全自動吸塵器畢業(yè)論文

1、xxxxxxxxxx畢 業(yè) 設 計（論 文）設計(論文)題目：全自動吸塵器摘 要隨著社會的進步和發(fā)展，人們的學習、工作越來越繁忙，于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事物中解脫出來，就成了新一代家電所追求的目標，而自動化正是這一目標的集中體現。本文介紹的全自動吸塵器初步實現了無人情況下的自主工作方式。它自帶電源，利用了超聲波測距的原理，通過向前進方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應的返回聲波脈沖，對墻壁等進行判斷；通過以單片機為核心的控制器實現對超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，選定相應的控制策略；通過驅動器驅動兩步進電機，帶動驅動輪，從而實現行走轉向等功能；通過紅外線

2、熱釋電傳感器對人的活動進行檢測，減少人對吸塵器行走的影響。在吸塵器行走的同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經過的地面進行必要的吸塵清掃。關鍵詞: 步進電機 單片機 超聲波傳感器 電子羅盤目 錄摘要 ivabstract v第1章 緒論 1 1.1家用吸塵器的原理 11.1.1家用吸塵器的分類 11.2 全自動吸塵器的研究目的與意義 21.3 全自動吸塵器的發(fā)展 3第2章 全自動吸塵器控制部分設計 42.1單片機的結構和性能 42.2電子羅盤的性能 62.3超聲波傳感器的原理及性能 72.4紅外線熱釋電傳感器的原理及性能 82.5整個控制系統(tǒng)的組成及工作原理 9第3章 全自動吸塵器結構的設計

3、113.1全自動吸塵器外殼結構設計 113.2全自動吸塵器吸塵部位結構設計 123.3全自動吸塵器行走部位結構設計 143.3.1全自動吸塵器主要參數計算 14第4章 電源及驅動電路的設計 194.1供電電源的設計 194.2步進電機的原理及驅動電路 204.2.1步進電機的原理 204.2.2步進電機的特性 224.2.3步進電機的驅動 244.3電動風機的工作原理及驅動 254.3.1電動風機的工作原理 254.3.2電動風機的特性及驅動電路 26第5章 全自動吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制 295.1全自動吸塵器工作過程分析 295.2步進電機的脈沖信號 295.3發(fā)生器的脈沖信號 315.4

4、系統(tǒng)的總體控制流程 32第6章 全自動吸塵器的技術經濟分析 33結論 34致謝 35參考文獻 36第1章 緒 論1.1家用吸塵器的原理吸塵器是現代家庭中受到人們廣泛喜愛的清潔用具，傳統(tǒng)的用具清掃房間往往不能將家里的微細塵埃清掃干凈，塵埃總是從一處轉移到另一處，尤其是地毯窗簾等處的灰塵就更難以清除，利用吸塵器來做清潔工作就無此弊。吸塵器不但可以清潔地面，也可以用來清潔一般的器具難以清潔的地方，如沙發(fā)，墻壁等。吸塵器在工作時要經過起塵、吸塵和濾塵三個階段。吸塵器一般包括吸塵器電機和風機（電機多為串激整流子電動機、風機是離心式風機）、機身、吸塵管（手持式吸塵器的機身和吸塵管常聯為一體）控制電路、濾塵

5、器（袋）和吸塵附件。一般吸塵器的電機工作功率為400-1000w，體積大一些的吸塵器的功率更高一些，而便攜式吸塵器的功率則一般為250w 以下，吸塵器工作時靠電動機高速驅動風機葉輪旋轉，使空氣高速排出，而風機前端吸塵部分的空氣不斷地補充風機中的空氣，使吸塵器內部產生瞬時真空，和外界大氣壓形成負壓差；在此壓差的作用下，吸塵器吸入含灰塵的空氣，并經濾塵器過濾，排出清凈的空氣。負壓差越大風量越大，則吸力也越大，而這時的電機工作功率也就越高。所以吸塵器也叫真空吸塵器。真空吸塵器由于應用廣泛，特別是為了可以用于不同的場地和場所，需要配置不同規(guī)格的吸頭，這樣可分別用來清除地毯、衣物、沙發(fā)、各種物品及電子儀

