蓝鸟四轴 飞行器 初版V3.0 （ 三 ）------主控硬件设计
1、机架
机架的选择直接决定了硬件电路和软件程序的设计方案，本次设计的目标为有刷飞行器。
机架作为飞行器的主体结构，承载着电机、电调、飞控、电池等关键部件，因此其选型对飞行性能、稳定性和耐用性均有重要影响。
1.1 减速组机架的 选定
经过对多款机架的详细比对，最终选定减速组机架作为本次设计的结构方案。选择该机架的主要理由如下：
首先，减速组机架具有较大的输出扭矩，能够有效带动尺寸更大的桨叶，从而提升飞行器的升力和操控性。具体来说，桨叶转矩T等于电机输出转矩t乘以减速比n，这意味着在相同电机条件下，减速机构可显著增强动力输出。其次，该类型机架性能表现优异，在带动相同规格桨叶的情况下，减速组电机能够以更高转速运转，同时工作电流更小，进而降低整体系统的能量损耗，提高能效。
浆叶转矩T = 电机输出转矩t * 减速比n
此外，减速组机架的结构设计具备较好的抗冲击和耐摔性能，在发生意外跌落时能够有效缓冲冲击，避免电机直接受损，延长设备使用寿命。
1.2 机架基本参数
本设计所选机架的基本参数如下：
电机选用有刷型号，额定转速为每分钟720转，最高转速可达50000转。对角电机轴距为9.5厘米。在额定负载条件下，电机工作电流为0.5安培，堵转电流为1.5安培。配套桨叶尺寸为5.5厘米，电源采用额定容量为600毫安时的锂电池，标称续航时间约为5分钟。
- 对角电机距离：9.5cm
- 电机型号：720每分钟/50000转（有刷）
- 电机电流：0.5A额定负载，1.5A堵转电流
- 桨叶大小：5.5cm
- 电池容量：600mAh
- 续航时间：5分钟
1.3 充电器基本参数
针对1S锂电池的充电过程，不建议自行DIY充电电路，因锂电池具有较高的安全风险，本次设计所使用的充电器由电池供应商配套提供。该充电器输入电压为5伏，可兼容任意USB接口，要求电源能提供不低于500毫安电流输出。充电电流设定为500毫安，设备内部集成充电保护功能，充电状态通过指示灯显示------充电中灯光较亮，充满后灯光变暗。
电池充电说明：
（1）将充电线接入电源时无灯光指示。
（2）将锂电池接入充电时红灯长亮。
（3）红灯灭时表示锂电池已充满电。
充电时间估算公式为：（电池容量600mAh×80%）/（500mA/1.6）≈140分钟。其中，1.6为行业常用的充电效率比例系数（由制造商提供），80%代表电池的荷电状态（SOC）。荷电状态范围通常在0%至100%之间，飞行器电池一般设置放电至80%~90%的电量即停止使用，因为当电量过低时，输出功率已无法维持飞行器稳定悬停，故不宜完全放电。
- 充电电压：5V
- 充电电流：500mA
- 充电时间：≈140min
2、电路硬件框图
2.1 主控硬件框图
主控部分为飞行控制系统的核心，包括处理器、存储器、时钟电路、复位电路及外围接口等模块，共同实现飞行姿态解算、电机控制及传感器数据处理等功能。
2.2 遥控硬件框图
遥控硬件主要包括信号发射模块、编码电路、电源管理及人机交互单元，用于生成并发送控制指令，实现对飞行器的无线操控。
3、电路元件选型
遥控器端的电子元器件选型相对宽松，只需满足功能需求即可，例如3.3V稳压电路可使用市面上多种通用稳压芯片。本次设计重点对飞控系统的元器件进行选型。
3.1 主控选型
芯片选型主要考虑处理性能、存储容量、外设资源及开发便利性。
|------------|--------------|----------------------------------|
| 序号 | 考量内容 | 描述 |
| 1 | 容量 | 预估代码量32K FLASH |
| 2 | 数据量 | 预估运算量8K SRAM |
| 3 | 运算能力 | 由于存在四元数姿态解算，主频72MHz |
| 4 | 外设功能 | 本次运用4路PWM驱动电机 |
| 5 | IO数量 | led指示灯，模拟I2C,模拟SPI，串 口（预留剩下的各接口） |
根据综合评估，四轴飞行器的硬件结构相对简单，因此主控芯片选定为Cortex-M3内核的微控制器。为便于开发者学习与二次开发，选择通用性较强的STM32F103C8T6作为主控芯片，其具备64KB闪存、16KB SRAM，主频可达72MHz。
遥控器端使用与飞控相同型号的主控芯片，旨在降低开发者的学习成本，避免因芯片类型不同而增加额外的熟悉时间。
3.2 5V升压芯片
