全自動(dòng)吸塵器

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目：全自動(dòng)吸塵器專業(yè)方向 應(yīng)用電子 指導(dǎo)老師 張曉冉 摘要隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們的學(xué)習(xí)、工作越來(lái)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(lái)，就成了新一代家電所追求的目標(biāo)，而自動(dòng)化正是這一目標(biāo)的集中體現(xiàn)。本文介紹的全自動(dòng)吸塵器初步實(shí)現(xiàn)了無(wú)人情況下的自主工作方式。它自帶電源，利用了超聲波測(cè)距的原理，通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對(duì)墻壁等進(jìn)行判斷；通過以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上加以判斷，選定相應(yīng)的控制策略；通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)行走轉(zhuǎn)向等功能；通過紅外線熱

2、釋電傳感器對(duì)人的活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，減少人對(duì)吸塵器行走的影響。在吸塵器行走的同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對(duì)經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。關(guān)鍵詞: 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 超聲波傳感器 電子羅盤摘要.第1章 緒論.11.1家用吸塵器的原理.11.2 全自動(dòng)吸塵器的研究目的與意義.21.3 全自動(dòng)吸塵器的發(fā)展.3第2章 全自動(dòng)吸塵器控制部分設(shè)計(jì).32.1單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能.32.2電子羅盤的性能.52.3超聲波傳感器的原理及性能.62.4紅外線熱釋電傳感器的原理及性能.72.5整個(gè)控制系統(tǒng)的組成及工作原理.8第3章 全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算93.1 全自動(dòng)吸塵器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)9第4章 電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

3、.114.1供電電源的設(shè)計(jì).114.2步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動(dòng)電路.124.2.1步進(jìn)電機(jī)的原理.124.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性.144.2.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng).164.3電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng).174.3.1電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理.174.3.2電動(dòng)風(fēng)機(jī)的特性及驅(qū)動(dòng)電路.18第5章 全自動(dòng)吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制.205.1全自動(dòng)吸塵器工作過程分析.205.2步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào).205.3發(fā)生器的脈沖信號(hào).225.4系統(tǒng)的總體控制流程.22第六章 全自動(dòng)吸塵器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析.23總結(jié).24附錄.24附錄1 致謝24附錄2 參考文獻(xiàn).25- iii -畢業(yè)設(shè)計(jì)全自動(dòng)吸塵器第一章 緒論1.1家用吸塵器的原

4、理吸塵器是現(xiàn)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(xì)塵埃清掃干凈，塵埃總是從一處轉(zhuǎn)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(lái)做清潔工作就無(wú)此弊。吸塵器不但可以清潔地面，也可以用來(lái)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(shí)要經(jīng)過起塵、吸塵和濾塵三個(gè)階段。吸塵器一般包括吸塵器電機(jī)和風(fēng)機(jī)（電機(jī)多為串激整流子電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)是離心式風(fēng)機(jī)）、機(jī)身、吸塵管（手持式吸塵器的機(jī)身和吸塵管常聯(lián)為一體）控制電路、濾塵器（袋）和吸塵附件。一般吸塵器的電機(jī)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25

5、0w 以下，吸塵器工作時(shí)靠電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，使空氣高速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵部分的空氣不斷地補(bǔ)充風(fēng)機(jī)中的空氣，使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓差；在此壓差的作用下，吸塵器吸入含灰塵的空氣，并經(jīng)濾塵器過濾，排出清凈的空氣。負(fù)壓差越大風(fēng)量越大，則吸力也越大，而這時(shí)的電機(jī)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(yīng)用廣泛，特別是為了可以用于不同的場(chǎng)地和場(chǎng)所，需要配置不同規(guī)格的吸頭，這樣可分別用來(lái)清除地毯、衣物、沙發(fā)、各種物品及電子儀器上的塵屑，使用十分方便。當(dāng)然，也有一些是專門設(shè)計(jì)或?qū)Ｓ眯臀鼔m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

6、方形居多，分上、下兩部分，上部裝有電機(jī)，是動(dòng)力部分，下部為集塵箱。（2）臥式：長(zhǎng)方形或車型狀，有前后兩部分，前部為集塵箱，后部為電機(jī)部分。（3）便攜式，它一般有五種形式1) 肩式：體積較小，使用時(shí)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(wú)繩式: 吸塵器拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的電線, 極易糾纏不清。倘若是無(wú)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