6、器上的塵屑，使用十分方便。當然，也有一些是專門設計或專用型吸塵器。1.1.1 家用吸塵器的分類1.按形狀大小分類（1）立式：呈圓桶形或方形居多，分上、下兩部分，上部裝有電機，是動力部分，下部為集塵箱。（2）臥式：長方形或車型狀，有前后兩部分，前部為集塵箱，后部為電機部分。（3）便攜式，它一般有五種形式1) 肩式：體積較小，使用時背在肩上，小功率輸出。2) 桿式：形狀似桿，上端為把手，下端為吸嘴，小功率輸出。3) 手提式：體積更小，可直接握在手中使用，小功率輸出通常用干或蓄電池做電源。4) 微型式：多用電池供電，體積更小，多用于清潔衣物、儀器等，微功率。5) 無繩式: 吸塵器拖著長長的電線, 極

7、易糾纏不清。倘若是無繩式的吸塵器，則可以避免上述情況的發(fā)生。2.按功能分類按功能大致有以下種：干式干濕兩用式地毯式及打蠟吸塵式。干式吸塵器就是上面介紹的幾種吸塵器。干濕兩用式吸塵器具有與干式吸塵器相同的性能和用途，此外還能吸取肥皂之類的液體或多水性泡沫污物。地毯式主要用于地毯的清潔。打蠟式吸力較差，主要以打蠟為主。3.按電器安全分類（1）類吸塵器，額定電壓超過42伏，只有基本絕緣。（2）類吸塵器，額定電壓超過42伏，全部為雙重絕緣，當基本絕緣破壞時，還有一層補充絕緣作用。（3）類吸塵器，額定電壓低于42伏，避免了觸電危險。1.2 全自動吸塵器的研究目的與意義今年來,隨著中國工業(yè)的快速發(fā)展,吸塵

8、器的產銷量也大幅增加,在我國市場具有旺盛的生命力。隨著設會的進步和發(fā)展,人們的物質和精神生活質量的提高,迫切需要從繁重的清潔工作中解脫出來由此誕生了一種家用服務型吸塵機器人,它將移動機器人技術和吸塵技術有機地融合起來,實現家庭、賓館、寫字樓等室內環(huán)境的半自動或全自動清潔,因此具有廣闊的市場前景。目前在歐美日等發(fā)達國家,吸塵機器人開發(fā)較早,應用范圍也較廣,近兩年來,已經開發(fā)出多種面向市場的智能吸塵機器人。澳大利亞某公司研制出可自動行駛并打掃房間的型機器人這種全自動吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內置搜索雷達,可以搜索各種房間里的每一處,不會碰撞家具或其它障礙物。微處理小電腦使它具備在拐至屋角處

9、能探測方向、選擇前進路線的能力。只要將全自動吸塵器放在地面上,它便可自動開始工作。其搜索雷達會探測出距離最近的墻壁,先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡;然后再不規(guī)則地來回移動于房間的其它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉向。該吸塵機器人由于在主機的周圍配備了障礙物傳感器,因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面;當打掃完可以行駛的場所后,機器人就自動關閉電源。不管房間的外形及面積的大小、導航算法引導機器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進行清潔工作,因為機器人導航沿房間的周圍,所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖,機器人不需要任何編程“教它應該去哪里”。該機器人操作簡單,僅有個按鈕:開始、結束以

10、及暫停,人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中,按下開始按鈕即可。國內目前也已開始有關的研究開發(fā)工作,特別是在移動機器人的運動規(guī)劃與控制方面取得了一定的成就,為研究開發(fā)吸塵機器人奠定了技術基礎。吸塵機器人作為服務機器人領域中的一個新產品,將使人們能在無人看守情況下輕松地完成室內環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,該吸塵機器人如能大批量生產使成本降低,以低價格進入市場,將會具有巨大的市場前景,有關資料也預測吸塵機器人是未來幾年需求量最大的是服務機器人。1.3 全自動吸塵器的發(fā)展前景盡管目前國內外在吸塵機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關鍵技術問題急待解決。 目前,價格過高是嚴重

