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摘要：本文设计了一个以四旋翼飞行器为载体的多点温湿度监测装置，解决了一些因地形等外界因素所造成的监测困难问题。温湿度检测装置主要由数据采集模块、数据传输模块和显示模块组成。本设计完成了系统方案的论证，并根据系统要求制作了实物然后进行了调试。温湿度监测装置经过调试已达到预期目的，能够实现在室内飞行器的起飞与降落、定点采集温湿度，并能实现数据的实时传输及显示，能够完成特定条件下的温湿度采集。
关键词：四旋翼飞行器;温湿度测量;液晶显示;单片机
1 前言
以数据测量为例，传统的方式是到人工现场测量和一些固定的装置测量。人工现场测量工作量比较大，而且很容易受到主观因素的影响，测量结果有时候不是很理想，而一些固定的测量装置局限性大，而且容易受到外界因素的干扰。而四旋翼飞行器灵活便于操作，体积小且不容易受到外界因素的干扰，让其搭载一些简易的测量装置往往能收到很不错的效果。
2总体方案设计
四旋翼飞行器按照其四个电机的分布方式可分为两个模式，x模式和十字模式。x模式虽然更加灵活，但是姿态测量和控制算法比较复杂，十字模式更为简单，更容易操作，飞行平稳[3]。
整体设计方案如下：
（1）整个系统飞行主控芯片为STC15，负责对各个传感器或得到的数据进行处理，并进行姿态校准和参数的计算，最终实现对四个空心杯无刷电机的控制;
（2）采用姿态测量系统传感器来实现对飞行器姿态数据的获取;
（3）用三极管作为空心杯电机的驱动部分;
（4）温湿度检测采用89C52芯片作为其核心控制芯片，负责控制信号传输模块，温湿度传感器，显示模块，并进行数据处理，最终能够在在显示屏显出实施测到的数据;
（5）采传感器部分用温湿度传感器来采集实时数据。
2.1 飞行控制模块设计
对于四轴飞行器来说，其中最重要的组成部分就是机架、电机及电机驱动、飞控模块，遥控器模块，信号传输模块五个部分。
机架用于支撑，电机来驱使桨转动产生升力。电池所提供的电源是直流电源，直流电机输入电流是两相电，电机驱动是在电源与电机之间转换电能和控制转速。
遥控器通过信号传输模块来控制飞行器的起飞，降落，悬停。飞控芯片是本设计飞行器模块最核心最重要的部分系统，其主要工作是计算补偿。
2.2 温湿度检测模块的设计
本系统的核心采用89C52单片机，单片机的性能决定了系统的好坏。所以单片机的选择，影响着所设计实现的系统功能。本设计选用的单片机为STC89C52单片机，89C52是一款高性能的8位单片机。在本次设计中选用了STC89C52单片机。
从机负责处理传感器反馈来的数据，然后通过无线信号传输模块将数据发送给主机。主机收到数据后进行处理，然后将数据发送给显示模块显示出来。 按照温湿度控制系统的具体设计要求，在保证其实现基本功能的基础上，尽可能的降低其制作成本和提高设计系统的稳定性和准确性。
2.3飞行器硬件电路的设计
本设计飞行器部分所包含的硬件电路部分有飞行器控制部分;无线信号传输部分;电池部分;电机及驱动部分。
其中飞行器模块主要为飞控芯片，姿态系统测量系统。本设计飞行器部分采用的芯片为STC15系列的芯片，飞行器采用的姿态控制芯片是MPU6050，这款芯片内部集成了陀螺仪和加速度传感器，这样做的目的是消除在焊接电路容易造成的误差问题，因为其内部有可编程的数字低通滤波器，所以当飞行器在飞行中有较大震动的时候可以通过滤波器设置合适的频率来滤掉频率高的震动，这样能够很有效的减少因机身震动从而对飞行器姿态的测量产生影响，所以姿态测量系统很多都用到。
电机作为飞行器产生动力的部分，它负责拖动桨来产生足够的升力从而使飞行器起飞。本设计采用空心杯电机来做飞行器的动力部分，采用7*16的空心杯电机，其转速可48000rpm。空心杯电机因其成本低，性能佳成为本设计的首选，可直接采用三极管来驱动。其驱动电路可分为H全桥和H半桥，H全桥可以控制电机正反转和转速，因因四旋翼飞行器起飞需要两个电机正转，两个电机反转，所以本设计的驱动电路采用H全桥控制电机转动。
2.4温湿度测量系统
温湿度测量是本设计侧重点，其主要由数据采集模块、数据传输模块、显示模块和电池模块组成。温湿度采集模块主要由温湿度传感器，单片机最小系统组成。本设计中采用的单片机最小系统是由STC89C52单片机作为其核心芯片，该系统由电源电路，复位电路，时钟电路组成。
本设计中所用到的的DHT11传感器是一款温湿度传感器，DHT11内部结构简单，功能强大，抗干扰能力强，且体积小，性价比高，在布线上简单明了，使DHT11数字温度传感器在本设计中非常适用。
