的4位数据线分多次发送出去。发送完多组数字信号之后，程序延时50ms，系统再次采集电压信号。其流程图如图6所示。

4 航模实物图

图6 发送模块流程图

图7 航模实物图

图8 装在机身下的接收控制模块

5 结束语

经过现场调试和运行，本系统利用AVR单片机和无线遥控模块CC1101实现了无线遥控航模的设计。该航模具有体积小，重量轻，结构简单，功能齐全，具有低成本、低功耗、可靠性高等特点。该航模可广泛用于建筑、工矿、等场所，具有一定的推广价值。

[1]肖加超.RS技术在农业中的应用[J].高中地理E刊:地理环境与区域发展,2012,6.

[2]朱毅.GIS技术在农作物分析和农业调度中的应用研究[D].中国科学技术大学,2012.

[3]钱翼稷.空气动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[4]西蒙斯.模型飞机空气动力学[M].北京:航空工业出版社,2007.

[5]朱宝鎏.模型飞机飞行原理[M].北京:航空工业出版社,2007.

[6]陈康生.现代模型飞机制作工艺[M].北京:航空工业出版社,2010.

[7]李宏丽,彭沛全,方立刚.基于空间数据仓库的农作物估产研究[J].农机化研究,2007,3:162-165.