11、影響吸塵機器人打入家電市場的主要因素,為了大幅度降低其成本,必須開發(fā)智能傳感器、專用運動控制的數字處理芯片;其次,應該看到藍牙技術在家電行業(yè)的應用前景,通過采用藍牙技術將過高的數字處理成本轉移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內將吸塵機器人的成本降低在千元左右。未來的吸塵機器人將向自主式和人工智能化發(fā)展,因此必須結合現有的基于自適應控制、預測控制、模糊邏輯、神經網絡等移動機器人運動規(guī)劃和控制技術,研究對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規(guī)劃與控制器及高效的傳感器融合算法,是在現實環(huán)境中實現具有良好的自適應性和魯棒性行為的機器人的關鍵。電源技術是吸塵機器人研究工作的核心問題之一,除了為機

12、器人運動、吸塵及控制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,能夠自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務。在研究提高化學電池使用壽命、縮小體積的同時,一種新興的質子交換膜燃料電池具有功率大、能量高、壽命長和體積小等優(yōu)點,為移動電源提供了一種合適的電源,目前,上海某大學燃料電池研究所在這方面進行著有益的嘗試。隨著吸塵機器人關鍵技術和性能價格比的不斷提高或改進,相信在現有的軟硬件條件的基礎上,未來幾年內就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產品,進而使吸塵機器人能像普通家電產品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術產品帶來可觀的市場和經濟效益。第2章 全自動吸塵器控制部分設計2.1 單片機的結構

13、和性能全自動吸塵器的控制部分主要由單片機來完成，根據需要選用mc-51系列單片機中的8051作為控制器對整個全自動吸塵器進行控制，8051是rom型單片機，內含4k字節(jié)的rom。1主要特性：8051單片機是由cpu、存儲器、i/o接口等組成的微型計算機，它可以尋址64k字節(jié)的程序存儲器和64k字節(jié)的外部數據存儲器8051單片機是一種功能很強的8位微型機。如圖 21是8051單片機的外型。特征如下：.面向控制的8位cpu 和指令系統(tǒng).128*8位內部ram.32可編程i/o線.兩個16位定時器/計數器.5個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級.可編程串行通道.低功耗的閑置和掉電模式.一個片內振蕩器和時鐘電路2

14、管腳說明：vcc：供電電壓。vss：接地。p0口：p0口為一個8位開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。（ 圖 21 8051單片機）p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電

15、流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。 p3口：p3口管腳是8個內部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為一些特殊功能口，如下所示：

16、 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時器0外部輸入） p3.5 t1（記時器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數據存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數據存儲器讀選通） rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期兩次psen有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的psen

17、信號將不出現。ea/vpp：當/ea保持高電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。當/ea端保持低電平時，此間不訪問內部程序存儲器。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。3振蕩器特性：xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，xtal2應不接。若輸入內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.2 電子羅盤的性能全自動吸塵器的轉向需要

18、電子羅盤進行指引，在轉向過程中電子羅盤能將檢測到的方向角以脈沖的方式發(fā)出，通過單片機進行判斷來完成預期的轉向目的。全自動吸塵器選擇了可以不需要進行a/d轉換的vector 2x數字電子羅盤oem板作為導向工具引導它的轉向，完成它的行走吸塵等功能。vector 2x是美國pni ( precison navigationinc)公司以其電磁感應設計專利技術設計的一種高精度低成本的2軸電子羅盤oem板(芯片)。該芯片廣泛應用于gps的輔助角位移測量、地面定向天線自動伺服系統(tǒng)、機器人姿態(tài)傳感器及其它需要角度測量或指示的場合。該電子羅盤使用標準同步三線制串行總線作為數據接口，可以和mcs-51,mot

