全自動(dòng)的吸塵器的設(shè)計(jì)論文

1、XXXXXXXXXX畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）設(shè)計(jì)(論文)題目：全自動(dòng)吸塵器摘要隨著社會(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)紅外線(xiàn)

2、熱釋電傳感器對(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(guò)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(pán)目錄摘要IVAbstractV第 1 章緒論11.1家用吸塵器的原理11.1.1 家用吸塵器的分類(lèi)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)42.1 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能42.2 電子羅盤(pán)的性能62.3 超聲波傳感器的原理及性能72.4 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器的原理及性能82.5 整個(gè)控制系統(tǒng)的組成及工作原理9第 3 章全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)113.1 全自動(dòng)吸塵器外

3、殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)113.2 全自動(dòng)吸塵器吸塵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.3全自動(dòng)吸塵器行走部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.3.1 全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算14第 4 章電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)194.1 供電電源的設(shè)計(jì)194.2 步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動(dòng)電路204.2.1 步進(jìn)電機(jī)的原理204.2.2 步進(jìn)電機(jī)的特性224.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)244.3 電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)254.3.1 電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理254.3.2 電動(dòng)風(fēng)機(jī)的特性及驅(qū)動(dòng)電路26第 5 章全自動(dòng)吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制295.1 全自動(dòng)吸塵器工作過(guò)程分析295.2 步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)295.3 發(fā)生器的脈沖信號(hào)315.4系統(tǒng)的總體控制流程32第 6

4、 章 全自動(dòng)吸塵器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析33結(jié)論34致謝35參考文獻(xiàn)36第 1 章緒 論1.1 家用吸塵器的原理吸塵器是現(xiàn)代家庭中受到人們廣泛喜愛(ài)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?？偸菑囊惶庌D(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(guò)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

5、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 250W 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(guò)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。

6、當(dāng)然，也有一些是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)或?qū)Ｓ眯臀鼔m器。1.1.1家用吸塵器的分類(lèi)1.按形狀大小分類(lèi)（1）立式：呈圓桶形或方形居多，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(chē)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(xiàn), 極易糾纏不清。倘若是無(wú)繩式的吸

7、塵器，則可以避免上述情況的發(fā)生。2.按功能分類(lèi)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(lèi)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(lèi)（1）類(lèi)吸塵器，額定電壓超過(guò) 42 伏，只有基本絕緣。（2）類(lèi)吸塵器，額定電壓超過(guò) 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(lèi)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(xiāo)量也大幅增

8、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(xiě)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(kāi)發(fā)較早,應(yīng)用范圍也較廣,近兩年來(lái),已經(jīng)開(kāi)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

9、前進(jìn)路線(xiàn)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(kāi)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?chē)鋫淞苏系K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?chē)?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(kāi)始、結(jié)束以及暫停,

10、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(kāi)始按鈕即可。國(guó)內(nèi)目前也已開(kāi)始有關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作,特別是在移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方面取得了一定的成就,為研究開(kāi)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 全自動(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(kāi)發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過(guò)高和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題急待解決。目前,價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)

11、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(kāi)發(fā)智能傳感器、專(zhuān)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)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理成本轉(zhuǎn)移到用戶(hù)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(wèn)題之一,除了為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、

12、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(hù),為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀(guān)的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。第 2 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

13、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，8051 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8051 單片機(jī)是一種功能很強(qiáng)的 8 位微型機(jī)。如圖2-1 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(xiàn).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

14、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：VCC：供電電壓。VSS：接地。P0 口：P0 口為一個(gè) 8 位開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(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(mén)電流。P1 口管腳寫(xiě)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。（

15、 圖 2-18051 單片機(jī)）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(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“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)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(xiě)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(mén)電流。當(dāng)

16、P3 口寫(xiě)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 外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)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(fǎng)

17、問(wèn)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(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(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

18、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(guò)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(pán)的性能全自動(dòng)吸塵器的轉(zhuǎn)向需要電子羅盤(pán)進(jìn)行指引，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中電子羅盤(pán)能將檢測(cè)到的方向角以脈沖的方式發(fā)出，通過(guò)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(pán) OEM 板作為導(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(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的一種