由于锂电池电压会随放电过程逐渐下降，且在电机启动或高负载情况下可能出现瞬时电压跌落，为保证系统稳定工作，特别设计了升压电路。
|------------|--------------|--------------------|
| 序号 | 考量内容 | 描述 |
| 1 | 输出电压 | 支持5V输出 |
| 2 | 输出电流 | 支持100mA+输出 |
| 3 | 输入电压 | 支持锂电池的电压范围3.0-4.2V |
| 4 | 电路原理 | 简单，易学 |
BL8530是市面上广泛应用于玩具飞行器的一款5V升压IC，其性能稳定、成本适中，符合本次设计需求。
3.3 3.3V稳压芯片
在稳压芯片的选型中，需重点考虑：
|------------|--------------|----------------|
| 序号 | 考量内容 | 描述 |
| 1 | 输出电流 | 支持>100mA的输出电流 |
| 2 | 输入电压 | 支持5V的输入电压 |
其输出精度、负载能力及功耗表现：
|------------|---------------|------------------------------------|
| 序号 | 耗电内容 | 电流（单位 mA ） |
| 1 | STM32 | 20 |
| 2 | SI24R1 | 20（做双向通讯） |
| 3 | MPU6050 | 3 |
| 4 | SPL06-001（预留） | 3 |
| 5 | 光流模块（选用） | 10 |
| | | 总计：56 |
662K是一款成本较低、稳定性良好的小电流稳压芯片，适用于本次飞控系统的3.3V供电需求。
3.4 电机驱动NMOS
选型电机驱动NMOS管时，需结合电机参数进行考量。电机额定负载电流为0.5A，堵转电流为1.5A。
|------------|--------------|------------|
| 序号 | 考量内容 | 描述 |
| 1 | 体积小 | 考虑到主控板体积小 |
| 2 | 驱动电流 | 5.8A的驱动电流 |
| 3 | 开启电压Vgs | 3.3V |
AO3400（A09T）为常用MOS管型号，其电气参数符合设计需求，能够承受电机堵转时的大电流冲击，有效避免因过流而损坏驱动电路。
3.5 姿态六轴传感器
MPU6050是当前最常用的惯性测量单元（IMU）之一，集成三轴陀螺仪和三轴加速度计，适合初学者使用。尽管市场上存在其他型号的传感器，但MPU6050在社区支持、代码资源及兼容性方面具有明显优势。若更换其他传感器，仅需调整相应驱动程序即可。
3.6 无线通信
实现遥控器与飞行器之间的通信，主要考虑以下内容：
|------------|--------------|-------------|
| 序号 | 考量内容 | 描述 |
| 1 | 传输距离 | 20m+ |
| 2 | 主从机 | 可以当主机也可以当从机 |
| 3 | 抗干扰能力强 | |
| 4 | 通信数据稳定 | |
| 5 | 体积小 | |
SI24R1是一款常用的2.4GHz射频芯片，广泛用于玩具类无线控制产品。其通信稳定、功耗较低，非常适合本次设计的飞行器遥控系统。
4 、 电路原理分析
需特别说明的是，数字电路连接较为复杂，电路中多数信号通过网络标号进行连接，并非全部依靠物理连线。
4.1 主机电路图
飞控整体电路主要包括电源管理模块、电机驱动电路、STM32最小系统、MPU6050传感器模块及其它外围接口电路。气压计系统、2.4G通讯系统、电池电压测量电路，以及串口、SPI接口等多个功能模块共同组成了该系统的硬件基础架构。STM32mini蓝鸟四轴原理图V3.7如下：
其中，MPU6050电路部分直接采用了芯片数据手册中推荐的标准设计，该电路为固定结构，属于成熟方案，因此在此不做深入分析与讨论。
4.2 遥控电路
遥控整体电路结构设计相对简洁，主要包括2个模拟摇杆、6个功能按键、1个2.4G射频通信模块，此外还包含OLED显示屏接口、电池电压测量电路、电源降压转换电路、电源开关以及程序烧录接口等多个组成部分。
STM32遥控器原理图V3.6如下：
遥控电路中按键和摇杆部分采用常规的ADC采集电路，结构简单且为常见设计，因此不展开分析。需要特别说明的是，遥控器上使用的STM32控制器采用了外部晶振方案，该外接晶振支持高达72MHz的主频运行。由于遥控器需实现双向通信功能，对处理速度要求较高，因此必须运行在72MHz的高频状态下以保证通信的实时性与稳定性。
