智能家电-基于51单片机的智能吸尘器.ppt

智能家电设计 智能吸尘器篇 普通清洁工具缺点 灰尘颗粒物易导致呼吸系统症状 气促 咳嗽 气喘等 将加重呼吸系统疾病 损害肺部组织 最易受影响的人士包括慢性肺部及心脏病 感冒或哮喘病患者 老年人及儿童 约70 左右的哮喘病是对花粉 宠物 尘螨等变应原的过敏性反应 空气中灰尘含量高 将直接导致毛孔粗大 粉刺 色斑等一系列皮肤问题 漂浮在空气中的尘埃 附着在皮肤上造成毛孔堵塞 油脂排泄不畅 形成黑头粉刺等 尘埃中的有毒化学元素长时间附着在皮肤上 也会引起程度不同的色斑 为什么要使用智能吸尘器 为什么要使用智能吸尘器 1 按结构形式分类 立式 卧式 便携式等种 2 按功能分类 干式 干湿两用式 地毯式 吸尘打蜡式等种 一 类型 卧式吸尘器组成 由外壳 吸尘部 电动机 风机 自动盘线机 附件等部分 如图所示 二 吸尘器内部结构图 1 外壳ABS或聚丙烯等工程塑料注塑成型 前 后两部分组合成 2 吸尘部由滤尘袋 集全箱等组成 3 电动机电动机的转速达到20000r min以上 采用单相串励电动机 有转矩大 机械特性软 便于凋速等优点 4 风机产生负压的重要部件 它与电动机装配在一起 是一种离心式风机 主要由叶轮 蜗壳 导轮和外罩等组成 如图所示 5 自动盘线机自动盘线机安装在电动机的后面 将电源线收藏在机壳内 结构如右图所示 6 灰尘指示器显示集尘箱内积尘量多少的装置 它的结构如左图所示 1 输入功率 指在额定频率和额定电压下 逆风通畅 运转平稳后测得的电功率 2 吸入功率 吸尘器吸嘴处吸入气流的功率 单位时间内进入吸嘴的气流所具有的能量来表示 如果不考虑各连接处的泄漏 吸入功率就是风机的有效功率 3 吸尘器效率 公式 P2 吸入功率 P1 对应于P2值的输人功率 三 主要性能指标 4 真空度 吸尘器正常稳定运转时 吸嘴处与外管大气间的压强差 一般为8820 11760Pa 习惯上称为900 1200mmH2O 5 噪声 主要来自电动机 规定不大于75dB 国际先进产品则控制在54dB以下 6 启动性能 在额定频率 90 的额定电压下 电动机的转子无论处于任何位置 吸尘器都能启动 7 绝缘电阻 500V兆欧表测量 带电部件与非带电的金属外壳之间的绝缘电阻不得小于2M 如为补充绝缘或加强绝缘 不得小于5M 或7M 三 主要性能指标 8 电气强度 带电部件与非带电金属外壳之间应能承受50Hz正弦交流电压lmin 而不出现击穿或闪络现象 规定的耐压试验值 基本绝缘为1250 补充绝缘为2500V 加强绝缘为3700V 9 泄漏电流 指吸尘器正常工作时 带电部分经绝缘泄漏到机壳的电流 测试电压为额定值的1 06倍 泄漏电流规定为 类吸尘器小于0 75mA 类吸尘器小于0 25mA 类吸尘器小于0 05mA 三 主要性能指标 图4 5 1控制电路结构示意框图 1 电源220V交流电压经变压器降压 全波桥式整流 分压提供 5V和 15V直流电压 供给微电脑 5V 和压力检测部件 15V 使用 2 过零检测部件过零检测部件用于检测交流电源的过零点 以便对吸气电动机进行移相触发控制 以改变吸气电动机转速 达到改变引力的目的 模糊控制的吸尘器模糊控制的吸尘器采用模糊理论进行地面性质判别和吸力控制 提高了吸尘工作效率 如图4 5 1所示 3 吸气电动机驱动电路该驱动电路一般由双向晶闸管和触发元件组成 以便对吸气电动机进行调压调速 4 转刷电动机驱动电路该驱动电路对电刷电动机进行通断控制 由双向晶闸管和触发元件组成 5 压力检测部件压力检测部件用于检测实时吸力的大小 所用压力传感器是利用半导体硅片在受压力产生变形时 导致电阻值变化而反映压力状态的 6 转刷电动机电流检测部件该部件采用电流互感器 经放大 整流 提供直流信号 7 峰值保持器峰值保持器的作用是 将电流检测部件提供的信号进行半波峰值保持 并输入微电脑 模糊控制的吸尘器模糊推理以地毯长度 地板种类和质地 吸尘量为输入量 