全自動(dòng)吸塵器畢業(yè)論文

1、<p>　　XXXXXXXXXX</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）</p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)題目：全自動(dòng)吸塵器</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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

2、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)。</p><p>　　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

3、；通過(guò)紅外線熱釋電傳感器對(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。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 超聲波傳感器 電子羅盤</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要

4、 IV</p><p>　　Abstract V</p><p>　　第1章 緒論 1</p><p>　　

5、1.1家用吸塵器的原理 1</p><p>　　1.1.1家用吸塵器的分類 1</p><p>　　1.2 全自動(dòng)吸塵器的研究目的與意義 2</p><p>

6、　　1.3 全自動(dòng)吸塵器的發(fā)展 3</p><p>　　第2章 全自動(dòng)吸塵器控制部分設(shè)計(jì) 4</p><p>　　2.1單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能 4</p><p&

7、gt;　　2.2電子羅盤的性能 6</p><p>　　2.3超聲波傳感器的原理及性能 7</p><p>　　2.4紅外線熱釋電傳感器的原理及性能 8</p><p

8、>　　2.5整個(gè)控制系統(tǒng)的組成及工作原理 9</p><p>　　第3章 全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11</p><p>　　3.1全自動(dòng)吸塵器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11</p><p>　

9、　3.2全自動(dòng)吸塵器吸塵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12</p><p>　　3.3全自動(dòng)吸塵器行走部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14</p><p>　　3.3.1全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算 14</p><p>　　第4章 電源

10、及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 19</p><p>　　4.1供電電源的設(shè)計(jì) 19</p><p>　　4.2步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動(dòng)電路 20</p><p>　　4.2.1

11、步進(jìn)電機(jī)的原理 20</p><p>　　4.2.2步進(jìn)電機(jī)的特性 22</p><p>　　4.2.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 24</p><p>

12、;　　4.3電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng) 25</p><p>　　4.3.1電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理 25</p><p>　　4.3.2電動(dòng)風(fēng)機(jī)的特性及驅(qū)動(dòng)電路 26</p><p>　

13、　第5章 全自動(dòng)吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制 29</p><p>　　5.1全自動(dòng)吸塵器工作過(guò)程分析 29</p><p>　　5.2步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào) 29</p><p>　　5.3發(fā)

14、生器的脈沖信號(hào) 31</p><p>　　5.4系統(tǒng)的總體控制流程 32</p><p>　　第6章 全自動(dòng)吸塵器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 33</p><p>　　結(jié)論

15、 34</p><p>　　致謝 35</p><p>　　參考文獻(xiàn) 3

16、6</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　1.1家用吸塵器的原理</p><p>　　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

17、潔一般的器具難以清潔的地方，如沙發(fā)，墻壁等。</p><p>　　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

18、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

19、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。</p><p><b>　　家用吸塵器的分類</b></p><p><b>　　1.按形狀大小分類</b></p><p>　?。?）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。</p><p&g

20、t;　?。?）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。</p><p>　?。?）便攜式，它一般有五種形式</p><p>　　1) 肩式：體積較小，使用時(shí)背在肩上，小功率輸出。</p><p>　　2) 桿式：形狀似桿，上端為把手，下端為吸嘴，小功率輸出。</p><p>　　3) 手提式：體積更小，可直接握在手中

21、使用，小功率輸出通常用干或蓄電池做電源。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p><b>　　2.按功能分類</b></p><p&g

22、t;　　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。</p><p><b>　　3.按電器安全分類</b></p><p>　?。?）Ⅰ類吸塵器，額定電壓超過(guò)42伏，

23、只有基本絕緣。</p><p>　?。?）Ⅱ類吸塵器，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。</p><p>　?。?）Ⅲ類吸塵器，額定電壓低于42伏，避免了觸電危險(xiǎn)。</p><p>　　1.2 全自動(dòng)吸塵器的研究目的與意義</p><p>　　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

24、,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。</p><p>　　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

25、某公司研制出可自動(dòng)行駛并打掃房間的Ｖ４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

26、周圍３６０°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、ＡＲＮＡ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３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