19、orola 68xxx.pic16cxx等多種系列單片機接口使用。通過引腳可選擇輸出數據格式是二進制或十進制(bcd)o，它的管角如圖2-2。 (圖2-2 電子羅盤 )該oem板具有體積小等優(yōu)點，主要特性為:.2軸，二維水平應用，功耗低、精度高等特點;.水平最大傾斜150; 體積37mmx33mmxlomm，重8.5克;.正常工作電流小于loma，休眠時3ma; .分辨率10，精度20，有校準模式控制端;.標準cmos接口電平;.三線制串行i/o接口(摩托羅拉 spi格式兼容);.數據輸出bcd、二進制可選;.高分辨率數據刷新率2.5hz;.方向角數據輸出與原始x, y分量輸出可選。2.3 超

20、聲波傳感器的原理及性能全自動吸塵器對墻壁等障礙的判斷主要是通過超聲波傳感器來完成的，超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。 1. 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；它們所產生的超聲波的頻

21、率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各有不相同的地方。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 2.壓電式超聲波發(fā)生器原理 （圖2-3 超聲波傳感器結構）圖） 壓電式超聲波發(fā)生器實際是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖2-3所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成了超聲波接收裝置。全自動吸塵器選用了壓電陶瓷式超聲波傳感器，在超聲波信號發(fā)射側使用t40-16，在信號

22、接受側使用r40-16，發(fā)射信號側由40hz的通信電路、控制on-off及驅動電路組成，接收信號側由放大、比較和積分電路組成，圖 2-4 是超聲波傳感器的電路。超聲波傳感器為了容易反射聲波，對測定物體成直角安裝。 （圖2-4 超聲波傳感器電路圖）傳感器的調整通過可變電阻變化震蕩頻率，所以使其發(fā)射器的諧振點一致，通過可變電阻還可以改變比較電壓，由此來調整敏感度。2.4 紅外線熱釋電傳感器的原理及性能熱釋電外線傳感器是20世紀80年代發(fā)展起來的一種新型高敏度探測元件，它以非接觸形式檢出人體輻射的紅外線或人射外線的能量變化，井將其轉換成電壓信號輸出，將這個電壓信號加以放大，便可以驅動各控制電路,如用

23、于“電源開關控制、防盜防火報警、自勁監(jiān)泌等?！睙後岆娂t外傳感器不僅適用于防盜報警場所，亦適于對人體傷害極為嚴重的商壓電及x射線、射線自動報警等。熱釋電傳感器利用熱釋電效應來檢測受光面的溫度升高值，得知光的輻射弧度，工作在紅外波段內。這種傳感器在常溫下工作穩(wěn)定可靠，使用簡單，時間響應能到微秒級，已得到廣泛使用。熱釋電紅外線傳感器的結構由地電極、壓環(huán)、環(huán)形電極、pydf、彈簧等部分組成.全自動吸塵器為了能夠檢測人的活動，減少人對吸塵器工作的影響，采用了am111型傳感器，這種傳感器使用熱電元件，收集從人體10um附近發(fā)出的紅外線反應，內部具有2個紅外線傳感器，消除背景變化連接使用，為此，近人活動時

24、反應，能夠輸出。am111傳感器，內部裝好了放大器當然在需要時還可以在外接運算放大器，如圖 2-5 所示，用補加電阻就可以輸出，其共有3個管角，分別為信號、vcc、gnd，在全自動吸塵器中它以開關量的方式向單片機提供信號。（圖2-5 熱釋電傳感器電路圖）2.5 整個控制系統(tǒng)的組成及工作原理全自動吸塵器的整個控制系統(tǒng)，主要由感器部分（超聲波傳感器、紅外線熱釋電傳感器、電子羅盤）、微型機算計部分（單片機8051）、等部分組成。該全自動塵器利用了超聲波測距的原理（如圖2-6所示），通過向前進方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應的返回聲波脈沖，對障礙物進行判斷；通過以單片機為核心的控制器實現對超聲發(fā)射和接收

