全自动吸尘器的设计

摘 要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，而自动化正是这一目标的集中体现。本文介绍的全自动吸尘器初步实现了无人情况下的自主工作方式。它自带电源，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，对墙壁等进行判断；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，从而实现行走转向等功能；通过红外线热释电传感器对人的活动进行检测，减少人对吸尘器行走的影响。在吸尘器行走的同时，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。关键词: 步进电机 单片机 超声波传感器 电子罗盘目 录摘要 IVAbstract V第 1 章 绪论 11.1 家用吸尘器的原理 11.1.1家用吸尘器的分类 11.2 全自动吸 尘器的研究目的与意义 21.3 全自动吸尘器的发展 3第 2 章 全自动 吸尘器控制部分设计 42.1 单片机的结构和性能 42.2 电子罗盘的性能 62.3 超声波传感器的 原理及性能 72.4 红外线热释电传感器的原理及性能 82.5 整个控制系统的组成及工作原理 9第 3 章 全自动吸尘器结构的设计 113.1 全自动吸尘器外壳结构设计 113.2 全自动吸尘器吸尘部位结构设计 123.3 全自动吸尘器行走部位结构设计 143.3.1全自动吸尘器主要参数计算 14第 4 章 电源及驱动电路的设计 194.1 供电电源的设计 194.2 步进电机的原理及驱动电路 204.2.1步进电机的原理 204.2.2步进电机的特性 224.2.3步进电机的驱动 244.3 电动风机的工作原理及驱动 254.3.1电动风机的工作原理 254.3.2电动风机的特性及驱动电路 26第 5 章 全自动吸尘器控制系统的软件编制 295.1 全自动吸尘器工作过程分析 295.2 步进电机的脉冲信号 295.3 发生器的脉冲信号 315.4 系统的总体控制流程 32第 6 章 全自动吸尘器的技术经济分析 33结论 34致谢 35参考文献 361第 1 章 绪 论1.1 家用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。吸尘器在工作时要经过起尘、吸尘和滤尘三个阶段。吸尘器一般包括吸尘器电机和风机（电机多为串激整流子电动机、风机是离心式风机）、机身、吸尘管（手持式吸尘器的机身和吸尘管常联为一体）控制电路、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的电机工作功率为 400-1000W，体积大一些的吸尘器的功率更高一些，而便携式吸尘器的功率则一般为 250W 以下，吸尘器工作时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，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，吸尘器吸入含灰尘的空气，并经滤尘器过滤，排出清净的空气。负压差越大风量越大，则吸力也越大，而这时的电机工作功率也就越高。所以吸尘器也叫真空吸尘器。真空吸尘器由于应用广泛，特别是为了可以用于不同的场地和场所，需要配置不同规格的吸头，这样可分别用来清除地毯、衣物、沙发、各种物品及电子仪器上的尘屑，使用十分方便。当然，也有一些是专门设计或专用型吸尘器。1.1.1 家用吸尘器的分类1.按形状大小分类（1）立式：呈圆桶形或方形居多，分上、下两部分，上部装有电机，是动力部分，下部为集尘箱。（2）卧式：长方形或车型状，有前后两部分，前部为集尘箱，后部为电机部分。（3）便携式，它一般有五种形式1) 肩式：体积较小，使用时背在肩上，小功率输出。2) 杆式：形状似杆，上端为把手，下端为吸嘴，小功率输出。3) 手提式：体积更小，可直接握在手中使用，小功率输出通常用干或蓄电池做电源。24) 微型式：多用电池供电，体积更小，多用于清洁衣物、仪器等，微功率。5) 无绳式: 吸尘器拖着长长的电线, 极易纠缠不清。倘若是无绳式的吸尘器，则可以避免上述情况的发生。2.按功能分类按功能大致有以下种：干式干湿两用式地毯式及打蜡吸尘式。干式吸尘器就是上面介绍的几种吸尘器。干湿两用式吸尘器具有与干式吸尘器相同的性能和用途，此外还能吸取肥皂之类的液体或多水性泡沫污物。地毯式主要用于地毯的清洁。打蜡式吸力较差，主要以打蜡为主。3.按电器安全分类（1）类吸尘器，额定电压超过 42 伏，只有基本绝缘。（2）类吸尘器，额定电压超过 42 伏，全部为双重绝缘，当基本绝缘破坏时，还有一层补充绝缘作用。（3）类吸尘器，额定电压低于 42 伏，避免了触电危险。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。随着设会的进步和发展,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全自动清洁,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3将它放置在需要清扫的区域或房间中,按下开始按钮即可。国内目前也已开始有关的研究开发工作,特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取得了一定的成就,为研究开发吸尘机器人奠定了技术基础。吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此,该吸尘机器人如能大批量生产使成本降低,以低价格进入市场,将会具有巨大的市场前景,有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的是服务机器人。1.3 全自动吸尘器的发展前景尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果,但成本过高和许多关键技术问题急待解决。 目前,价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素,为了大幅度降低其成本,必须开发智能传感器、专用运动控制的数字处理芯片;其次,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理成本转移到用户的个人电脑上,则有望在短期内将吸尘机器人的成本降低在千元左右。未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展,因此必须结合现有的基于自适应控制、预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术,研究对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法,是在现实环境中实现具有良好的自适应性和鲁棒性行为的机器人的关键。电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一,除了为机器人运动、吸尘及控制电路提供能量外,还需优化自动充电方案,保证机器人能及时进行充电,能够自动完成对指定环境的吸尘任务。在研究提高化学电池使用寿命、缩小体积的同时,一种新兴的质子交换膜燃料电池具有功率大、能量高、寿命长和体积小等优点,为移动电源提供了一种合适的电源,目前,上海某大学燃料电池研究所在这方面进行着有益的尝试。随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进,相信在现有的软硬件条件的基础上,未来几年内就会推出价格适中的全自动吸尘机器人产品,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。4第 2 章 全自动吸尘器控制部分设计2.1 单片机的结构和性能全自动吸尘器的控制部分主要由单片机来完成，根据需要选用 MC-51 系列单片机中的 8051 作为控制器对整个全自动吸尘器进行控制，8051 是 ROM 型单片机，内含 4K 字节的 ROM。1主要特性：8051 单片机是由 CPU、存储器、I/O 接口等组成的微型计算机，它可以寻址 64K 字节的程序存储器和 64K 字节的外部数据存储器8051 单片机是一种功能很强的 8 位微型机。如图 2-1 是 8051 单片机的外型。特征如下：.面向控制的 8 位 CPU 和指令系统.128*8 位内部 RAM.32 可编程 I/O 线.两个 16 位定时器/计数器.5 个中断源，两个中断优先级.可编程串行通道.低功耗的闲置和掉电模式.一个片内振荡器和时钟电路2管脚说明：VCC：供电电压。VSS：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位开路双向 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。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。5（ 图 2-1 8051 单片机）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。P3 口：P3 口管脚是 8 个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 口也可作为一些特殊功能口，如下所示：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）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。6PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，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 保持高电平时，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。当/EA 端保持低电平时，此间不访问内部程序存储器。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。3振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。若输入内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.2 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 2-2。7(图 2-2 电子罗盘 )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;.方向角数据输出与原始 X, Y 分量输出可选。