以相位为输出量 用电流值 压力 压力变化作为输入部件推断出所用的相位 以控制吸尘器合理的吸力 如图4 5 2所示 图4 5 2模糊控制原理示意框图 智能吸尘器的开发及设计 随着社会的进步和发展 人们的学习 工作越来越繁忙 于是怎样更大程度地将人们从烦琐的日常事物中解脱出来 就成了新一代家电所追求的目标 而智能化正是这一目标的集中体现 本文介绍的智能吸尘器初步实现了无人情况下的自主工作方式 很大程度地提高了产品的自动化水平 智能吸尘器利用了超声波测距的原理 通过向前进方向发射超声波脉冲 并接收相应的返回声波脉冲 对障碍物进行判断 通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制 并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断 选定相应的控制策略 通过驱动器驱动两步进电机 带动驱动轮 从而实现避障功能 与此同时 由其自身携带的小型吸尘部件 对经过的地面进行必要的吸尘清扫 1 设计原理 功能实能整个吸尘器原理上可以分为五个主要部分 如图1 传感器部分 控制器部分 驱动部分 吸尘部分和电源部分 各部分的原理及具体功能实现如下图 1 传感部分 相当于人的五官 起到对外界的感知作用 2 控制部分 相当于人的大脑 起到连接对肢体的支配 3 驱动部分 相当于人的肢体 被控制起到协调作业 4 吸尘部分 在智能吸尘器里面嵌入真空吸尘器部分以实现其吸尘的功能 5 电源部分 提供机器所需要的动力系统 也是至关重要的一部分 往往会被人忽视 现在智能吸尘器动力部分做的最好的应当是益节EJE 传感器部分 超声波是一种一定频率范围的声波 它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性 而在不同媒质的界面处 会产生反射现象 利用这一特性 就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔 从而达到测量距离的作用 其具体的计算公式如下 s v t 2其中 s为障碍物与吸尘器之间的距离 t为发射到接收经历的时间 v为声波在空气中传播的速度 由于 的值受温度的影响会波动 因此 在实际的应用中可以用以下公式来加以补偿 其中T表示空气的绝对温度 m s为速度单位 超声波测距原理 在智能吸尘器中 避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理 它的传感器部分由三对 每对包括一个发射探头和一个接收探头 共六个超声波传感头组成 由单独的振荡电路产生频率固定为40kHz 幅值为5V的超声波信号 在控制器送来的路选信号 如图1 的作用下 40kHz的振荡信号被加在超声发射探头的两端 从而产生超声信号向外发射 该信号遇到障碍物时 产生反射波 当这一反射波被接收探头接收后 根据前述测距的原理 就可以精确地判断障碍物的远近 同时 根据信号的幅值大小 也可以初步确定障碍物的大小 探测范围的确定由于每一个超声波探头都有一定的指向性 即发射或接受的空间范围 所以在测量时必然存在盲区 如图2 因此 三对传感器必然以一定的尺寸分布在吸尘器的前端 从而使传感器测量的范围包含整个吸尘器所必须经过的空间 同时又避免探测死角 既使盲区落在须测量的范围之外 防止干扰由于三对超声波传感探头之间的安装距离比较近 因而存在相互干扰的问题 为了解决这一问题 在设计中引进了循环扫描的方式 既循环地对每组探头施加发射和接收 当一组工作时 其余两组停止 循环周期由路选信号来控制 只有15ms 即在15ms的时间里完成一次对三组探头的扫描 因而在实际应用中很可靠 控制部分 控制部分的核心是MC51单片机 它主要完成三个部分的任务 1 向传感器部分 三路 分别送路选信号 当路选信号是高电频时 该路导通 反之 就截止 这样 通过路选信号 就可以完成三路信号的顺序扫描以及对发射和接收的计时功能 