25、的選通控制，并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，選定相應的控制策略；利用電子羅盤進行方向的判斷，通過驅動器驅器驅動動兩步進電機，帶動驅動輪，從而實現避障。全自動吸塵器的紅外線傳感器能檢測人得存在，在檢測到人存在時會給單片機一個電信號，單片機控制吸塵器停止前進并同時控制發(fā)聲器發(fā)出聲音，讓人能夠離開。功能全自動吸塵器實際上是一個行走機器人和吸塵器的組合體，吸塵器行走的同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經過的地面進行必要的吸塵清掃。 單片機作為控制源產生脈沖信號，驅動步進電機轉動，同時檢測超聲波傳感器與紅外線傳感器的信號，數字羅盤的轉角信號同樣也輸出給單片機，由單片機完成信號的處理過程，可以說全

26、自動吸塵器的控制系統(tǒng)是以單片機為核心的。 紅外傳感器超聲波傳感器接收端發(fā)射端單片機自帶電源發(fā)聲器驅動器左步進電機驅動器右步進電機吸塵部件電子羅盤 （圖2-6控制系統(tǒng)原理圖 ）第3章 全自動吸塵器結構的設計 3.1.1 全自動吸塵器主要參數計算全自動吸塵器的驅動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅動機構組成的。步進電機帶動兩驅動輪（后輪），從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結構，而采用了應用非常廣泛的萬向轉輪這既減小了結構復雜度，又提高了轉彎的靈活性（如圖3-4）。 通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率，可以對步進電機實現較高精度的調速。同時在對兩電機分別施加相同或不同脈沖信號時，通過

27、差速方式，可以方便的實現吸塵器前進、左轉、右轉、后退、調頭等功能。這一設計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實現轉彎，甚至當兩后輪相互反向運動時，實現零轉彎半徑（即繞軸中點原地施轉）。同時轉彎的速度可通過改變單片機的程序來調節(jié) 。左側步進電機 右側步進電機自帶電源萬向轉輪驅動輪驅動輪由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求3mmin左右，這樣能夠保證全自動吸塵器行走平穩(wěn)，而且有很高的效率，設計車輪的直徑為8cm, ( 圖 4轉向結構圖)則由公式（31）u=cn （31）式中 c車輪的周長（cm） n車輪的轉速（r/min）n=u/c12r/min1.全自動吸塵器的

28、阻力計算設計全自動吸塵器的質量在3kg則;后車輪的的阻力矩由公式（32） t=mgfr （32）f滾動摩擦系數由機械設計課程設計指導表11-7取0.05（k/cm)t=39.80.0554=6.468n/m2.全自動吸塵器的前輪阻力矩t0=mgfr=39.80.0550.5=0.8n/m3.深溝球軸承的摩擦力臂t1= mgf1rf1=0.02k/cm ,由機械設計課程設計指導表11-9選取.t1=0.025n/cm;根據供電電壓為12v選取步進電極電機,根據小功率電機手冊,選擇永磁式步進電機,其具體參數如下:表3-1。表格 3-1 步進電機的基本參數型號相數額定電壓(v)電流（a）保持轉矩（m

29、n/cm）步近角()57byg005412v0.4a254.97mn/cm1.8 第4章 電源及驅動電路的設計4.1 供電電源的設計全自動吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般拖線方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池。這樣不但可實現無人控制，而且工作時較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個小時。移動電源在全自動吸塵機器中的地位十分重要,可以說它是吸塵機器人的“生命源”，移動電源需同時為移動機構提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓,為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等，在這一領域,一般采用化學電池作為移動電源,如鉛酸電池等。理想的電源在放電過程中應該能夠具備:保持恒定的電壓;內阻小以便快速放電;可

30、充電;成本低等特點。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點，由于室內移動機器人要求具有體積小!自重輕等特點,所以電源的體積重量也是一個重要的考慮因素,這就要求選擇一種體積小、容量大、可重復使用性高的電池,盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間，除了為吸塵器運動、吸塵及控制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,能夠自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務。蓄電池安裝時（ah）表示容量，在規(guī)定溫度下，放電充電和通常電源條件下，完全充電的電池所能輸出的標準電量，如1000mah表示電池在1000ma放電電流的條件下，具有的連續(xù)工作1小時的能力。質量效率是衡量蓄電池能量密度的指標，表示蓄電