27、始按鈕即可。</p><p>　　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)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。&

28、lt;/p><p>　　1.3 全自動(dòng)吸塵器的發(fā)展前景</p><p>　　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(guò)高和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題急待解決。 </p><p>　　目前,價(jià)格過(guò)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)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采

29、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。</p><p>　　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。&l

30、t;/p><p>　　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)、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。</p>&

31、lt;p>　　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。</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器控制部分設(shè)計(jì)</p><p><b>　　單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能</b></p>

32、<p>　　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，8051是ROM型單片機(jī)，內(nèi)含4K字節(jié)的ROM。</p><p><b>　　1．主要特性：</b></p><p>　　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

33、64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p><p>　　8051單片機(jī)是一種功能很強(qiáng)的8位微型機(jī)。如圖 21是8051單片機(jī)的外型。特征如下：</p><p>　　.面向控制的8位CPU 和指令系統(tǒng)</p><p>　　.128*8位內(nèi)部RAM</p><p>　　.32可編程I/O線</p><p>　　.兩個(gè)16位定時(shí)器

34、/計(jì)數(shù)器</p><p>　　.5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)</p><p><b>　　.可編程串行通道</b></p><p>　　.低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　.一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p><b>　　2．管腳說(shuō)明：</b></p>

35、;<p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　VSS：接地。</b></p><p>　　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。  

36、60; 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。    </p><p>　?。?圖 21 8051單片機(jī)）</p><p

37、>　　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)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)

38、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

39、） 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)器寫選通） </p><p><b>　　3．振蕩器特性：</b></p><p>　　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)

40、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。</p><p><b>　　電子羅盤的性能</b></p><p>　　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(guò)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(guò)單片機(jī)進(jìn)行判斷來(lái)完成預(yù)期的轉(zhuǎn)向目的。</p><p>

41、;　　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。</p><p>　　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

42、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(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。</p><p>　　(圖2-2 電子羅盤 )</p><p>　　該OEM板具有體積小等優(yōu)點(diǎn)，主要特性為:</p><p>

43、　　.2軸，二維水平應(yīng)用，功耗低、精度高等特點(diǎn);</p><p>　　.水平最大傾斜150; 體積37mmx33mmxlOmm，重8.5克;</p><p>　　.正常工作電流小于lOmA，休眠時(shí)3mA; </p><p>　　.分辨率10，精度20，有校準(zhǔn)模式控制端;</p><p>　　.標(biāo)準(zhǔn)CMOS接口電平;</p>&l

44、t;p>　　.三線制串行I/O接口(摩托羅拉 SPI格式兼容);</p><p>　　.數(shù)據(jù)輸出BCD、二進(jìn)制可選;</p><p>　　.高分辨率數(shù)據(jù)刷新率2.5Hz;</p><p>　　.方向角數(shù)據(jù)輸出與原始X, Y分量輸出可選。</p><p>　　超聲波傳感器的原理及性能</p><p>　　全自

45、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，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　1. 超聲波發(fā)生器 </p><p&g

46、t;　　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：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。 </p><p>　　2.壓電式超聲波發(fā)生器原理 </p><p>　　

47、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。</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器選用了壓電陶瓷式超聲波傳

48、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。</p><p>　?。▓D2-4 超聲波傳感器電路圖）</p><p>　　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

49、諧振點(diǎn)一致，通過(guò)可變電阻還可以改變比較電壓，由此來(lái)調(diào)整敏感度。</p><p>　　紅外線熱釋電傳感器的原理及性能</p><p>　　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?！睙後岆娂t外

50、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。</p><p>　　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)，已得到廣泛使用。</p><p>　　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.</p>

51、;<p>　　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。</p><p>　　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

52、號(hào)、VCC、GND，在全自動(dòng)吸塵器中它以開關(guān)量的方式向單片機(jī)提供信號(hào)。</p><p>　　（圖2-5 熱釋電傳感器電路圖）</p><p>　　整個(gè)控制系統(tǒng)的組成及工作原理</p><p>　　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。</p><p&

53、gt;　　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

54、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(guò)的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。 </p><p>　　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(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。</

