基于单片机的云台姿态测量系统设计（一）一、整体思路二、器材选型三、系统硬件设计

由于精力原因，本设计将分多次介绍，后续读者人数变多或应读者需求，笔者可提供参考文献、原理图、pcb制版文件、程序代码等资料。
基于单片机的云台姿态测量系统设计（二）
基于单片机的云台姿态测量系统设计（三）
基于单片机的云台姿态测量系统设计（四）
笔者做毕业设计的时候已经考上了研究生，导师很缺人手干活，所以毕设选择了较为简单的单片机，最终选题为基于单片机的云台姿态测量系统设计。
任务书给出的指标是相当简单的， 要求针对人们对安防系统的迫切需求，设计一种基于单片机的云台姿态测量系统。运行测量系统后，可以较精确并实时的获取云台姿态数据，进而为云台姿态控制提供准确的输入信息。该技术方法可以广泛应用于对安防有较高要求的行业。课题预期达到的技术指标：1)供电电源：+5V;2)姿态测量精度:0.1°。
根据系统主要的设计要求，总结出以下四项设计指标：
(1)体积较小。由于系统需安装在云台上，因此要尽可能的缩小系统的体积。
(2)测量三轴的姿态角。监控云台可绕XYZ三轴转动，且转动是非常灵活的，因此系统需测量三轴的姿态角。
(3)成本较低。作为一款云台姿态测量系统，应该在能够满足系统要求和精度的前提下，尽量降低产品成本从而提高产品的竞争力。
(4)测量的姿态角的精度为0.1°，供电电源为+5V。

一、整体思路

系统由+5V电源供电，姿态传感器MPU6050来采集云台X、Y、Z三个轴角速度和加速度的原始数据，通过卡尔曼滤波的数据融合算法将三轴的数据经过姿态解算传输给单片机，单片机把数据经过处理得到角度值，并且通过串口中断输出给显示屏LCD1602，进而显示三轴的角度值。

二、器材选型

2.1单片机最小系统

常用且较为合适、可供选择的单片机有STC系列和AT系列。考虑到笔者对上述两个系列的熟悉程度，结合成本、性价比、设计难度以及配套的开发软件等等因素，综合判断最终后决定选用STC系列。
而STC系列也有很多单片机型号可供选择，经过查阅资料和相关书籍，综合考虑选用51系列89C52型号的单片机，具有成本低、只读存储器大、性价比高的优点。

2.2显示模块

显示模块较为常见，可供选择的显示屏种类繁多，有LCD1602，LCD12232，LCD12864等一系列显示屏。由于本次设计只需显示三轴的角度值，是简单的ASCII码字符显示，选用LCD1602显示屏就能很好的满足本次设计的要求，而且操作简单，成本低廉，性价比高，综合考虑最终选用LCD1602来显示。
本次设计采用的显示屏型号是LCD1602。LCD1602给使用带来很大方便，因为其有标准化的设计：在内部储存有与标准的ASCII码相匹配的字符，所以使用者如果想要显示字符，只要写入相对应的ASCII码即可。并且由于目前大多数LCD显示器都基于HD44780芯片，都有着相同的控制原理，因此选用LCD1602还有编写程序简单方便的显著优点，除此之外还可以调节对比度，方便显示，避免产生重影影响使用者观测数据。

2.3传感器模块

本次设计采用姿态传感器MPU6050（型号JY60）。优点如下：
（1）JY60型号自带稳压电路，适配电压为+3.3V或+5V，可以和单片机最小系统匹配，并且连接简单方便。
（2）采用卡尔曼滤波的数据融合算法，不仅能滤掉噪声误差，还能提高测量、输出精度。
（3）自带金属屏蔽罩，能更好地保护内部芯片和电路。
（4）自带温度补偿，降低外界温度变化引起的干扰。
（5）稳定性高。自带姿态解算功能，可编写配套的软件程序实时输出模块在当前状态下的角度输出，而且测量精度较高，性能相对优越。
（6）采用icm42605芯片，可以测量三个轴的角速度和加速度。

三、系统硬件设计

3.1硬件总体设计

本课题中，系统硬件主要包括单片机最小系统、显示模块、传感器模块和系统电路设计。由+5V电源供电，姿态传感器MPU6050来采集云台XYZ三个轴的角速度和加速度，通过卡尔曼滤波的数据融合算法将三轴的数据经过解算传输给单片机，单片机将数据经过处理得到角度值，并且通过串口中断输出给显示屏LCD1602，进而显示三轴的角度值。

3.2单片机最小系统

本次设计中，单片机最小系统由STC89C52单片机、时钟电路、复位电路以及电源组成，让单片机进行工作是单片机最小系统的主要功能。STC89C52单片机有40个管脚，其中I/O接口有P0.0-P0.7，P1.0-P1.7,P2.0-2.7和P3.0-3.7。18，19管脚接振荡（时钟）电路，本次设计采用12MHZ的晶振。9管脚接复位输出端RST，由复位开关、电容和电阻共同构成复位电路。20管角接GND，40管脚接VCC（＋5V）电源。
在嵌入式系统中，时钟电路和复位电路的重要性是无需多言的。下面对时钟电路和复位电路做一个简单的介绍。时钟电路，顾名思义就是像时钟以一定频率不断震荡的电路，正常供电后它可以为系统提供一个固定的时间间隔，系统内的器件都共用这个时间间隔工作。复位电路的作用是将电路复位到初始状态，它的功能的实现主要通过连接单片机上的RST管脚。通过精心设计系统中最核心的单片机最小系统，外围器件才能互相配合共同工作，才有其存在的意义。

3.3接线

本次设计中，选用LCD1602作为显示模块，具有连线方便、成本低、性价比高等优点。

3.3.1接口

LCD1602可同时显示32个字符，采用标准的16脚接口，下面将做一个简单的介绍：
GND为电源地信号引脚；VCC为电源信号引脚；VO为液晶对比度调节引脚；RS为寄存器选择引脚；RW为读写选择引脚；E为读写操作选择引脚；D0~D7为数据总线引脚；BG VCC为背光电源引脚；BG GND为背光电源地引脚。

3.3.2接线

根据3.3.1中介绍的接口，现在我们来介绍本次设计中的接线，LCD1602的接线相对简单，具体操作如下：
GND接电源地；VCC接+5V电源；VO建议串联10KΩ的滑动变阻器避免对比度过高产生重影影响使用时观察三轴输出数据的显示效果；RS、RW接单片机的一个I/O口；E接单片机的一个I/O口。D0—D7可接单片机的P0—P3任意的8个I/O口。BG VCC可串联一个1kΩ的电阻再接到VCC，不仅可以避免烧坏背光灯，还可以延长显示屏的使用寿命。BG GND为背光电源地引脚，直接接GND。

3.4系统总体电路设计

3.4.1系统原理图

3.4.2系统PCB图

最后

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