本文采用NRF24L01作为无线收发器，其中内置硬件链路层协议。该器件主要集成了调制器，晶体振荡器和频率合成器等，而且工作于2.4GHz频段，拥有Enhaned Shock Burst和Shock Burst两种数据传输模式。
2.5 液晶显示电路设计
本系统中显示部分主要由单片机STC89C52控制LCD1602液晶显示来完成。
本设计在实物焊接上，将LCD1602只安装在主机模块上。通过按键，可以对从机模块进行控制，还可以清除已记录的温度。而从机上，单片机只需将DHT11数字温度传感器上采集到的温度，通过无线信号传输模块将信号传输到主机上即可，LCD1602液晶显示屏应当反映从机处的实时温度。
3 软件设计
3.1 四轴飞行器软件设计
四轴飞行器总体上的软件设计是通过核心处理器控制协调各个模块，使各个模块处于正常工作模式从而使飞行器能够按照事先给定的的方案稳定的飞行。由于四旋翼飞行器的被控量之间存在一定的耦合关系，因此所設计的飞行控制算法必须能够通过控制四个被控量来对六个量进行稳定、有效的控制。本设计首先通过3轴陀螺仪和3轴加速度传感器测量出3轴角速率和3轴加速度，然后通过倾斜角度与三轴角速率和三轴加速度的关系从而得到陀螺仪测量的倾斜度和加速度测量的倾斜度，由于两者都存在较大的误差所以再将陀螺仪和加速度测量的角度进行卡尔曼滤波及融合，进而得到较精确的倾斜角度即飞行器的姿态，最后应用控制理论中的PID控制算法将飞行器的姿态变化度变转化为控制器输出PWM波的占空比的变化[3]，从而控制对应的电机加速或减速实现飞行器各种姿态的变换、悬停，运动。
3.2温湿度测量模块软件设计
系统的程序主要分为两类，第一部分是主程序，是软件设计的核心，主要对整个系统进行控制，通过单片机对各个模块协调控制;第二部分是子程序，包括五部分：LCD显示程序，温湿度测试程序，无线发收程序，中断程序，数据清除程序，通过主程序的调用，使得每一部分的程序操控每一模块工作。
4.总结
本文设计了一个基于四旋翼飞机平台的温湿度采集系统，四旋翼飞机是基于STC15单片机的飞行控制系统设计而成的，飞行器以空心杯电机作为动力部分，遥控器与飞行器之间采用NRF24l01来完成通信。并根据系统要求制作了实物然后进行了调试。温湿度监测装置经过调试已达到预期目的，能够实现在室内飞行器的起飞与降落、定点采集温湿度，并能实现数据的实时传输及显示，能够完成特定条件下的温湿度采集。
作者简介：李莎（1989.10-），女，河南永城，（硕士，教师，助教），研究方向：电气工程。
关键词：四旋翼飞行器;温湿度测量;液晶显示;单片机
1 前言
以数据测量为例，传统的方式是到人工现场测量和一些固定的装置测量。人工现场测量工作量比较大，而且很容易受到主观因素的影响，测量结果有时候不是很理想，而一些固定的测量装置局限性大，而且容易受到外界因素的干扰。而四旋翼飞行器灵活便于操作，体积小且不容易受到外界因素的干扰，让其搭载一些简易的测量装置往往能收到很不错的效果。
2总体方案设计
四旋翼飞行器按照其四个电机的分布方式可分为两个模式，x模式和十字模式。x模式虽然更加灵活，但是姿态测量和控制算法比较复杂，十字模式更为简单，更容易操作，飞行平稳[3]。
整体设计方案如下：
（1）整个系统飞行主控芯片为STC15，负责对各个传感器或得到的数据进行处理，并进行姿态校准和参数的计算，最终实现对四个空心杯无刷电机的控制;
（2）采用姿态测量系统传感器来实现对飞行器姿态数据的获取;
（3）用三极管作为空心杯电机的驱动部分;
（4）温湿度检测采用89C52芯片作为其核心控制芯片，负责控制信号传输模块，温湿度传感器，显示模块，并进行数据处理，最终能够在在显示屏显出实施测到的数据;
（5）采传感器部分用温湿度传感器来采集实时数据。
2.1 飞行控制模块设计
对于四轴飞行器来说，其中最重要的组成部分就是机架、电机及电机驱动、飞控模块，遥控器模块，信号传输模块五个部分。
机架用于支撑，电机来驱使桨转动产生升力。电池所提供的电源是直流电源，直流电机输入电流是两相电，电机驱动是在电源与电机之间转换电能和控制转速。
遥控器通过信号传输模块来控制飞行器的起飞，降落，悬停。飞控芯片是本设计飞行器模块最核心最重要的部分系统，其主要工作是计算补偿。
2.2 温湿度检测模块的设计
本系统的核心采用89C52单片机，单片机的性能决定了系统的好坏。所以单片机的选择，影响着所设计实现的系统功能。本设计选用的单片机为STC89C52单片机，89C52是一款高性能的8位单片机。在本次设计中选用了STC89C52单片机。