7、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(dāng)基本絕緣破壞時(shí)，還有一層補(bǔ)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(xiǎn)。1.2 全自動(dòng)吸塵器的研究目的與意義今年來(lái),隨著中國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展,吸塵器的產(chǎn)銷量也大幅增加,在我國(guó)市場(chǎng)具有旺盛的生命力。隨著設(shè)會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展,人們的物質(zhì)和精神生活質(zhì)量的提高,迫切需要從繁重的清潔工作中解脫

8、出來(lái)由此誕生了一種家用服務(wù)型吸塵機(jī)器人,它將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái),實(shí)現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔,因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。目前在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家,吸塵機(jī)器人開發(fā)較早,應(yīng)用范圍也較廣,近兩年來(lái),已經(jīng)開發(fā)出多種面向市場(chǎng)的智能吸塵機(jī)器人。澳大利亞某公司研制出可自動(dòng)行駛并打掃房間的型機(jī)器人這種全自動(dòng)吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置搜索雷達(dá),可以搜索各種房間里的每一處,不會(huì)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能探測(cè)方向、選擇前進(jìn)路線的能力。只要將全自動(dòng)吸塵器放在地面上,它便可自動(dòng)開始工作。其搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)出距離最近的墻壁,先順著墻壁把地板四

9、周的灰塵及異物吸盡;然后再不規(guī)則地來(lái)回移動(dòng)于房間的其它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周圍配備了障礙物傳感器,因此可以在檢測(cè)墻壁及障礙物的同時(shí)打掃地面;當(dāng)打掃完可以行駛的場(chǎng)所后,機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源。不管房間的外形及面積的大小、導(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無(wú)遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行清潔工作,因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周圍,所以它要?jiǎng)?chuàng)建自己的空間參考圖,機(jī)器人不需要任何編程“教它應(yīng)該去哪里”。該機(jī)器人操作簡(jiǎn)單,僅有個(gè)按鈕:開始、結(jié)束以及暫停,人們只要簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)目前也已開始有關(guān)的研究開發(fā)工作,特別是在移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

10、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(jī)器人奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,將使人們能在無(wú)人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,該吸塵機(jī)器人如能大批量生產(chǎn)使成本降低,以低價(jià)格進(jìn)入市場(chǎng),將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)吸塵機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的是服務(wù)機(jī)器人。1.3 自動(dòng)吸塵器的發(fā)展前景盡管目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)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(guān)鍵技術(shù)問題急待解決。 目前,價(jià)格過高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場(chǎng)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(yùn)動(dòng)控制的數(shù)字處理芯片;其次,應(yīng)該看到藍(lán)牙技術(shù)在家電

11、行業(yè)的應(yīng)用前景,通過采用藍(lán)牙技術(shù)將過高的數(shù)字處理成本轉(zhuǎn)移到用戶的個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本降低在千元左右。未來(lái)的吸塵機(jī)器人將向自主式和人工智能化發(fā)展,因此必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù),研究對(duì)環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制器及高效的傳感器融合算法,是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性行為的機(jī)器人的關(guān)鍵。電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人研究工作的核心問題之一,除了為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、吸塵及控制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,能夠自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。在研究提高化學(xué)電池

12、使用壽命、縮小體積的同時(shí),一種新興的質(zhì)子交換膜燃料電池具有功率大、能量高、壽命長(zhǎng)和體積小等優(yōu)點(diǎn),為移動(dòng)電源提供了一種合適的電源,目前,上海某大學(xué)燃料電池研究所在這方面進(jìn)行著有益的嘗試。隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價(jià)格比的不斷提高或改進(jìn),相信在現(xiàn)有的軟硬件條件的基礎(chǔ)上,未來(lái)幾年內(nèi)就會(huì)推出價(jià)格適中的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人產(chǎn)品,進(jìn)而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶,為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。第二章 全自動(dòng)吸塵器控制部分設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能全自動(dòng)吸塵器的控制部分主要由單片機(jī)來(lái)完成，根據(jù)需要選用mc-51系列單片機(jī)中的8051作為控制器對(duì)整個(gè)全自動(dòng)吸塵器進(jìn)行控制，805