2 作为控制器的核心 它要根据接收的信号 左 中 右三路 的幅值 以及从发射到接收的时间间隔 计算并判断障碍物的相对位置 大致大小 在此基础上 根据事先设定的规则 选定相应的避障措施 前进 左转 右转 后退 调头 3 最后 在确定了避障措施后 要向步进电机的控制器输出相应的控制脉冲 以具体实现避障 驱动部分驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的 步进电机带动两驱动轮 后轮 从而推动吸尘器运动 前轮不再采用传统的双轮结构 而采用了应用非常广泛的平面轴承 这既减小了结构复杂度 又提高了转弯的灵活性 如图 通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率 可以对步进电机实现较高精度的调速 同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时 通过差速方式 可以方便的实现吸尘器前进 左转 右转 后退 调头等功能 这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下 以任意速度实现转弯 甚至当两后轮相互反向运动时 实现零转弯半径 即绕轴中点原地施转 同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节 由于智能吸尘器是边行走边工作的 所以要求速度很低 一般要求5m min左右 而步进电机为避免低速爬行 其转速又不能太低 为此 在电机轴与轮轴之间采用了一级齿轮传动 设计传动比为 设电机的转速为 转 秒 驱动轮的半径为 米 则驱动轮的前进速度为 式中 代表左右驱动轮的线速度 齿轮传动比 通过调节 的大小和正反 可以实现 的连续变化 从而实现任意半径的转弯 电机转向与吸尘器的运动方式的关系如表 吸尘器部分吸尘功能是由封闭在壳体中的小型吸尘器完成的 包括气泵 吸室 吸道和吸嘴 在吸尘器爬行的过程中 通过底盘上开的吸嘴将扫过的地面上的灰尘吸入吸室 电源部分由于智能吸尘器是以自主方式工作的 因而所用的电源不是一般拖线方式 而是采用随身携带的蓄电池 3A 20hour 这样不但可实现无人控制 而且工作时较灵活 一次充电可以连续工作几个小时 3 部分电路说明 超声信号发生40kHz的超声波信号是由555芯片构成的多谐振荡电路产生的 如图4 由R1 R11 R12和C1构成外围的充放电电路 当参数漂移时 通过调节R12的阻值 可微调信号的中心频率 步进电机驱动由控制器输出的驱动脉冲信号经7404反向后 驱动功率三极管从而带动步进电机 图 5 列出了一相的驱动电路 由于有两个步进电机 每一电机按四相八拍制工作 因而共有八组驱动电路 控制器控制器是由MC51单片机构成的 与前述控制器所完成的三相主要任务相对应的硬件结构分别介绍如下 路选信号由单片机的P1口输出 占用了P1 0 P1 6共6脚 它们直接控制6个模拟开关 步进电机的驱动信号由P2口输出 P2 0 P2 3控制步进电机A P2 4 P2 7控制步进电机B 超声返回信号经放大 滤波 检波后 引入单片机的中断口 激励相应的中断处理程序 系统性能及特点从以上介绍可以看出 新一代的智能吸尘器通过将MC51单片微机与自身相结合 极大地提高了产品的可塑性 适应于高层次的开发与应用 它在完成超声避障的基础上 初步实现了无人干预下的自主工作方式 同时由于特殊的驱动结构的设计 实现零半径的转弯 因而具有智能化 高效性 轻便 灵巧等特点 是较新的发展方向 该章节到处结束 谢谢大家 智能清扫 按下启动 无需人工辅助 便可自动进行吸尘工作遥控清扫 红外线遥控感应器 随时遥控 随时清扫 超薄机身 可以直接切入家具底部进行清扫 自主导航 5种行走模式 全覆盖完成清扫任务 值得信赖 边缘清扫 特设有侧边刷 沿壁行走路径模式 清除室内死角区域 人机界面 LED友好的人机界面