全自动吸尘器设计.doc

全自动吸尘器设计1.全自动家用吸尘器简介1.1全自动吸尘器的原理吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具，传统的用具清扫房间往往不能将家里的微细尘埃清扫干净，尘埃总是从一处转移到另一处，尤其是地毯窗帘等处的灰尘就更难以清除，利用吸尘器来做清洁工作就无此弊。吸尘器不但可以清洁地面，也可以用来清洁一般的器具难以清洁的地方，如沙发，墙壁等。吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下，吸尘器靠电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气，经滤尘器过滤，排出清净的空气，负压差越大风量越大，则吸尘能力也越大。吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子，尘垢便留在集尘盒里，盒子装满后，可取出用水刷洗清理。吸尘器配上不同的部件，可以完成不同的清洁工作，如配上地板刷可清洁地面，配上扁毛刷可清洁沙发面、床单、窗帘等，配上小吸嘴可清除小角落的尘埃和一些家庭器具内的尘垢。 吸尘器的原理和结构控制器驱动器A驱动器B吸尘部件步进电机A步进电机B自带电源驱动信号信号预处理超声波信号发生器路选信号发射头接收头多路开关 图1 吸尘器结构图1、吸尘原理：吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。这样不妨与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。 2、吸尘器的原件：所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯时使用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。 3、喉管：所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管及附件。 4、电动刷：内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件。 5、圆刷头：也较小吸嘴，可做360*回转，方便清洁家具、精细网织物等。 6、扁吸嘴：又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴。特别适用于清洁墙边、辐射式暖片、角落及浅窄地方。 7、扫尘刷：用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。1.2全自动吸尘器的研究目的与意义今年来,随着中国工业的快速发展,吸尘器的产销量也大幅增加,在我国市场具有旺盛的生命力。随着社会的进步和发展,人们的物质和精神生活质量的提高,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或多功能清洁,因此具有广阔的市场前景。目前在欧美日等发达国家,吸尘机器人开发较早,应用范围也较广,近两年来,已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。澳大利亚某公司研制出可自动行驶并打扫房间的型机器人这种全自动吸尘器表面光滑,体积很小,呈圆形,内置搜索雷达,可以搜索各种房间里的每一处,不会碰撞家具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。只要将全自动吸尘器放在地面上,它便可自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽;然后再不规则地来回移动于房间的其它位置,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围配备了障碍物传感器,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面;当打扫完可以行驶的场所后,机器人就自动关闭电源。不管房间的外形及面积的大小、导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作,因为机器人导航沿房间的周围,所以它要创建自己的空间参考图,机器人不需要任何编程“教它应该去哪里”。该机器人操作简单,仅有个按钮:开始、结束以及暂停,人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中,按下开始按钮即可。2.全自动吸尘器控制部分设计2.1单片机硬件结构和开发过程2.1.1单片机的引脚功能 VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2超声波传感器的原理及性能人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。多功能吸尘器对墙壁等障碍的判断主要是通过超声波传感器来完成的，超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。2.2.1超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各有不相同的地方。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2.2.2压电式超声波发生器原理 图2 超声波传感器结构图压电式超声波发生器实际是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图2所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成了超声波接收装置。