2.3 超声波传感器的原理及性能全自动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。 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.压电式超声波发生器原理 8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 2-3 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。全自动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，图 2-4 是超声波传感器的电路。超声波传感器为了容易反射声波，对测定物体成直角安装。（图 2-4 超声波传感器电路图）传感器的调整通过可变电阻变化震荡频率，所以使其发射器的谐振点一致，通过可变电阻还可以改变比较电压，由此来调整敏感度。2.4 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（图 2-3 超声波传感器结构）图）9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.全自动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。AM111 传感器，内部装好了放大器当然在需要时还可以在外接运算放大器，如图 2-5 所示，用补加电阻就可以输出，其共有 3 个管角，分别为信号、VCC、GND，在全自动吸尘器中它以开关量的方式向单片机提供信号。（图 2-5 热释电传感器电路图）2.5 整个控制系统的组成及工作原理全自动吸尘器的整个控制系统，主要由感器部分（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。该全自动尘器利用了超声波测距的原理（如图 2-6 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，通过驱动器驱器驱动动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障。全自动吸尘器的红外线传感器能检测人得存在，在检测到10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。功能全自动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，可以说全自动吸尘器的控制系统是以单片机为核心的。（图 2-6 控制系统原理图 ）超声波传感器 接收端发射端单片机自带电源发声器驱动器 左步进电机驱动器 右步进电机吸尘部件电子罗盘红外传感器11第 3 章 全自动吸尘器结构的设计3.1.1 全自动吸尘器主要参数计算全自动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 3-4） 。 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，这样能够保证全自动吸尘器行走平稳，而且有很高的效率，设计车轮的直径为 8cm, ( 图 -4 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）左侧步进电机 右侧步进电机自带电源万向转轮驱动轮 驱动轮12N=U/C12r/min1.全自动吸尘器的阻力计算设计全自动吸尘器的质量在 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.全自动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。表格 3-1 步进电机的基本参数型号 相数 额定电压(V) 电流（A）保持转矩（mN/cm）步近角( )57BYG005 4 12V 0.4A 254.97mN/cm 1.813第 4 章 电源及驱动电路的设计4.1 供电电源的设计全自动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。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。移动电源在全自动吸尘机器中的地位十分重要,可以说它是吸尘机器人的“生命源” ，移动电源需同时为移动机构提供动力,为控制电路提供稳定的电压,为吸尘操作模块及传感观测模块提供能源等，在这一领域,一般采用化学电池作为移动电源,如铅酸电池等。理想的电源在放电过程中应该能够具备:保持恒定的电压 ;内阻小以便快速放电;可充电; 成本低等特点。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点，由于室内移动机器人要求具有体积小! 自重轻等特点,所以电源的体积重量也是一个重要的考虑因素,这就要求选择一种体积小、容量大、可重复使用性高的电池,尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间，除了为吸尘器运动、吸尘及控制电路提供能量外,还需优化自动充电方案,保证机器人能及时进行充电,能够自动完成对指定环境的吸尘任务。蓄电池安装时（AH）表示容量，在规定温度下，放电充电和通常电源条件下，完全充电的电池所能输出的标准电量，如 1000MAH 表示电池在 1000MA 放电电流的条件下，具有的连续工作 1 小时的能力。