19、高精度低成本的 2 軸電子羅盤(pán) 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(xiàn)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(pán)使用標(biāo)準(zhǔn)同步三線(xiàn)制串行總線(xiàn)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(guò)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(pán))該 OEM 板具有體積小等優(yōu)點(diǎn)，主要特性為:.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

20、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(xiàn)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(guò)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(guò)超聲波來(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，

21、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。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)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)）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)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

22、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(guò)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

23、過(guò)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(xiàn)熱釋電傳感器的原理及性能熱釋電外線(xiàn)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(xiàn)或人射外線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)、射線(xiàn)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

24、使用。熱釋電紅外線(xiàn)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(xiàn)反應(yīng)，內(nèi)部具有 2 個(gè)紅外線(xiàn)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(kāi)關(guān)量的方式向單片機(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

25、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(xiàn)熱釋電傳感器、電子羅盤(pán)）、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(guò)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(guò)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(pán)進(jìn)行方向的判斷，通過(guò)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(xiàn)傳感器能檢測(cè)人得存在，在檢測(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

26、聲音，讓人能夠離開(kāi)。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(guò)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(xiàn)傳感器的信號(hào)，數(shù)字羅盤(pán)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(guò)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。（圖 2-6 控制系統(tǒng)原理圖 ）發(fā)聲器電子羅盤(pán)超聲波接收單端驅(qū)動(dòng)器左步進(jìn)電機(jī)第 3 章全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1.1全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算全自動(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

27、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(guò)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(guò)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)彎的速度可通過(guò)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

28、塵器行走平穩(wěn)，而且有很高的效率，設(shè)計(jì)車(chē)輪的直徑為 8cm,驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)輪左側(cè)步進(jìn)電機(jī)右側(cè)步進(jìn)電機(jī)則由公式（31）( 圖 -4 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖)U=CN（31）式中C車(chē)輪的周長(zhǎng)（cm） N車(chē)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(chē)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3.深溝球軸承的摩擦力臂T0=mgfr=39.80.0550.5=0.8N/mT1= mgf1Rf1=0.02k

29、/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 4 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(xiàn)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

30、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(guān)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(guò)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(méi)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

31、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，也可以選用蓄電池組進(jìn)行系統(tǒng)供電，為了便于蓄電池

32、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(lèi)電源，一類(lèi)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(lèi)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(lèi)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 4-2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 和 5V 的兩路電壓輸出，其中，+5V 電

33、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€(xiàn)位移的開(kāi)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(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)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)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為

34、 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(kāi) 1/3 ，C 與齒 3 錯(cuò)開(kāi) 2/3 ，A 與齒 5 相對(duì)齊.。將定子和轉(zhuǎn)子展開(kāi)如圖 4-3 所示：（2）旋轉(zhuǎn)(圖表 4-3 步進(jìn)電

35、機(jī)結(jié)構(gòu)圖)如 A 相通電，B、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(guò) 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(guò) 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(guò) 1/3 。這樣經(jīng)過(guò) 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(guò)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

36、、B、A通電，電機(jī)就向左轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)：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(guò)，出于對(duì)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(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3 改變?yōu)?1/6 。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3 變?yōu)?1/12 ，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(guò)理論分析及大量的實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)分?jǐn)?shù)如果超過(guò) 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(xiàn)分別與轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)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

37、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)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量 ）。當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)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)?？梢?jiàn)，F(xiàn) 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(xiàn)性狀態(tài)），即電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定

38、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(guò)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

39、用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線(xiàn)為八根引線(xiàn)（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、S 磁場(chǎng)的磁極線(xiàn)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(guò)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(guò)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

40、 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(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗稱(chēng)半步）。每轉(zhuǎn)步數(shù)：電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)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

41、安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)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(guò)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?xún)?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(chēng)之為失步。（3）失調(diào)角轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)偏移定子齒軸線(xiàn)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

42、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(xiàn) 3 電流最大、或電壓最高；曲線(xiàn) 1 電流最小、或電壓最低， 曲線(xiàn)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)。4.2.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)1.單電壓驅(qū)動(dòng)113（圖 4-4轉(zhuǎn)距圖）23轉(zhuǎn)3距負(fù)載單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用