13、1是rom型單片機(jī)，內(nèi)含4k字節(jié)的rom。1主要特性：8051單片機(jī)是由cpu、存儲(chǔ)器、i/o接口等組成的微型計(jì)算機(jī)，它可以尋址64k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。如圖 21是8051單片機(jī)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(nèi)部ram.32可編程i/o線.兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí).可編程串行通道.低功耗的閑置和掉電模式.一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2管腳說(shuō)明：圖 2-1vcc：供電電壓。vss：接地。p0口：p0口為一個(gè)8位開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用

14、于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)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(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)

15、行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p3口：p3口管腳是8個(gè)內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)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： 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(shí)器0外部輸入） p3.5 t1（記時(shí)器1

16、外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ale/prog：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取值期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的psen信號(hào)將不出現(xiàn)。ea/vpp：當(dāng)/ea保持高電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)/ea端保持低電平時(shí)，此間不訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。xtal1：反向振蕩

17、放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。xtal2：來(lái)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(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，xtal2應(yīng)不接。若輸入內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(dòng)吸塵器的轉(zhuǎn)向需要電子羅盤進(jìn)行指引，在轉(zhuǎn)向過程中電子羅盤能將檢測(cè)到的方向角以脈沖的方式發(fā)出，通過單片機(jī)進(jìn)行判斷來(lái)完成預(yù)期的轉(zhuǎn)向目的。全自動(dòng)吸塵器選擇了可以不需要進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換的vector 2x數(shù)字電子羅盤oem板作

18、為導(dǎo)向工具引導(dǎo)它的轉(zhuǎn)向，完成它的行走吸塵等功能。vector 2x是美國(guó)pni ( precison navigationinc)公司以其電磁感應(yīng)設(shè)計(jì)專利技術(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)用于gps的輔助角位移測(cè)量、地面定向天線自動(dòng)伺服系統(tǒng)、機(jī)器人姿態(tài)傳感器及其它需要角度測(cè)量或指示的場(chǎng)合。該電子羅盤使用標(biāo)準(zhǔn)同步三線制串行總線作為數(shù)據(jù)接口，可以和mcs-51,motorola 68xxx.pic16cxx等多種系列單片機(jī)接口使用。通過引腳可選擇輸出數(shù)據(jù)格式是二進(jìn)制或十進(jìn)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(diǎn)，主要

19、特性為:.2軸，二維水平應(yīng)用，功耗低、精度高等特點(diǎn);.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(shí)3ma; .分辨率10，精度20，有校準(zhǔn)模式控制端;.標(biāo)準(zhǔn)cmos接口電平;.三線制串行i/o接口(摩托羅拉 spi格式兼容);.數(shù)據(jù)輸出bcd、二進(jìn)制可選;.高分辨率數(shù)據(jù)刷新率2.5hz;.方向角數(shù)據(jù)輸出與原始x, y分量輸出可選。2.3超聲波傳感器的原理及性能全自動(dòng)吸塵器對(duì)墻壁等障礙的判斷主要是通過超聲波傳感器來(lái)完成的，超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超

20、聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 1. 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)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(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、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(jié)構(gòu)）圖） 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際是利用壓電晶體的諧振來(lái)

21、工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成了超聲波接收裝置。全自動(dòng)吸塵器選用了壓電陶瓷式超聲波傳感器，在超聲波信號(hào)發(fā)射側(cè)使用t40-16，在信號(hào)接受側(cè)使用r40-16，發(fā)射信號(hào)側(cè)由40hz的通信電路、控制on-off及驅(qū)動(dòng)電路組成，接收信號(hào)側(cè)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(duì)測(cè)定物體成

22、直角安裝。 （圖2-4 超聲波傳感器電路圖）傳感器的調(diào)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(diǎn)一致，通過可變電阻還可以改變比較電壓，由此來(lái)調(diào)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(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高敏度探測(cè)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可以驅(qū)動(dòng)各控制電路,如用于“電源開關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自勁監(jiān)泌等。”熱釋電紅外傳感器不僅適用于防盜報(bào)警場(chǎng)所，亦適于對(duì)人體傷害極為嚴(yán)重的商壓電及x射線、射線自動(dòng)報(bào)警等。熱釋電傳感器利用熱釋電效應(yīng)來(lái)檢測(cè)受光面的溫度升高值，得知光