质量效率是衡量蓄电池能量密度的指标，表示蓄电池单位质量的输出效率，质量效率的单位为 AH/KG 。机器人使用蓄电池虽然摔掉了电缆却有增加了负载和，和体积，因此追求质量效率有实际意义。普通蓄电池的质量效率不高，在 3036AH/KG。新型蓄电池的质量效率在60100AH/KG。全自动吸尘器选用 24V，10AH 的蓄电池，也可以选用蓄电池组进行系统供电，为了便于蓄电池进行充电，将蓄电池的充电器和驱动电路集成一体，如图 4-1，是由整流二极管等组成的蓄电池充电电路。CPU 用 5V 以及电机 12V 电源电路：全自动吸尘器需要两类电源，一类是供给数字IC单片机传感器的工作电源，为+5V，同时需要一类为电机驱动电源，根据电机的要求，电压在 12V 电流在几 A，两类电源当然可以分别供电，但是往往不经济，并可能带来安装空间困难，用一组电池时，5V、12V 电源可以从端子稳压器件变换后获得。14（图 4-2 稳压电源）图 4-2 中的输入电压 24V 电源经芯片 MPC2412HF 和 MPC2405HF 分别获得电压 12V和 5V 的 两路电压输出，其中，+5V 电压的供电最好选用 MPC24A05HF，而非TA78005AP，区别在前者最小输入电压是 6V，或者 7V。4.2 步进电机的原理及驱动电路4.2.1 步进电机的原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR ）和混合式（HB ）（图 4-1 蓄电池充电器电路图）15永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度； 反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 1. 反应式步进电机（1）结构电机转子均匀分布着很多小齿（1，2，3，4，5） ，电机定子有三个励磁绕阻（A，B ，C ） ，A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 错开 1/3 ，C 与齿 3 错开 2/3 ，A 与齿 5 相对齐.。将定子和转子展开如图 4-3 所示： (图表 4-3 步进电机结构图)（2）旋转如 A 相通电，B、C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐；如 B 相通电，A、C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为1/3 ，齿 4 与 A 偏移 2/3 ；如 C 相通电，A、B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐；如 A 相通电，B、C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 。 这样经过 A、B、C 、A 分别通电，齿 4 移到A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A、B、C、A. 通电，电机就向右旋转；如按 A、C 、B 、A 通电，电机就向左转。由此可见：电机的位置和速度由导电脉冲数和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑，往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步 1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3 变为 1/12 ，1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。但经过理论分析及大量的实验证明：细分数如果超过 10，电机带负载后，就会产生跳步和失步现象。不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本16等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 （3）力矩电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ） 。当转子与定子错开一定角度时，产生的吸引力 F=K*d/d 成正比。其中磁通量 =Br*S（Br=N*I/R 为磁密，S 为导磁面积，N*I 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R 为磁阻） ， 为错齿量，K 为系数。可见，F 与 L*D*Br 成正比（ L 为铁芯有效长度，D 为转子直径） 。力矩=F*D/2，因此，力矩与电机有效体积 *安匝数 *磁密成正比（设为线性状态） ，即电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。2.永磁式步进电机（永磁式）永磁式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行（必须采用双极电压驱动） ，而反应式电机则不能如此。一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相） ，这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。4.2.2 步进电机的特性1.