4.3 电源电路
飞控系统供电电压采用3.7V标准1S锂电池。电源部分的工作原理如下：
在四轴飞行器飞行过程中，电池电量持续下降，当电压降低到某一阈值时，可能会出现瞬时电压低于3.3V的情况，此时常规稳压电路可能无法正常工作，导致输出电压中断。为确保系统稳定运行，设计中加入了升压电路。
升压部分 采用BL8530 5V升压IC，该芯片需要搭配47uH的电感作为储能元件，其内部集成了类似BOOST拓扑的升压结构------BOOST升压电路是电路原理课程中的基本内容。此外，电路中的肖特基二极管起到续流作用，保证能量的连续传递。
稳压部分 采用662K 3.3V稳压IC，这是一种低压差线性稳压器（LDO），其原理较为简单，此处不再赘述。
电源电路中的电容 主要用于滤波，这是电源设计中的常见做法，输入及输出端均需接入电容以抑制电源纹波。若未进行滤波处理，电源噪声可能导致系统工作异常。
电压测量 电路用于实时监测电池电压，当电量不足时电压下降，机架上的指示灯会逐渐变暗（通常蓝色灯会首先变暗），飞行器会因动力不足而缓慢下降。用户可在遥控器的显示屏上实时查看电压数值。
此外，该系统还可进一步实现低电压保护功能。整机功耗方面，飞行器未设计低功耗模式，且电池为动力电池，建议随用随充以保持电池活性。
4.4 电机驱动
以下对各元器件在电机驱动电路中的作用进行详细说明：
1KΩ电阻 起到限流作用，在MOS管开启瞬间，该电阻可限制电流大小，若电流过大可能导致MOS管瞬间完全导通，进而缩短其使用寿命。
10K电阻 用于确保系统稳定性，在微控制器复位期间，所有IO口均处于高阻态，接入下拉电阻可避免MOS管误导通，防止电机突然旋转造成意外伤害。
AO3400 为N沟道MOS管（NMOS），高电平导通，通过PWM信号的占空比可以调节其导通程度，进而控制电机的平均输出功率。该MOS管在门级开启电压为3.3V时，导通电流可达5.8A。
104电容 用于吸收电机运行时产生的高频噪声，提升系统抗干扰能力。
4.5 主控 MCU
104电容 连接在3.3V电源引脚处，用作退耦电容。由于板上多个设备共用3.3V电源，可能产生相互干扰（即耦合干扰），退耦电容可有效抑制此类干扰。与RST引脚相连的电容为滤波电容，其作用是防止复位引脚电平波动引发误复位操作。
22pF电容 为起振电容，无源晶振需依赖起振电容完成阻抗匹配以实现振荡，这是无源晶振的典型应用特性。
10K上拉电阻 连接至RST引脚，通过上拉可增强STM32复位信号的稳定性。
Boot0和Boot1引脚直接接地 ，Boot配置决定了程序启动来源，本设计采用J-Link或ST-Link进行程序烧录，因此只需将这两个引脚接地即可。
4.6 接口说明
JP4为串口1/串口3复用接口。JP6为SWD烧录接口，也可用作两个通用IO口。
5 、 PCB 设计
本产品的PCB设计直接关联到实际生产制造，由于涉及商业生产信息，本店不予公开详细设计内容。为了方便大家查看和使用，我们会提供JPG或者PDF格式的PCB图纸文件。此外，在本节内容中，我们还会详细介绍一些在PCB设计过程中需要特别关注的要点和注意事项。
5.1 布局设计
在飞控板和遥控器的电路设计中，我们都采用了双面走线的布线方式。具体来说，飞控部分进行了双面元件布局，而遥控器部分则采用了单面布局的方式。
（1）产品的外形设计非常注重人性化因素。由于设备需要用户手持操作，因此在设计时必须严格符合人体工程学原理，确保握持舒适、操作便捷。
（2）主控芯片及外围电路的位置安排需要科学合理。各类接口应布置在电路板的边缘位置，例如四个电机接口以及四个指示灯接口，应分别位于电路板的四个角落，以方便接线并提高整体结构的协调性。
5.2 布线规范
本节主要介绍在设计飞控电路时，布线方面需要特别注意的几个关键事项：
- 电池与电机之间的连接线路必须进行加宽处理。由于该线路通过的电流较大，足够的线宽能够有效减少线路电阻，避免过热。具体可参考图示中高亮标注的部分。
（2）飞控板上射频天线所在区域需要进行避空处理，即其周围不应布置其他线路或元件，以保证信号传输的质量和稳定性。相关区域在图中也已用高亮标出。
（3）传感器的布局和布线要格外注意：传感器配套的电容应尽可能靠近传感器放置，同时传感器底部应设置大面积的接地铜皮，这样不仅有助于散热，还能有效减少外界干扰。
（4）去耦电容的摆放位置非常重要，尤其是芯片电源引脚附近的去耦电容，必须尽可能贴近芯片相应引脚，以保证去耦效果、提高电路稳定性和抗干扰能力。