23、的輻射弧度，工作在紅外波段內(nèi)。這種傳感器在常溫下工作穩(wěn)定可靠，使用簡(jiǎn)單，時(shí)間響應(yīng)能到微秒級(jí)，已得到廣泛使用。熱釋電紅外線傳感器的結(jié)構(gòu)由地電極、壓環(huán)、環(huán)形電極、pydf、彈簧等部分組成.全自動(dòng)吸塵器為了能夠檢測(cè)人的活動(dòng)，減少人對(duì)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(yīng)，內(nèi)部具有2個(gè)紅外線傳感器，消除背景變化連接使用，為此，近人活動(dòng)時(shí)反應(yīng)，能夠輸出。am111傳感器，內(nèi)部裝好了放大器當(dāng)然在需要時(shí)還可以在外接運(yùn)算放大器，如圖 2-5 所示，用補(bǔ)加電阻就可以輸出，其共有3個(gè)管角，分別為信號(hào)、vcc、gnd，在全自動(dòng)吸塵器中它以開關(guān)量的方

24、式向單片機(jī)提供信號(hào)。 （圖2-5 熱釋電傳感器電路圖）2.5 整個(gè)控制系統(tǒng)的組成及工作原理全自動(dòng)吸塵器的整個(gè)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(jī)算計(jì)部分（單片機(jī)8051）、等部分組成。該全自動(dòng)塵器利用了超聲波測(cè)距的原理（如圖2-6所示），通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對(duì)障礙物進(jìn)行判斷；通過以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上加以判斷，選定相應(yīng)的控制策略；利用電子羅盤進(jìn)行方向的判斷，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)器驅(qū)動(dòng)動(dòng)兩步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)避障。全自動(dòng)吸塵器的紅外線傳感器能檢測(cè)人得存在，在

25、檢測(cè)到人存在時(shí)會(huì)給單片機(jī)一個(gè)電信號(hào)，單片機(jī)控制吸塵器停止前進(jìn)并同時(shí)控制發(fā)聲器發(fā)出聲音，讓人能夠離開。功能全自動(dòng)吸塵器實(shí)際上是一個(gè)行走機(jī)器人和吸塵器的組合體，吸塵器行走的同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對(duì)經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。 單片機(jī)作為控制源產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)超聲波傳感器與紅外線傳感器的信號(hào)，數(shù)字羅盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)同樣也輸出給單片機(jī)，由單片機(jī)完成信號(hào)的處理過程，可以說(shuō)全自動(dòng)吸塵器的控制系統(tǒng)是以單片機(jī)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(jī)自帶電源發(fā)聲器驅(qū)動(dòng)器左步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器右步進(jìn)電機(jī)吸塵部件電子羅盤（ 圖2-6 控制系統(tǒng)原理 ）第三章 全自動(dòng)洗塵囂的結(jié)構(gòu)設(shè)

26、計(jì)3.1 全自動(dòng)吸塵器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)全自動(dòng)吸塵器的驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪（后輪），從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)，而采用了應(yīng)用非常廣泛的萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖3-4）。 通過改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施加相同或不同脈沖信號(hào)時(shí)，通過差速方式，可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)）。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速

27、度可通過改變單片機(jī)的程序來(lái)調(diào)節(jié) 。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(dòng)吸塵器行走平穩(wěn)，而且有很高的效率，設(shè)計(jì)車輪的直徑為8cm,（圖4 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖）則由公式（31）u=cn （31）式中 c車輪的周長(zhǎng)（cm） n車輪的轉(zhuǎn)速（r/min）n=u/c12r/min1.全自動(dòng)吸塵器的阻力計(jì)算設(shè)計(jì)全自動(dòng)吸塵器的質(zhì)量在3kg則;后車輪的的阻力矩由公式（32） t=mgfr （32）f滾動(dòng)摩擦系數(shù)由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)表11-7取0.05（k/cm)t=39.80.0554=6.468n/m2.全自動(dòng)吸塵器的前輪阻力矩t0=mgfr=39.80.05