从机负责处理传感器反馈来的数据，然后通过无线信号传输模块将数据发送给主机。主机收到数据后进行处理，然后将数据发送给显示模块显示出来。 按照温湿度控制系统的具体设计要求，在保证其实现基本功能的基础上，尽可能的降低其制作成本和提高设计系统的稳定性和准确性。
2.3飞行器硬件电路的设计
本设计飞行器部分所包含的硬件电路部分有飞行器控制部分;无线信号传输部分;电池部分;电机及驱动部分。
其中飞行器模块主要为飞控芯片，姿态系统测量系统。本设计飞行器部分采用的芯片为STC15系列的芯片，飞行器采用的姿态控制芯片是MPU6050，这款芯片内部集成了陀螺仪和加速度传感器，这样做的目的是消除在焊接电路容易造成的误差问题，因为其内部有可编程的数字低通滤波器，所以当飞行器在飞行中有较大震动的时候可以通过滤波器设置合适的频率来滤掉频率高的震动，这样能够很有效的减少因机身震动从而对飞行器姿态的测量产生影响，所以姿态测量系统很多都用到。
电机作为飞行器产生动力的部分，它负责拖动桨来产生足够的升力从而使飞行器起飞。本设计采用空心杯电机来做飞行器的动力部分，采用7*16的空心杯电机，其转速可48000rpm。空心杯电机因其成本低，性能佳成为本设计的首选，可直接采用三极管来驱动。其驱动电路可分为H全桥和H半桥，H全桥可以控制电机正反转和转速，因因四旋翼飞行器起飞需要两个电机正转，两个电机反转，所以本设计的驱动电路采用H全桥控制电机转动。
2.4温湿度测量系统
温湿度测量是本设计侧重点，其主要由数据采集模块、数据传输模块、显示模块和电池模块组成。温湿度采集模块主要由温湿度传感器，单片机最小系统组成。本设计中采用的单片机最小系统是由STC89C52单片机作为其核心芯片，该系统由电源电路，复位电路，时钟电路组成。
本设计中所用到的的DHT11传感器是一款温湿度传感器，DHT11内部结构简单，功能强大，抗干扰能力强，且体积小，性价比高，在布线上简单明了，使DHT11数字温度传感器在本设计中非常适用。
本文采用NRF24L01作为无线收发器，其中内置硬件链路层协议。该器件主要集成了调制器，晶体振荡器和频率合成器等，而且工作于2.4GHz频段，拥有Enhaned Shock Burst和Shock Burst两种数据传输模式。
2.5 液晶显示电路设计
本系统中显示部分主要由单片机STC89C52控制LCD1602液晶显示来完成。
本设计在实物焊接上，将LCD1602只安装在主机模块上。通过按键，可以对从机模块进行控制，还可以清除已记录的温度。而从机上，单片机只需将DHT11数字温度传感器上采集到的温度，通过无线信号传输模块将信号传输到主机上即可，LCD1602液晶显示屏应当反映从机处的实时温度。
3 软件设计
3.1 四轴飞行器软件设计
四轴飞行器总体上的软件设计是通过核心处理器控制协调各个模块，使各个模块处于正常工作模式从而使飞行器能够按照事先给定的的方案稳定的飞行。由于四旋翼飞行器的被控量之间存在一定的耦合关系，因此所設计的飞行控制算法必须能够通过控制四个被控量来对六个量进行稳定、有效的控制。本设计首先通过3轴陀螺仪和3轴加速度传感器测量出3轴角速率和3轴加速度，然后通过倾斜角度与三轴角速率和三轴加速度的关系从而得到陀螺仪测量的倾斜度和加速度测量的倾斜度，由于两者都存在较大的误差所以再将陀螺仪和加速度测量的角度进行卡尔曼滤波及融合，进而得到较精确的倾斜角度即飞行器的姿态，最后应用控制理论中的PID控制算法将飞行器的姿态变化度变转化为控制器输出PWM波的占空比的变化[3]，从而控制对应的电机加速或减速实现飞行器各种姿态的变换、悬停，运动。
3.2温湿度测量模块软件设计
系统的程序主要分为两类，第一部分是主程序，是软件设计的核心，主要对整个系统进行控制，通过单片机对各个模块协调控制;第二部分是子程序，包括五部分：LCD显示程序，温湿度测试程序，无线发收程序，中断程序，数据清除程序，通过主程序的调用，使得每一部分的程序操控每一模块工作。
4.总结
本文设计了一个基于四旋翼飞机平台的温湿度采集系统，四旋翼飞机是基于STC15单片机的飞行控制系统设计而成的，飞行器以空心杯电机作为动力部分，遥控器与飞行器之间采用NRF24l01来完成通信。并根据系统要求制作了实物然后进行了调试。温湿度监测装置经过调试已达到预期目的，能够实现在室内飞行器的起飞与降落、定点采集温湿度，并能实现数据的实时传输及显示，能够完成特定条件下的温湿度采集。
作者简介：李莎（1989.10-），女，河南永城，（硕士，教师，助教），研究方向：电气工程。