31、池單位質量的輸出效率，質量效率的單位為ah/kg 。機器人使用蓄電池雖然摔掉了電纜卻有增加了負載和，和體積，因此追求質量效率有實際意義。普通蓄電池的質量效率不高，在3036ah/kg。新型蓄電池的質量效率在60100ah/kg。全自動吸塵器選用24v，10ah的蓄電池，也可以選用蓄電池組進行系統(tǒng)供電，為了便于蓄電池進行充電，將蓄電池的充電器和驅動電路集成一體，如圖4-1，是由整流二極管等組成的蓄電池充電電路。cpu 用5v以及電機12v電源電路：全自動吸塵器需要兩類電源，一類是供給數字ic單片機傳感器的工作電源，為+5v，同時需要一類為電機驅動電源，根據電機的要求，電壓在12v電流在幾a，兩類

32、電源當然可以分別供電，但是往往不經濟，并可能帶來安裝空間困難，用一組電池時，5v、12v電源可以從端子穩(wěn)壓器件變換后獲得。（圖 41 蓄電池充電器電路圖）（圖 42 穩(wěn)壓電源）圖4-2中的輸入電壓24v電源經芯片mpc2412hf和mpc2405hf分別獲得電壓12v和5v的 兩路電壓輸出，其中，+5v電壓的供電最好選用mpc24a05hf，而非ta78005ap，區(qū)別在前者最小輸入電壓是6v，或者7v。4.2 步進電機的原理及驅動電路4.2.1 步進電機的原理 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而

33、不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 步進電機分三種：永磁式（pm） ，反應式（vr）和混合式（hb） 永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰； 混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。 1

34、. 反應式步進電機（1）結構電機轉子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），電機定子有三個勵磁繞阻（a，b，c），a與齒1相對齊，b與齒2錯開1/3，c與齒3錯開2/3，a與齒5相對齊.。將定子和轉子展開如圖4-3所示： (圖表 43 步進電機結構圖)（2）旋轉如a相通電，b、c相不通電時，由于磁場作用，齒1與a對齊；如b相通電，a、c相不通電時，齒2應與b對齊，此時轉子向右移過1/3，此時齒3與c偏移為1/3，齒4與a偏移2/3；如c相通電，a、b相不通電，齒3應與c對齊，此時轉子又向右移過1/3，此時齒4與a偏移為1/3對齊；如a相通電，b、c相不通電，齒4與a對齊，轉子又向右移過1/3

35、。 這樣經過a、b、c、a分別通電，齒4移到a相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按a、b、c、a.通電，電機就向右旋轉；如按a、c、b、a通電，電機就向左轉。由此可見：電機的位置和速度由導電脈沖數和頻率成一一對應關系，而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用a-ab-b-bcc-ca-a這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細分驅動的基本理論依據。但經過理論分析及大量的實驗證明：細分數如果超過10，電機帶負載后，就會產生跳步和失步現象。 不難推出：電機定子上有m相

36、勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。（3）力矩電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量）。當轉子與定子錯開一定角度時，產生的吸引力 f=k*d/d成正比。其中磁通量=br*s（br=n*i/r為磁密，s為導磁面積，n*i為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）r為磁阻），為錯齒量，k為系數。可見，f與l*d*br成正比（ l為鐵芯有效長度，d為轉子直徑）。 力矩=f*d/2，因此，力矩與電機有效

37、體積*安匝數*磁密成正比（設為線性狀態(tài)），即電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。2.永磁式步進電機（永磁式）永磁式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行（必須采用雙極電壓驅動），而反應式電機則不能如此。 一個二相電機的內

38、部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。4.2.2 步進電機的特性1.步進電機的靜態(tài)指標術語相數：產生不同對極n、s磁場的磁極線圈對數，常用m表示。 拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍運行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a。 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表

39、示。=360度（轉子齒數j*運行拍數），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 每轉步數：電機每轉一轉所轉過的步數。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 保持扭矩：電機繞組通電不轉動時的最大輸出扭矩值。工作扭矩：電機繞組通電轉動時的最大輸出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，選電機是要以工作扭矩為選擇依據。 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何

