無人機(jī)自動(dòng)續(xù)航裝置設(shè)計(jì)與制作

馮現(xiàn)政 王波

摘要：無人機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于空中攝影、軍事等領(lǐng)域，但是無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中受到的時(shí)間限制和距離限制，因此無人機(jī)續(xù)航是擺在面前的一個(gè)嚴(yán)峻的問題。本文提出了一種模擬的無人機(jī)續(xù)航裝置，通過太陽能板自動(dòng)跟蹤采集太陽光線，提高太陽能板吸收效率，并通過太陽能板給無人機(jī)系統(tǒng)供電。本方案選用STC89C51單片機(jī)作為智能單元，根據(jù)單片機(jī)的特點(diǎn)和所需實(shí)現(xiàn)的功能，著重完成了單片機(jī)外圍硬件電路設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);續(xù)航;太陽能

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）27-0227-02

目前，隨著科技的高速發(fā)展，高科技產(chǎn)品已經(jīng)頻繁地出現(xiàn)在人們的視野里，無人機(jī)的應(yīng)用也變得越來越廣泛，軍事偵察、交通監(jiān)察、農(nóng)業(yè)噴灑農(nóng)藥、森林火災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域均出現(xiàn)無人機(jī)的身影。但是在無人機(jī)飛行中電量有限，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離飛行，所以一要定期的更換電池，增加了許多的工作量，同時(shí)工作效率不是很高。盡管現(xiàn)在已經(jīng)有用于無人機(jī)的電池更換裝置，但仍然存在著一些問題。本文提出一種無人機(jī)續(xù)航裝置模型并通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用的具體方案是陽光照在光敏電阻上，通過光電轉(zhuǎn)換變成電壓值，輸入AD轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行AD電壓采樣，輸入控制核心單片機(jī)，經(jīng)處理后最后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使太陽能板始終與太陽光線垂直，系統(tǒng)框圖如下。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

STC89C51單片機(jī)是最早期也最典型的產(chǎn)品，STC89C51單片機(jī)學(xué)習(xí)板是一款基于8位單片機(jī)處理芯片STC89C52RC的系統(tǒng)。該類型單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)基本的電機(jī)控制，AD轉(zhuǎn)換等功能，滿足本方案要求。

2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

本方案采用Lcd1602進(jìn)行信息的簡單顯示，主要顯示4個(gè)光敏電阻的光強(qiáng)值。

2.3 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換裝置接收太陽光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)所采集到的信號(hào)，由單片機(jī)分析得最終控制的步進(jìn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)向來達(dá)到太陽能板，結(jié)果始終是垂直于入射光線，從而達(dá)到利用太陽能的最高效率。光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2.4 AD轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

由光電轉(zhuǎn)換電路所得到的信號(hào)為模擬信號(hào)，所以采用AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過單片機(jī)進(jìn)行處理。PCF8591 為單一電源供電（2.5 ～6 V）典型值為 5 V，CMOS 工藝 PCF8591 有 4 路 8 位 A/D 輸入，屬逐次比較型，內(nèi)含采樣保持電路，采用I2C總線與單片機(jī)通信，AD轉(zhuǎn)換電路圖如下。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本方案通過2個(gè)步進(jìn)電機(jī)來控制太陽能板的上下左右旋轉(zhuǎn)，保證太陽能板始終與太陽光線垂直。步進(jìn)電機(jī)采用的是四相步進(jìn)電機(jī)，四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移或線位移的開關(guān)控制元件，其轉(zhuǎn)速、停止位置只與脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)有關(guān)，具有誤差小，易控制等特點(diǎn)，廣泛用于儀器設(shè)計(jì)，本方案采用的是28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)，采用ULN2003驅(qū)動(dòng)。

2.6 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

（1）電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電源由可充電電池提供，同時(shí)太陽能板的另一端接入電源VCC，實(shí)現(xiàn)對(duì)可充電電池的充電。

（2）按鍵電路

如圖5所示，其中S1是手動(dòng)和自動(dòng)模式之間的切換，默認(rèn)為自動(dòng)模式，S2，S3，S4，S5是手動(dòng)模式下，利用手動(dòng)按鍵來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

（3）指示燈電路

系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)模式，接通電源后LED1亮，當(dāng)按下S1按鍵時(shí)，切換成手動(dòng)模式，LED2亮。

3 軟件設(shè)計(jì)

本部分以單片機(jī)為核心部件將各個(gè)電路模塊都連接起來，使我們更清楚設(shè)計(jì)本意。可設(shè)上下左右四個(gè)方向的光敏電阻的電壓值分別為U1、U2、U3、U4，設(shè)精度為10。

單片機(jī)在上電后首先會(huì)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，將系統(tǒng)顯示設(shè)置為手動(dòng)模式，然后檢測(cè)U1、U2、U3、U4 四個(gè)光敏電阻的值，根據(jù)讀入的數(shù)據(jù)來調(diào)整太陽能板的方向，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)顯示在Lcd1602上。

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)從硬件和軟件兩方面介紹了無人機(jī)續(xù)航裝置的制作。硬件上解決了太陽能板與單片機(jī)系統(tǒng)的連接，軟件方面解決了如何通過讀取光強(qiáng)值來調(diào)節(jié)太陽能板方向的功能，本設(shè)計(jì)只是一個(gè)基本模型，還有很多的不足和需要改進(jìn)的地方，將在以后的工作中進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐偉誠，陳凱，張銘，李正風(fēng)，張?zhí)祉?基于太陽能的植保無人機(jī)續(xù)航提升方案[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2018（11）.

[2] 申良，劉洲洲.太陽能四旋翼無人飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2017（03）.

[3] 薛繼元，馮文林，趙芬，楊曉占.太陽能電池板的輸出特性與實(shí)際應(yīng)用研究[J].紅外與激光工程，2015（01）.

【通聯(lián)編輯：光文玲】