多功能吸尘器选用了压电陶瓷式超声波传感器，在超声波信号发射侧使用T40-16，在信号接受侧使用R40-16，发射信号侧由40HZ的通信电路、控制ON-OFF及驱动电路组成，接收信号侧由放大、比较和积分电路组成。超声波传感器为了容易反射声波，对测定物体成直角安装。2.3红外线热释电传感器的原理及性能热释电外线传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高敏度探测元件，它以非接触形式检出人体辐射的红外线或人射外线的能量变化，井将其转换成电压信号输出，将这个电压信号加以放大，便可以驱动各控制电路,如用于“电源开关控制、防盗防火报警、自劲监泌等。”热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的商压电及x射线、射线自动报警等。热释电传感器利用热释电效应来检测受光面的温度升高值，得知光的辐射弧度，工作在红外波段内。这种传感器在常温下工作稳定可靠，使用简单，时间响应能到微秒级，已得到广泛使用。热释电红外线传感器的结构由地电极、压环、环形电极、PYDF、弹簧等部分组成.多功能吸尘器为了能够检测人的活动，减少人对吸尘器工作的影响，采用了AM111型传感器，这种传感器使用热电元件，收集从人体10um附近发出的红外线反应，内部具有2个红外线传感器，消除背景变化连接使用，为此，近人活动时反应，能够输出。2.4电子罗盘的性能全自动吸尘器的转向需要电子罗盘进行指引，在转向过程中电子罗盘能将检测到的方向角以脉冲的方式发出，通过单片机进行判断来完成预期的转向目的。全自动吸尘器选择了可以不需要进行A/D转换的VECTOR 2X数字电子罗盘OEM板作为导向工具引导它的转向，完成它的行走吸尘等功能。VECTOR 2X是美国PNI ( Precison NavigationInc)公司以其电磁感应设计专利技术设计的一种高精度低成本的2轴电子罗盘OEM板(芯片)。该芯片广泛应用于GPS的辅助角位移测量、地面定向天线自动伺服系统、机器人姿态传感器及其它需要角度测量或指示的场合。该电子罗盘使用标准同步三线制串行总线作为数据接口，可以和MCS-51,Motorola 68xxx.PIC16Cxx等多种系列单片机接口使用。通过引脚可选择输出数据格式是二进制或十进制(BCD)o，它的管角如图2-4。 该OEM板具有体积小等优点，主要特性为:.2轴，二维水平应用，功耗低、精度高等特点;.水平最大倾斜150; 体积37mmx33mmxlOmm，重8.5克;.正常工作电流小于lOmA，休眠时3mA; .分辨率10，精度20，有校准模式控制端;.标准CMOS接口电平;.三线制串行I/O接口(摩托罗拉 SPI格式兼容);.数据输出BCD、二进制可选;.高分辨率数据刷新率2.5Hz; 图2-4 电子罗盘.方向角数据输出与原始X, Y分量输出可选。2.5整个控制系统的组成及工作原理 多功能吸尘器的整个控制系统，主要由传感器部分（超声波传感器、红外线热释电传感器、电子罗盘）、微型机算计部分（单片机8051）等部分组成。该多功能吸尘器利用了超声波测距的原理（如图3所示），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；利用电子罗盘进行方向的判断，通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障。多功能吸尘器的红外线传感器能检测认得存在，在检测到人存在时会给单片机一个电信号，单片机控制吸尘器停止前进并同时控制发声器发出声音，让人能够离开。功能多功能 吸尘器实际上是一个行走机器人和吸尘器的组合体，吸尘器行走的同时，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。单片机作为控制源产生脉冲信号，驱动步进电机转动，同时检测超声波传感器与红外线传感器的信号，数字罗盘的转角信号同样也输出给单片机，由单片机完成信号的处理过程，可以说多功能吸尘器的控制系统是以单片机为核心的。单片机驱动器驱动器发声器左步进电机右步进电机吸尘部件电源电子罗盘接收端发射端红外传感器红外线热释电传感器图3 控制系统原理图3全自动吸尘器结构的设计3.1全自动吸尘器外壳结构设计吸尘器的外壳起着支撑吸尘器各零部件并将它们与外界隔离的作用，这样既能保护内部结构，又能保证安全。由于多功能吸尘器需要在地面自动行走，因此他的结构要保证行走的平稳，可以采用卧式吸尘器的结构来完成其机体的设计， 由图3-1所示壳后壳上盖等部分组成，均为塑料材料。前壳头部为吸入口，后壳内按装吸尘部件，里面主要安装电动机-风机及一些功能性机构；两侧可以用来安装车轮，此外在后壳处有排风口，便于风机的工作。家用吸尘器的外壳不仅应具有足够的强度，还要有美观的造型重量轻外表颜色光泽以及成本低廉，外客的造型设计必须适应内部的结构需要。外壳一般用金属材料冲制，或采用工程塑料，金属材料有较高的强度，由于重量绝缘材料性能查制造工艺复杂成本高，因此，除了老式的吸尘器及工业吸尘器外，现代家用吸尘器很少采用。鉴于以上原因，多功能吸尘器的外壳采用工程塑料为主体，可通过注塑成型，除了电动风机外，其它零件一般均可由工程塑料代替金属材料，这不仅适合于大量生产，易于降低成本，而且重量可以减少到金属外壳的1/31/4，绝缘性能也大为提高，还可以做成各种款式颜色色泽鲜明的式样。用于多功能吸尘器外壳的工程塑料主要是PP和ABS，用于吸管的材料可以是聚丙烯等。图4 多功能吸尘器安装简图多功能吸尘器的壳体由于考虑到后面要安装驱动电机这使得它的后壳结构与通常的卧室吸尘器有所不同， 如图 4表示的在多功能吸尘器的后壳部位下面留有一定的驱动电机安装空间，同时便于驱动轮的安装，有利于整体结构的布局。