40、尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。2.步進電機動態(tài)指標及術語（1）步距角精度步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。（2）失步失步電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。（3）失調角轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 （4）最大空載起動頻率電機在

41、某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 （5）最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。這個速度遠大于啟動頻率。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如圖4-4所示。其中，曲線3電流最大、或電壓最高；曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。111233頻率負載3左步進電機力轉距驅動器2（圖4-4 轉距圖）

42、4.2.3 步進電機的驅動1.單電壓驅動單電壓驅動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源進行對繞組供電，它的特點是電路結構簡單易于實現。它只有一個電源，電路中的限流電阻r1決定了時間常數，但r1太大會使繞組供電電流減小，這一矛盾不能解決時，會使電機的高頻性能下降，可在r1兩端并聯一個電容，以使電流的上升波形變陡，改善高頻特性，但這樣做又是低頻性能變差，單電壓驅動一般適合于小功率步進電機的驅動。2.雙電壓驅動 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣產生了雙電壓驅動。 雙電壓驅動有兩種方法：雙電壓法和高電壓法。雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅動，在高頻段使用較高的電壓

43、驅動。當電動機在低頻工作時，給t1低電平，使t1關閉，這時電動機的繞組由低電壓vl供電，控制脈沖通過t2使繞組得到低電壓脈沖電源。當電動機在高頻工作時，給t1高電平使t1打開，這時蓄流二極管反向截止，切斷低電壓源vl，電動機繞組由高電壓vh供電，控制脈沖通過t2使繞組得到高電壓。3.步進電機的其它驅動方式步進電機的驅動方式還有許多種，像斬波驅動、細分驅動、以及用集成電路進行驅動等，都可以完成步進電機的功能，結合具體情況加以選擇最合適的驅動方式。根據全自動吸塵器的需要以及降低成本。本次設計步進電機的驅動采用單電壓驅動，根據電源要求步進電機的供電電壓為12v，其驅動電路的原理與前面介紹的單電壓驅動

44、相同，其電路圖如圖4-5。左側輸入由單片機發(fā)出的脈沖， 經過反向器的反向控制，在低電平三極管導通，使光電隔離器工作從而使右側的三極管接通使步進電機的繞組通電，不斷的導通與斷開使步進電機開始工作旋轉。（圖 45 步進電機驅動電路）4.3 電動風機的工作原理及驅動4.3.1 電動風機的工作原理 全自動吸塵器主要是利用電動機帶動葉輪旋轉時,在密封殼體內產生空氣負壓,吸取塵埃碎屑，電動機和葉輪組合一體,稱為電動風機系統(tǒng),電動風機系統(tǒng)是全自動吸塵器中關鍵件，一般的家用吸塵器電動風機系統(tǒng)功率(輸入電功率)從幾十瓦到一千瓦以上,較大功率的電風機系統(tǒng)一般都采用單相串勵電動機驅動,電動風機系統(tǒng)在吸塵器工作時,工

45、況不斷變化風量最大時,吸入真空度為零,此時稱為電風機系統(tǒng)的短路狀態(tài);吸入真空度為最高時,風量最小此時稱為電風機系統(tǒng)的空載狀態(tài),電風機系統(tǒng)的最大輸入功率、最大流量、最大真空度等都是電風機系統(tǒng)的重要技術指標，而吸塵器在進行風箱試驗時,吸入口在0.5-0.875時常被認為是電風機系統(tǒng)的額定狀態(tài)。由于全自動吸塵器選用了車用吸塵器的風機樣式，所以全自動吸塵器的的風機由永磁直流電機和葉輪等部分組成，其基本結構和上面介紹的大功率風機結構相似，不同之處在于全自動吸塵器電動風機的電機是鐵氧體永磁直流電機，用12v直流電源供電，大功率風機用交流220v家用電源供電，全自(圖 48 吸塵器風機結構圖)動吸塵器的電動