43、一個(gè)電壓電源進(jìn)行對(duì)繞組供電，它的特點(diǎn)頻率是電路結(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)

44、機(jī)的繞組由低電壓 VL供電，控制脈沖通過(guò) 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(kāi)，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(guò) 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

45、單片機(jī)發(fā)出的脈沖， 經(jīng)過(guò)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(kāi)使步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作旋轉(zhuǎn)。（圖 4-5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)的工作原理全自動(dòng)吸塵器主要是利用電動(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(chēng)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)

46、稱(chēng)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(chēng)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)吸塵器選用了車(chē)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 10

47、000r/min.表格 4-1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)(圖 4-8吸塵器風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖)的特性及驅(qū)動(dòng)電路1.吸塵器風(fēng)機(jī)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(chēng)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

48、部分風(fēng)阻有關(guān)。吸風(fēng)口全部打開(kāi)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(méi)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 H-H 與口之間的關(guān)系曲線(xiàn)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。2.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(guò)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(kāi)關(guān)電路

49、, 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(guò)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 4-8L6203 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 W ,且發(fā)熱小,使用簡(jiǎn)單.供電電壓可以使用在48V,驅(qū)動(dòng)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(chēng)。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 I

50、N1、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 5 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(guò)程分析全自動(dòng)吸塵器的運(yùn)動(dòng)主要是沿直線(xiàn)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)定的汽車(chē)通行方式一樣，吸塵器的右側(cè)靠近墻壁。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合后，全自動(dòng)吸塵器向前沿直線(xiàn)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(xiàn)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

51、沒(méi)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(kāi)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(pán)引導(dǎo)轉(zhuǎn)道 90 度，而后前進(jìn)一端距離（這段距離通過(guò)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， 如果在轉(zhuǎn)過(guò) 90 度之后沿墻壁行走過(guò)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(xiàn)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

52、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(méi)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(kāi)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(guò)90 度之后沿墻壁行走過(guò)程中走到了步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)后，吸塵器停止前進(jìn)，向右旋轉(zhuǎn)直回到0 度，在不斷的重復(fù)前面的過(guò)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)?2 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)

53、經(jīng)過(guò) 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(guò)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(guò)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(méi)有實(shí)用價(jià)值。第二種是通過(guò)定時(shí)器中斷的方法。在中斷服務(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

54、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=12 3601.8 60=40HZ(51)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)椋篈A：CPLP1.0：改變 P1o 電平狀態(tài)PUSHACC；累加器 A 進(jìn)錢(qián)

55、PUSHPSWCLRCCLRTR0；停定時(shí)器MOVA，TL0；取 TL0 當(dāng)前值A(chǔ)DDA，#08H；加 8 個(gè)機(jī)器周期A(yíng)DDA，30H；加定時(shí)常數(shù)(低 8 位)MOVTL0，A；重裝定時(shí)常數(shù)(低 B 位)MOVA，TH0；取 THo 當(dāng)前值A(chǔ)DDCA，31H；加定時(shí)常效(高 8 位)MOVTH0，A；重裝定時(shí)常數(shù)(高 8 位)SETBTR0；開(kāi)定時(shí)器POPPSWPOPACCRETI；返回定時(shí)器，采用了精確定時(shí)的方法。因?yàn)橹袛噙^(guò)程和中斷服務(wù)程序執(zhí)行過(guò)程都要花一定的時(shí)間、這些時(shí)間造成延時(shí)會(huì)影響步進(jìn)脈沖的頻率精度。定時(shí) BS 在溢出后如果沒(méi)接到停止的指令會(huì)繼續(xù)從 0000H 開(kāi)始加 1。因此，在程序中取 To 的當(dāng)前位與定時(shí)常數(shù)相加， 是因?yàn)?To 的當(dāng)前值包含了在定時(shí)器件之前中斷服務(wù)過(guò)程所花的時(shí)間。另外在本程序中。定時(shí)器從停止到重新打開(kāi)，CPU