28、50.5=0.8n/m3.深溝球軸承的摩擦力臂t1= mgf1rf1=0.02k/cm ,由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)表11-9選取.t1=0.025n/cm;根據(jù)供電電壓為12v選取步進(jìn)電極電機(jī),根據(jù)小功率電機(jī)手冊(cè),選擇永磁式步進(jìn)電機(jī),其具體參數(shù)如下:表3-1。表格 3-1 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)型號(hào)相數(shù)額定電壓(v)電流（a）保持轉(zhuǎn)矩（mn/cm）步近角()57byg005412v0.4a254.97mn/cm1.8第四章 電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)4.1 供電電源的設(shè)計(jì)全自動(dòng)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(shí)現(xiàn)無(wú)人控制，而且工作時(shí)較靈活。一次

29、充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。移動(dòng)電源在全自動(dòng)吸塵機(jī)器中的地位十分重要,可以說(shuō)它是吸塵機(jī)器人的“生命源”，移動(dòng)電源需同時(shí)為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)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(cè)模塊提供能源等，在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源,如鉛酸電池等。理想的電源在放電過程中應(yīng)該能夠具備:保持恒定的電壓;內(nèi)阻小以便快速放電;可充電;成本低等特點(diǎn)。但實(shí)際上沒有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)，由于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人要求具有體積小!自重輕等特點(diǎn),所以電源的體積重量也是一個(gè)重要的考慮因素,這就要求選擇一種體積小、容量大、可重復(fù)使用性高的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間，除了為吸塵器運(yùn)動(dòng)、吸塵及控

30、制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,能夠自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。蓄電池安裝時(shí)（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(biāo)準(zhǔn)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(shí)的能力。質(zhì)量效率是衡量蓄電池能量密度的指標(biāo)，表示蓄電池單位質(zhì)量的輸出效率，質(zhì)量效率的單位為ah/kg 。機(jī)器人使用蓄電池雖然摔掉了電纜卻有增加了負(fù)載和，和體積，因此追求質(zhì)量效率有實(shí)際意義。普通蓄電池的質(zhì)量效率不高，在3036ah/kg。新型蓄電池的質(zhì)量效率在60100ah/kg。全自動(dòng)吸塵器選用24v，10ah的蓄電池

31、，也可以選用蓄電池組進(jìn)行系統(tǒng)供電，為了便于蓄電池進(jìn)行充電，將蓄電池的充電器和驅(qū)動(dòng)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(jī)12v電源電路：全自動(dòng)吸塵器需要兩類電源，一類是供給數(shù)字ic單片機(jī)傳感器的工作電源，為+5v，同時(shí)需要一類為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，根據(jù)電機(jī)的要求，電壓在12v電流在幾a，兩類電源當(dāng)然可以分別供電，但是往往不經(jīng)濟(jì)，并可能帶來(lái)安裝空間困難，用一組電池時(shí)，5v、12v電源可以從端子穩(wěn)壓器件變換后獲得。（圖 42 蓄電池充電器電路圖）（圖 43 穩(wěn)壓電源）圖4-2中的輸入電壓24v電源經(jīng)芯片mpc2412hf和mpc2405hf分別獲得電壓12v

32、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(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動(dòng)電路4.2.1步進(jìn)電機(jī)的原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（pm） ，反應(yīng)式（vr）和混合式（hb）永磁式步進(jìn)一般為兩

33、相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度； 反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰； 混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 1. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（1）結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），電機(jī)定子有三個(gè)勵(lì)磁繞阻（a，b，c），a與齒1相對(duì)齊，b與齒2錯(cuò)開1/3，c與齒3錯(cuò)開2/3，a與齒5相對(duì)齊.。將定子和轉(zhuǎn)子展開如圖4-3所示： (圖表 43 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖)（2）旋轉(zhuǎn)如a相通電，b

34、、c相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與a對(duì)齊；如b相通電，a、c相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與b對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時(shí)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(yīng)與c對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時(shí)齒4與a偏移為1/3對(duì)齊；如a相通電，b、c相不通電，齒4與a對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3。 這樣經(jīng)過a、b、c、a分別通電，齒4移到a相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按a、b、c、a.通電，電機(jī)就向右旋轉(zhuǎn)；如按a、c、b、a通電，電機(jī)就向左轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電脈沖數(shù)和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減

35、少角度等方面考慮，往往采用a-ab-b-bcc-ca-a這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)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(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過理論分析及大量的實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)分?jǐn)?shù)如果超過10，電機(jī)帶負(fù)載后，就會(huì)產(chǎn)生跳步和失步現(xiàn)象。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。（3）力矩電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將