3.2全自动能吸尘器吸尘部位结构设计多功能吸尘器的吸尘部位，主要由吸嘴 吸管储灰箱电动风机等部位组成。从外界吸进的灰尘和垃圾首先到达吸尘部，吸尘部的功能主要是使吸进的高速气流通过过滤网，滤出垃圾和灰尘。过滤网不仅仅能挡住较大颗粒的垃圾，而且能阻止细小的尘埃通过，性能好的过滤网，排出的灰尘在直径5微米以下，此外，过滤网的透气性好，能长时间过滤而不被堵塞，使电机得到充分的冷却，其基本结构如图 5所示，灰尘通过吸尘器的吸嘴进入到吸尘器吸管，而后经过过滤网的过滤，沉积在储灰箱里，气流由电动风机吸入口吸入，而后排出。图5 自动吸尘器吸尘部位结构简图多功能尘器的风机采用车用吸尘器的风机结构，其重量轻，吸尘功率能满足家用的要求，其安装通过吸尘器机壳的定位孔固定，由橡胶密封圈进行密封，后面由风机固定板进行压紧，在机壳的后面留有一些排风口，便于风机的工作，电动风机高速旋转时会产生很大的震动，因此，风机固定板应该用一些能够减震的材料，向泡沫等，吸尘口应该与风机口对应一条线，有利于风机工作，从而更好的吸尘。风机有密封罩，有封闭的电机罩降噪效果好。因为电机产生的噪声会很容易穿透吸尘器外壳，造成噪声污染；全密封的电机罩还能保证电机产生的热量不会影响到其他电器件，延长整机的寿命。吸尘器的处灰箱一般为23L ，多功能吸尘器的储灰容量设计为1.5L，其完全能够满足家用地面的清洁。3.3全自动吸尘器行走部位结构设计 3.3.1全自动吸尘器主要参数计算多功能吸尘器的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万向转轮这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性（如图5）。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3mmin左右，这样能够保证多功能吸尘器行走平稳，而且有很高的效率，设计车轮的直径为8cm, 图5 转向结构图则由公式 （31） U=CN （31）式中 C车轮的周长（cm） N车轮的转速（r/min）可得 N=U/C12r/min1.多功能吸尘器的阻力计算设计多功能吸尘器的质量在3Kg则;后车轮的的阻力矩由公式（32） T=mgfr （32）f滚动摩擦系数由机械设计课程设计指导表11-7取0.05（K/CM)T=39.80.0554=6.468N/m2.多功能吸尘器的前轮阻力矩T0=mgfr=39.80.0550.5=0.8N/m3.深沟球轴承的摩擦力臂T1= mgf1Rf1=0.02k/cm ,由机械设计课程设计指导表11-9选取.T1=0.025n/cm;根据供电电压为12V选取步进电极电机,根据小功率电机手册,选择永磁式步进电机,其具体参数如下:表3-1。型号相数额定电压(V)电流（A）保持转矩（mN/cm）步近角()57BYG005412V0.4A254.97mN/cm1.83.3.2 轴的结构设计1.轴的结构设计（1）轴的径向尺寸的确定轴的径向尺寸是在出算轴的直径基础上进行的,轴径的估算方法是按扭矩并降低许用扭转切应力的方法进行的; 计算由公式（33）， dA (mm) （33）式中 P为轴所传地的功率（KW）N为转轴的转速（r/min） A为轴的许用应力系数（其值可以查机械设计教材表10.3，在这里选取轴的材料为45号钢，则A=108,由步进电机的参数由公式（34）可知；P=VI （34）=0.412=4.8W取转速n=12r/min计算得 d1087.96mm轴的截面上有一个键槽，将直径增大5，得 d7.96(1+5) 8.35mm 取标准值 d=10mm ,即为轴直径最小直径。2.拟定轴上零件的装配方案为了便于联轴器的连接以及车轮的安装，许用下述方按，如图6在轴的左侧需要连接联轴器，以便于和步进电机的轴相互连接，在轴的右侧有键主要用来和车轮连接，在右侧 同时加工螺纹，使车轮能够沿轴向固定，在轴的中间留有轴间用来固定轴承，逐步选定轴的直径为D=10mm轴间D=12mm,则根据轴的直径来选择轴承和联轴器等,由于轴的直径较小现有的标准联轴器很难满足设计的要求,因此需要单独设计联轴器,选用钢管加工满足要求的孔而后加工两个径向螺纹孔,用螺钉将电机轴与转轴相连接,轴上面的平台可以通过磨削的方式实现,滚动轴承的选取根据轴承手册选用深沟球轴承,轴承的型号61800,其基本尺寸BDd=51910. 图6 轴的装配简图通过中间的轴进行定位,选择轴承盖将轴承固定,并且密封.键的选取(根据机械设计课程设计指导)选定.选取GB1096-79 键46PID算法控制流程图4全自动吸尘器的技术经济分析多功能吸尘器作为一种家用电器,要想得到家庭用户的认可和购买,必须价格低廉性能优异,大规模投放市场后应该能够产生很高的经济效益。多功能吸尘器的壳体主要材料是工程塑料，工程塑料在我们的日常生活中都能见到，它以强度高、质量轻等特点，被广泛应用于家电行业以及轻工业当中多功能吸尘器的壳体用注塑成型，可以进行大规模生产，注塑技术发展，迅速技术先进而且成本低廉，所以多功能吸尘器的壳体部分经济适用。多功能吸尘器的动力部分主要由电机构成，在设计中以步进电机作为动力源，步进电机在机械传动中应用广泛，它可以实现精确的位移，它的价格比普通的直流电机略高一些，但考虑到其优越的性能，它作为动力源很合适，多功能吸尘器的风机电动机采用了铁氧体永磁直流电动机，它的转速很高，在小型吸尘器中经常应用，它的价格比较底在几十元左右，而且很容易从一些电机生产厂家购进。电路控制部分是吸尘器的关键，由8051单片机、电子罗盘、以及传感器构成，8051单片机以其高性能低成本，在家电控制领域中应用广泛：吸尘器 的“导向仪”VECTOR2X电子罗盘，