步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极 N、S 磁场的磁极线圈对数，常用 m 表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数J*运行拍数） ，以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360度/（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360度/ （50*8）=0.9 度（俗称半步） 。每转步数：电机每转一转所转过的步数。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以17及机械误差造成的） 。保持扭矩：电机绕组通电不转动时的最大输出扭矩值。工作扭矩：电机绕组通电转动时的最大输出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，选电机是要以工作扭矩为选择依据。静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。2.步进电机动态指标及术语（1）步距角精度步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。（2）失步失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。（3）失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。（4）最大空载起动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。（5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。这个速度远大于启动频率。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如图 4-4 所示。其中，曲线 3 电流最大、或电压最高；曲线 1 电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。力转距驱动器2频率负载3左步进电机1112 3318（图 4-4 转距图）4.2.3 步进电机的驱动1.单电压驱动单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源进行对绕组供电，它的特点是电路结构简单易于实现。它只有一个电源，电路中的限流电阻 R1 决定了时间常数，但 R1 太大会使绕组供电电流减小，这一矛盾不能解决时，会使电机的高频性能下降，可在 R1 两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，改善高频特性，但这样做又是低频性能变差，单电压驱动一般适合于小功率步进电机的驱动。2.双电压驱动 用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样产生了双电压驱动。 双电压驱动有两种方法：双电压法和高电压法。双电压法的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动。当电动机在低频工作时，给 T1 低电平，使 T1 关闭，这时电动机的绕组由低电压 VL供电，控制脉冲通过 T2 使绕组得到低电压脉冲电源。当电动机在高频工作时，给 T1 高电平使 T1 打开，这时蓄流二极管反向截止，切断低电压源 VL，电动机绕组由高电压 VH 供电，控制脉冲通过 T2 使绕组得到高电压。3.步进电机的其它驱动方式步进电机的驱动方式还有许多种，像斩波驱动、细分驱动、以及用集成电路进行驱动等，都可以完成步进电机的功能，结合具体情况加以选择最合适的驱动方式。根据全自动吸尘器的需要以及降低成本。本次设计步进电机的驱动采用单电压驱动，根据电源要求步进电机的供电电压为12V，其驱动电路的原理与前面介绍的单电压驱动相同，其电路图如图 4-5。左侧输入由单片机发出的脉冲， 经过反向器的反向控制，在低电平三极管导通，使光电隔离器工作从而使右侧的三极管接通使步进电机的绕组通电，不断的导通与断开使步进电机开始工作旋转。19（图 4-5 步进电机驱动电路）4.3 电动风机的工作原理及驱动4.3.1 电动风机的工作原理 全自动吸尘器主要是利用电动机带动叶轮旋转时,在密封壳体内产生空气负压,吸取尘埃碎屑，电动机和叶轮组合一体,称为电动风机系统,电动风机系统是全自动吸尘器中关键件，一般的家用吸尘器电动风机系统功率(输入电功率)从几十瓦到一千瓦以上,较大功率的电风机系统一般都采用单相串励电动机驱动,电动风机系统在吸尘器工作时,工况不断变化风量最大时,吸入真空度为零,此时称为电风机系统的短路状态;吸入真空度为最高时,风量最小此时称为电风机系统的空载状态,电风机系统的最大输入功率、最大流量、最大真空度等都是电风机系统的重要技术指标，而吸尘器在进行风箱试验时,吸入口在 0.5-0.875 时常被认为是电风机系统的额定状态。由于全自动吸尘器选用了车用吸尘器的风机样式，所以全自动吸尘器的的风机由永磁直流电机和叶轮等部分组成，其基本结构和上面介绍的大功率风机结构相似，不同之处在于全自动吸尘器电动风机的电机是铁氧体永磁直流电机，用 12V 直流电源供电，大功率风机用交流 220V 家用电源供电，全自动吸尘器的电动风机和大功率风机一样要求电动机有很高的转速，转速不低于 10000r/min.