36、產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量）。當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度時(shí)，產(chǎn)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(dǎo)磁面積，n*i為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）r為磁阻），為錯(cuò)齒量，k為系數(shù)。可見，f與l*d*br成正比（ l為鐵芯有效長(zhǎng)度，d為轉(zhuǎn)子直徑）。力矩=f*d/2，因此，力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（設(shè)為線性狀態(tài)），即電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。2.永磁式步進(jìn)電機(jī)（永磁式）永磁式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作

37、點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的特性1.步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極n

38、、s磁場(chǎng)的磁極線圈對(duì)數(shù)，常用m表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍運(yùn)行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a。步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)j*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。每轉(zhuǎn)步數(shù)：電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過的步數(shù)。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的

39、鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。保持扭矩：電機(jī)繞組通電不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大輸出扭矩值。工作扭矩：電機(jī)繞組通電轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大輸出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，選電機(jī)是要以工作扭矩為選擇依據(jù)。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。2.步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)（1）步距角精度步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步

40、距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。（2）失步失步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。（3）失調(diào)角轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。（4）最大空載起動(dòng)頻率電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。（5）最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。這個(gè)速度遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平

41、均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)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(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。111233頻率負(fù)載3左步進(jìn)電機(jī)力轉(zhuǎn)距驅(qū)動(dòng)器2（圖4-4 轉(zhuǎn)距圖）4.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)1.單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源進(jìn)行對(duì)繞組供電，它的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。它只有一個(gè)電源，電路中的限流電阻r1決定了時(shí)間常數(shù)，但r1太大會(huì)使繞組供電電流減小，這一矛盾不能解決時(shí)，會(huì)使電機(jī)的高頻性能下降，可在r1兩端并聯(lián)一個(gè)電容，以使電流的上升

42、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(qū)動(dòng)一般適合于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。2.雙電壓驅(qū)動(dòng) 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(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動(dòng)。 雙電壓驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在低頻工作時(shí)，給t1低電平，使t1關(guān)閉，這時(shí)電動(dòng)機(jī)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(dāng)電動(dòng)機(jī)在高頻工作時(shí)，給t1高電平使t1打開，這時(shí)蓄流二極管反向截止，切斷低電壓源vl，電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)的其它驅(qū)動(dòng)方式

43、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式還有許多種，像斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)、以及用集成電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)等，都可以完成步進(jìn)電機(jī)的功能，結(jié)合具體情況加以選擇最合適的驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)全自動(dòng)吸塵器的需要以及降低成本。本次設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用單電壓驅(qū)動(dòng)，根據(jù)電源要求步進(jìn)電機(jī)的供電電壓為12v，其驅(qū)動(dòng)電路的原理與前面介紹的單電壓驅(qū)動(dòng)相同，其電路圖如圖4-5。左側(cè)輸入由單片機(jī)發(fā)出的脈沖， 經(jīng)過反向器的反向控制，在低電平三極管導(dǎo)通，使光電隔離器工作從而使右側(cè)的三極管接通使步進(jìn)電機(jī)的繞組通電，不斷的導(dǎo)通與斷開使步進(jìn)電機(jī)開始工作旋轉(zhuǎn)。（圖 45 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路）4.3 電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)4.3.1 電動(dòng)風(fēng)機(jī)的原理全自動(dòng)吸塵器主要是利

44、用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí),在密封殼體內(nèi)產(chǎn)生空氣負(fù)壓,吸取塵埃碎屑，電動(dòng)機(jī)和葉輪組合一體,稱為電動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng),電動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是全自動(dòng)吸塵器中關(guān)鍵件，一般的家用吸塵器電動(dòng)風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般都采用單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),電動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在吸塵器工作時(shí),工況不斷變化風(fēng)量最大時(shí),吸入真空度為零,此時(shí)稱為電風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的短路狀態(tài);吸入真空度為最高時(shí),風(fēng)量最小此時(shí)稱為電風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的空載狀態(tài),電風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的最大輸入功率、最大流量、最大真空度等都是電風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，而吸塵器在進(jìn)行風(fēng)箱試驗(yàn)時(shí),吸入口在0.5-0.875時(shí)常被認(rèn)為是電風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的額定狀態(tài)。由于全自動(dòng)吸塵器選用了