46、風機和大功率風機一樣要求電動機有很高的轉速，轉速不低于10000r/min.表格41 電動風機主要參數型號空載轉速（r/min）額定轉速(r/min)轉矩（n.m）電流（a）額定電壓（v）功率（w）zyt28/1415500r/min12000r/min8.0mn.m1.55a12v8.6w4.3.2 電動風機的特性及驅動電路1.吸塵器風機的工作特性葉輪的外特性：通常吸塵器使用后傾式葉片的葉輪.葉輪旋轉時空氣從吸風口進入葉輪.再從葉輪外緣經導流板進入電機.最后排放大氣中.葉輪在一定轉速下吸塵器的風量口(m/s)和真空度h(pa)之間的關系稱葉輪外特性。在轉速一定時.葉輪產生的風量和真空度主要取

47、決少吸風口大小及風路中其他部分風阻有關。吸風口全部打開時葉輪有最大流量口，這時進風口與大氣直通，真空度為零。當吸風口全部關閉時，沒有空氣進入葉輪，此時流經葉輪的流量為零，但吸風口內有最大真空度hh與口之間的關系曲線如圖4-6.在不同轉速，外特性不同，產生的風量和真空度值不同，轉速越高，產生的風量和真空度值越大。(圖4-6 葉輪特性曲線)2.吸塵器電風機系統(tǒng)的運行電動風機采用鐵氧體永磁直流電機為轉動源,因此需要有直流電機驅動器對其進行驅動,通常直流電動機的驅動選用驅動電路,驅動電路及能控制流過電動機的電流大小又能驅動電動機的正反轉,驅動電路必須對照電動機的特性選定,為了旋轉電機,只要連接電動機的

48、電池即可,為了控制它,由晶體管組成開關電路, 電路如圖 4-7 由于輸入側為高電平,所以電動機旋轉. (圖4-7 電機驅動) 由于考慮到電機工作的穩(wěn)定性通過單片機控制驅動芯片的工作來使風機旋轉或停止,在這里選用l6203. (圖4-8 l6203管角圖 )這個電動機驅動器,導通電阻控制在0.3,且發(fā)熱小,使用簡單.供電電壓可以使用在48v,驅動電動機的平均電流可以達到4a.另外,峰值電流可以諧調到5a。有關這個ic引腳進行一下說明。圖4-8是l6203的外形，在引腳上標有名稱。out1、2端連接電動機，電源的正，負級分別連接vs、gnd。為了控制這時電動機正轉，反轉和停止，信號為enable引

49、腳和in1、in2引腳。設enable的引腳電壓為+5v時，可以控制電動機的旋轉。相反設電壓為0時，電機停轉，當in1引腳為+5v、in2引腳為0v時，電動機正轉，相反則反轉。第5章 全自動吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制5.1 全自動吸塵器工作過程分析全自動吸塵器的運動主要是沿直線行走，在使用時先將它放置在需要清潔空間的墻壁左側，這種方式就像我國規(guī)定的汽車通行方式一樣，吸塵器的右側靠近墻壁。當開關閉合后，全自動吸塵器向前沿直線行走，同時超聲波傳感器對墻壁等障礙進行檢測、熱釋電紅外線傳感器對人的活動進行檢測，當檢測到有人的存在時，全自動吸塵器會先停止前進而后有發(fā)聲器發(fā)聲音，當檢測到前面沒有人時會繼續(xù)前進，直到遇到墻壁為止，當遇到墻壁時全自動吸塵器會暫時停止前進，而后開始左傳（右側步進電機正轉、左側步進電機反轉，轉彎半徑近似為0），由數字羅盤引導轉道90度，而后前進一端距離（這段距離通過控制步進電機的步進轉角實現），同時超聲波傳感器檢測是否到了邊緣，如果到了邊緣則停止前進，向左旋轉到180度，然后前進，直到有墻壁存在時整個吸塵器停止工作，如果在轉過90度之后沿墻壁行走過程中走到了步進電機的步數后，吸塵器停止前進，向左旋轉直到180度，然后前進，同樣利用超聲波傳感器對墻壁等障礙進行檢測、熱釋電紅外線