55、p><p>　?。▓D2-6控制系統(tǒng)原理圖 ）</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算</p><p>　　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)

56、雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖3-4）。 </p><p>　　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

57、變單片機(jī)的程序來(lái)調(diào)節(jié) 。</p><p>　　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3m／min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, </p><p>　　( 圖 4轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖)</p><p><b>　　則由公式（3—1）</b></p><p&g

58、t;　　U=C×N （3—1）</p><p>　　式中 C—車輪的周長(zhǎng)（cm）</p><p>　　N—車輪的轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p><b>　　N=U/C</b></p><p><b>　　≈12r/min</b></p&g

59、t;<p>　　1.全自動(dòng)吸塵器的阻力計(jì)算</p><p>　　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（3—2）</p><p>　　T=mg×f×r （3—2）</p><p>　　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)</p>

60、<p>　　T=3×9.8×0.055×4</p><p><b>　　=6.468N/m</b></p><p>　　2.全自動(dòng)吸塵器的前輪阻力矩</p><p><b>　　T0=mg×f×r</b></p><p>　　=3

61、5;9.8×0.055×0.5</p><p><b>　　=0.8N/m</b></p><p>　　3.深溝球軸承的摩擦力臂</p><p>　　T1= mg×f1×R</p><p>　　f1=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.</p>

62、;<p>　　T1=0.025n/cm;</p><p>　　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。</p><p>　　表格 3-1 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)</p><p>　　電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　供電電源的設(shè)計(jì)

63、</b></p><p>　　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。一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。</p><p>　　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

64、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

65、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</p><p&

66、gt;　　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。</p><p>　　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

67、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。</p><p>　?。▓D 42 穩(wěn)壓電源）</p><p>　　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電壓的供電最好選用MPC24A05HF，而非TA78005AP，區(qū)別在前者最小輸

68、入電壓是6V，或者7V。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)的原理 </b></p><p>　　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(guò)一個(gè)步距角。這

69、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；&

70、#160;   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。 </p><p>　　1. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)</p><p><b>　　（1）結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），

71、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て，C與齒3錯(cuò)開2/3て，A與齒5相對(duì)齊...。將定子和轉(zhuǎn)子展開如圖4-3所示： </p><p>　　(圖表 43 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖)</p><p><b>　?。?）旋轉(zhuǎn)</b>

72、;</p><p>　　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て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移2/3て；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て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(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て。 這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電，齒4移到

73、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、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(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-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?

74、/12て，1/24て，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</p><p><b>　?。?）力矩</b></p><p>　　電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量Ф）。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*dФ

75、/dθ成正比。其中磁通量Ф=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） ，θ為錯(cuò)齒量，K為系數(shù)?？梢?，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。</p&g

76、t;<p>　　2.永磁式步進(jìn)電機(jī)（永磁式）</p><p>　　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

77、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。</p><p><b>

78、;　　步進(jìn)電機(jī)的特性</b></p><p>　　1.步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)</p><p>　　相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、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(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

79、-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θ表示。θ=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θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=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(guò)的步數(shù)。  

80、  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。</p><p>　　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)。</p><p>　　靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作

81、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(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。</p><p>　　2.步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)</p><p><b>　　（1）步距角精度</b></

82、p><p>　　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%以內(nèi)。</p><p><b>　?。?）失步</b></p><p>　　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</p><p

83、>　　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</p><p>　　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，

84、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)。</p><p>　?。▓D4-4 轉(zhuǎn)距圖）</p><p><b>　　步

85、進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)</b></p><p><b>　　1.單電壓驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　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

86、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)。</p><p>　　2.雙電壓驅(qū)動(dòng) </p><p>　　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)。

87、 </p><p>　　雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種方法：雙電壓法和高電壓法。</p><p>　　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)。</p><p>　　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

88、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，這時(shí)蓄流二極管反向截止，切斷低</p><p>　　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。</p><p>　　3.步進(jìn)電機(jī)的其它驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　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)

89、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。</p><p>　　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。</p><p>　　左側(cè)輸入由單片機(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

90、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)。</p><p>　?。▓D 45 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路）</p><p>　　電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)</p><p>　　電動(dòng)風(fēng)機(jī)的工作原理 </p><p>　　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