(图 4-8 吸尘器风机结构图)20表格 4-1 电动风机主要参数型号 空载转速（r/min）额定转速(r/min)转矩（N.M）电流（A）额定电压（V）功率（W）ZYT28/14 15500r/min 12000r/min 8.0mN.m 1.55A 12V 8.6W4.3.2 电动风机的特性及驱动电路1.吸尘器风机的工作特性叶轮的外特性：通常吸尘器使用后倾式叶片的叶轮.叶轮旋转时空气从吸风口进入叶轮.再从叶轮外缘经导流板进入电机.最后排放大气中.叶轮在一定转速下吸尘器的风量口(m/s)和真空度 H(Pa)之间的关系称叶轮外特性。在转速一定时.叶轮产生的风量和真空度主要取决少吸风口大小及风路中其他部分风阻有关。吸风口全部打开时叶轮有最大流量口，这时进风口与大气直通，真空度为零。当吸风口全部关闭时，没有空气进入叶轮，此时流经叶轮的流量为零，但吸风口内有最大真空度 H-H 与口之间的关系曲线如图 4-6.在不同转速，外特性不同，产生的风量和真空度值不同，转速越高，产生的风量和真空度值越大。(图 4-6 叶轮特性曲线)212.吸尘器电风机系统的运行电动风机采用铁氧体永磁直流电机为转动源,因此需要有直流电机驱动器对其进行驱动,通常直流电动机的驱动选用驱动电路,驱动电路及能控制流过电动机的电流大小又能驱动电动机的正反转,驱动电路必须对照电动机的特性选定,为了旋转电机,只要连接电动机的电池即可,为了控制它,由晶体管组成开关电路, 电路如图 4-7 由于输入侧为高电平,所以电动机旋转.(图 4-7 电机驱动)由于考虑到电机工作的稳定性通过单片机控制驱动芯片的工作来使风机旋转或停止,在这里选用 L6203. (图 4-8 L6203 管角图 )22这个电动机驱动器,导通电阻控制在 0.3 ,且发热小,使用简单.供电电压可以使用在48V,驱动电动机的平均电流可以达到 4A.另外,峰值电流可以谐调到 5A。有关这个 IC 引脚进行一下说明。图 4-8 是 L6203 的外形，在引脚上标有名称。OUT1 、2 端连接电动机，电源的正，负级分别连接 VS、GND。为了控制这时电动机正转，反转和停止，信号为ENABLE 引脚和 IN1、IN2 引脚。设 ENABLE 的引脚电压为+5V 时，可以控制电动机的旋转。相反设电压为 0 时，电机停转，当 IN1 引脚为 +5V、IN2 引脚为 0V 时，电动机正转，相反则反转。23第 5 章 全自动吸尘器控制系统的软件编制5.1 全自动吸尘器工作过程分析全自动吸尘器的运动主要是沿直线行走，在使用时先将它放置在需要清洁空间的墙壁左侧，这种方式就像我国规定的汽车通行方式一样，吸尘器的右侧靠近墙壁。当开关闭合后，全自动吸尘器向前沿直线行走，同时超声波传感器对墙壁等障碍进行检测、热释电红外线传感器对人的活动进行检测，当检测到有人的存在时，全自动吸尘器会先停止前进而后有发声器发声音，当检测到前面没有人时会继续前进，直到遇到墙壁为止，当遇到墙壁时全自动吸尘器会暂时停止前进，而后开始左传（右侧步进电机正转、左侧步进电机反转，转弯半径近似为 0） ，由数字罗盘引导转道 90 度，而后前进一端距离（这段距离通过控制步进电机的步进转角实现） ，同时超声波传感器检测是否到了边缘，如果到了边缘则停止前进，向左旋转到 180 度，然后前进，直到有墙壁存在时整个吸尘器停止工作，如果在转过 90 度之后沿墙壁行走过程中走到了步进电机的步数后，吸尘器停止前进，向左旋转直到 180 度，然后前进，同样利用超声波传感器对墙壁等障碍进行检测、热释电红外线传感器对人的活动进行检测，当检测到有人的存在时，全自动吸尘器会先停止前进而后有发声器发声音，当检测到前面没有人时会继续前进，直到遇到墙壁为止，当遇到墙壁时全自动吸尘器会暂时停止前进，而后开始右传（这时的转动方向与前面相反） ，直到转会到 90 度，而后前进一段距离，同时超声波传感器检测是否到了边缘，如果到了边缘则停止前进，向右旋转转回到 0 度，然后前进，直到有墙壁存在时整个吸尘器停止工作，如果在转过 90 度之后沿墙壁行走过程中走到了步进电机的步数后，吸尘器停止前进，向右旋转直回到 0 度，在不断的重复前面的过成，直到将整个清洁区打扫干净，实际上全自动吸尘器的转向为 2 次左转、2 次右转的循环。5.2 步进电机的脉冲信号全自动吸尘器系统中，单片机产生脉冲信号经过 PMM8713 脉冲分配器将驱动信号分配给步进电机的四相，经驱动器驱动步进电机旋转，通过改变脉冲频率可以控制步进电动机速度，用改变 PMM8713 脉冲分配器控制信号的高低，可以实现步进电机的正反转。控制步进电动机速度的方法可有两种:第一种是通过软件延时的方法。改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率；24但这种方法使 CPU 长时间等待占用大量机时，因此没有实用价值。第二种是通过定时器中断的方法。在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用 cFU 时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用的调速方法。全自动吸尘器的的步进电机调速使用定时器法利用定时器进行工作。根据脉冲频率40HZ 和单片机的机器周期来计算定时常数这个定时常数决定了定时时间。当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断在中断子程序