45、車用吸塵器的風(fēng)機(jī)樣式，所以全自動(dòng)吸塵器的的風(fēng)機(jī)由永磁直流電機(jī)和葉輪等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)和上面介紹的大功率風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于全自動(dòng)吸塵器電動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)是鐵氧體永磁直流電機(jī)，用12v直流電源供電，大功率風(fēng)機(jī)用交流220v家用電源供電，全自動(dòng)吸塵器的電動(dòng)風(fēng)機(jī)和大功率風(fēng)機(jī)一樣要求電動(dòng)機(jī)有很高的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速不低于10000r/min.表格41 電動(dòng)風(fēng)機(jī)主要參數(shù)型號(hào)空載轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)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(dòng)風(fēng)機(jī)的特性及驅(qū)動(dòng)電路1.吸塵器風(fēng)機(jī)

46、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(zhuǎn)時(shí)空氣從吸風(fēng)口進(jìn)入葉輪.再?gòu)娜~輪外緣經(jīng)導(dǎo)流板進(jìn)入電機(jī).最后排放大氣中.葉輪在一定轉(zhuǎn)速下吸塵器的風(fēng)量口(m/s)和真空度h(pa)之間的關(guān)系稱葉輪外特性。在轉(zhuǎn)速一定時(shí).葉輪產(chǎn)生的風(fēng)量和真空度主要取決少吸風(fēng)口大小及風(fēng)路中其他部分風(fēng)阻有關(guān)。吸風(fēng)口全部打開時(shí)葉輪有最大流量口，這時(shí)進(jìn)風(fēng)口與大氣直通，真空度為零。當(dāng)吸風(fēng)口全部關(guān)閉時(shí)，沒有空氣進(jìn)入葉輪，此時(shí)流經(jīng)葉輪的流量為零，但吸風(fēng)口內(nèi)有最大真空度hh與口之間的關(guān)系曲線如圖4-6.在不同轉(zhuǎn)速，外特性不同，產(chǎn)生的風(fēng)量和真空度值不同，轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的風(fēng)量和真空度值越大。(圖4-6 葉輪特性曲線)2.

47、吸塵器電風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行電動(dòng)風(fēng)機(jī)采用鐵氧體永磁直流電機(jī)為轉(zhuǎn)動(dòng)源,因此需要有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通常直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路及能控制流過電動(dòng)機(jī)的電流大小又能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)電路必須對(duì)照電動(dòng)機(jī)的特性選定,為了旋轉(zhuǎn)電機(jī),只要連接電動(dòng)機(jī)的電池即可,為了控制它,由晶體管組成開關(guān)電路, 電路如圖 4-7 由于輸入側(cè)為高電平,所以電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn).(圖4-7 電機(jī)驅(qū)動(dòng))由于考慮到電機(jī)工作的穩(wěn)定性通過單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片的工作來(lái)使風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)或停止,在這里選用l6203. (圖4-8 l6203管角圖 )這個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,導(dǎo)通電阻控制在0.3,且發(fā)熱小,使用簡(jiǎn)單.供電電壓可以使用在48v,驅(qū)動(dòng)

48、電動(dòng)機(jī)的平均電流可以達(dá)到4a.另外,峰值電流可以諧調(diào)到5a。有關(guān)這個(gè)ic引腳進(jìn)行一下說(shuō)明。圖4-8是l6203的外形，在引腳上標(biāo)有名稱。out1、2端連接電動(dòng)機(jī)，電源的正，負(fù)級(jí)分別連接vs、gnd。為了控制這時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止，信號(hào)為enable引腳和in1、in2引腳。設(shè)enable的引腳電壓為+5v時(shí)，可以控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。相反設(shè)電壓為0時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，當(dāng)in1引腳為+5v、in2引腳為0v時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，相反則反轉(zhuǎn)。第五章 全自動(dòng)吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制5.1全自動(dòng)吸塵器工作過程分析全自動(dòng)吸塵器的運(yùn)動(dòng)主要是沿直線行走，在使用時(shí)先將它放置在需要清潔空間的墻壁左側(cè)，這種方式就像我國(guó)規(guī)定的