91、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

92、.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)。</p><p>　　由于全自動(dòng)吸塵器選用了車用吸塵器的風(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10000

93、r/min.</p><p>　　表格41 電動(dòng)風(fēng)機(jī)主要參數(shù)</p><p>　　電動(dòng)風(fēng)機(jī)的特性及驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　1.吸塵器風(fēng)機(jī)的工作特性</p><p><b>　　葉輪的外特性：</b></p><p>　　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)?/p>

94、葉輪外緣經(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(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HH與口之間的關(guān)系曲線如圖4-6.</p><p>　　

95、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。</p><p>　　2.吸塵器電風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行</p><p>　　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

96、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).</p><p>　　(圖4-7 電機(jī)驅(qū)動(dòng))</p><p>　　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. </p><p>　　(圖4-8 L6203管角圖 )</p><p>　　

97、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)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

98、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)。</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器控制系統(tǒng)的軟件編制</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器工作過(guò)程分析</p><p>　　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)定的汽車通行方式一樣，吸塵器的右側(cè)靠近墻壁。</p>&

99、lt;p>　　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(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(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)轉(zhuǎn)

100、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(méi)有人時(shí)會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到墻壁為止，當(dāng)

101、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</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)</b></p><p>　　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(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)

102、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)。</p><p>　　控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的方法可有兩種:</p><p>　　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。</p><p>　　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

103、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。</p><p>　　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

104、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。</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器的步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率由公式(5—1)為：</p><p>　　F= (5—1)</p><p><b>　　=40HZ</b></p><p>　　用于改變速度的定時(shí)常數(shù)

105、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?lt;/p><p>　　AA： CPL P1.0 ：改變P1．o電平狀態(tài)</p><p>　　PUSH ACC ；累加器A進(jìn)錢</p><p>　　PUSH PSW</p><p>　　CLR

106、 C</p><p>　　CLR TR0 ；停定時(shí)器</p><p>　　MOV A，TL0 ；取TL0當(dāng)前值</p><p>　　ADD A，#08H ；加8個(gè)機(jī)器周期</p><p>　　ADD A，30H ；加定時(shí)常數(shù)(低8位)</p><p>　　MO

107、V TL0，A ；重裝定時(shí)常數(shù)(低B位)·</p><p>　　MOV A，TH0 ；取THo當(dāng)前值</p><p>　　ADDC A，31H ；加定時(shí)常效(高8位)</p><p>　　MOV TH0，A ；重裝定時(shí)常數(shù)(高8位)</p><p>　　SETB TR0

108、 ；開定時(shí)器</p><p>　　POP PSW</p><p>　　POP ACC</p><p>　　RETI ；返回</p><p>　　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

109、．如果沒(méi)接到停止的指令會(huì)繼續(xù)從0000H開始加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)門o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，CPU執(zhí)行了8條單周期的指令，這8個(gè)機(jī)器周期也要算在內(nèi)。調(diào)速指令是通過(guò)輸入界面出外界輸入的，通過(guò)鍵盤程序或A／D轉(zhuǎn)換程序接收．通過(guò)這些程序?qū)⑼饨缃o定的速度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的定時(shí)常數(shù)，并存人3011和31H．這樣就可以在定時(shí)器中斷后改變步進(jìn)脈沖的

110、頻布，達(dá)到調(diào)速的目的。采用定時(shí)器法進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制時(shí)，CPU只在改變步進(jìn)脈沖狀態(tài)時(shí)進(jìn)行參與，所以CPU的負(fù)擔(dān)大大地減輕，完全可以同時(shí)從事其他項(xiàng)工作。</p><p>　　5.3 發(fā)聲器的脈沖信號(hào)</p><p>　　全自動(dòng)吸塵器的發(fā)聲器發(fā)聲主要由單片機(jī)提供變化的脈沖，使發(fā)生器的電路導(dǎo)通，由電容等構(gòu)成的震蕩電路不斷的對(duì)發(fā)聲器加電壓使發(fā)聲器發(fā)出聲音,電路圖如圖5-1。</p&g