49、汽車通行方式一樣，吸塵器的右側(cè)靠近墻壁。當(dāng)開關(guān)閉合后，全自動(dòng)吸塵器向前沿直線行走，同時(shí)超聲波傳感器對(duì)墻壁等障礙進(jìn)行檢測(cè)、熱釋電紅外線傳感器對(duì)人的活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到有人的存在時(shí)，全自動(dòng)吸塵器會(huì)先停止前進(jìn)而后有發(fā)聲器發(fā)聲音，當(dāng)檢測(cè)到前面沒有人時(shí)會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到墻壁為止，當(dāng)遇到墻壁時(shí)全自動(dòng)吸塵器會(huì)暫時(shí)停止前進(jìn)，而后開始左傳（右側(cè)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、左側(cè)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎半徑近似為0），由數(shù)字羅盤引導(dǎo)轉(zhuǎn)道90度，而后前進(jìn)一端距離（這段距離通過控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)），同時(shí)超聲波傳感器檢測(cè)是否到了邊緣，如果到了邊緣則停止前進(jìn)，向左旋轉(zhuǎn)到180度，然后前進(jìn)，直到有墻壁存在時(shí)整個(gè)吸塵器停止工作，如果在

50、轉(zhuǎn)過90度之后沿墻壁行走過程中走到了步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)后，吸塵器停止前進(jìn)，向左旋轉(zhuǎn)直到180度，然后前進(jìn)，同樣利用超聲波傳感器對(duì)墻壁等障礙進(jìn)行檢測(cè)、熱釋電紅外線傳感器對(duì)人的活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到有人的存在時(shí)，全自動(dòng)吸塵器會(huì)先停止前進(jìn)而后有發(fā)聲器發(fā)聲音，當(dāng)檢測(cè)到前面沒有人時(shí)會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到墻壁為止，當(dāng)遇到墻壁時(shí)全自動(dòng)吸塵器會(huì)暫時(shí)停止前進(jìn)，而后開始右傳（這時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與前面相反），直到轉(zhuǎn)會(huì)到90度，而后前進(jìn)一段距離，同時(shí)超聲波傳感器檢測(cè)是否到了邊緣，如果到了邊緣則停止前進(jìn)，向右旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)回到0度，然后前進(jìn)，直到有墻壁存在時(shí)整個(gè)吸塵器停止工作，如果在轉(zhuǎn)過90度之后沿墻壁行走過程中走到了步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)后，

51、吸塵器停止前進(jìn)，向右旋轉(zhuǎn)直回到0度，在不斷的重復(fù)前面的過成，直到將整個(gè)清潔區(qū)打掃干凈，實(shí)際上全自動(dòng)吸塵器的轉(zhuǎn)向?yàn)?次左轉(zhuǎn)、2次右轉(zhuǎn)的循環(huán)。5.2 步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)全自動(dòng)吸塵器系統(tǒng)中，單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)經(jīng)過pmm8713脈沖分配器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)分配給步進(jìn)電機(jī)的四相，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過改變脈沖頻率可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度，用改變 pmm8713脈沖分配器控制信號(hào)的高低，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的方法可有兩種:第一種是通過軟件延時(shí)的方法。改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率；但這種方法使cpu長(zhǎng)時(shí)間等待占用大量機(jī)時(shí)，因此沒有實(shí)用價(jià)值。第二種是通過定時(shí)器中斷的方法。在

52、中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法占用cfu時(shí)間較少，在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn)，是一種比較實(shí)用的調(diào)速方法。全自動(dòng)吸塵器的的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速使用定時(shí)器法利用定時(shí)器進(jìn)行工作。根據(jù)脈沖頻率40hz和單片機(jī)的機(jī)器周期來(lái)計(jì)算定時(shí)常數(shù)這個(gè)定時(shí)常數(shù)決定了定時(shí)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生溢出時(shí)發(fā)生中斷在中斷子程序中進(jìn)行改變p1.0電平狀態(tài)的操作，這樣就可以得到一個(gè)給定頻率的方波輸出。改變定時(shí)常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。使用定時(shí)器to，工作方式l。全自動(dòng)吸塵器的步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率由公式(51)為： f= (51)=40hz用于改變速度的定時(shí)常數(shù)存放在內(nèi)部ram 30h(低8位)和31h(高8位)中，則定時(shí)器中斷服務(wù)子程序?yàn)椋篴a： cpl p1.0 ；改變p10電平狀態(tài)push acc ；累加器a進(jìn)錢push