全自动吸尘器设计.docx

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全自动吸尘器设计

青岛黄海职业学院

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

全自动吸尘器

姓名

学号

系部

专业

年级

指导教师

2013年10月28日

摘要

全自动吸尘器将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来,实现室内环境（地面）的半自动或全自动清洁,替代传统繁重的人工清洁工作,近年来已受到国内外的研究重视。

作为智能移动机器人的一个特殊应用,从技术层面上讲,智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术,具有较强的代表性。

从市场前景角度讲,自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率,适用于家庭和公共场馆的室内清洁。

因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性,又具有广阔的市场前景。

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。

当吸尘器电力不足时，它会自动寻找充电插头上发射的红外线，找到充电后其尾部的松耦合变压器靠近插头实现充电。

当蓄电池的电充满后自动返回未完成的任务。

关键词:

单片机超声波传感器电子罗盘红外线热释电传感器

松耦合变压器步进电机

Abstract

Automaticcleanermobilerobottechnologyandvacuumtechnologyorganicallyfusesandrealizetheindoorenvironment（ground）orautomatic,semi-automaticcleaningtoreplacethetraditionalmanualcleaningworkhardathomeandabroadinrecentyears,theresearchhasbeenseriously.Asintelligentmobilerobotisaspecialapplications,technicallyspeaking,intelligenceautonomouscleanerisconcretelyembodiesthekeytechniquesofthemobilerobot,strongrepresentation.FromtheAngleofmarketprospect,independentcleanerwillgreatlyreducethelaborintensity,improveworkefficiency,suitableforfamilyandpublicvenuesindoorcleaning.Sothedevelopmentofindependentintelligentcleanerischallenging,andresearchonthebroadmarketprospect.

Usingtheprincipleoftheultrasonicranging,throughtheforwarddirection,andreceivelaunchultrasonicpulsecorrespondingreturnsonwall,sonicpulsejudgment;etc.Throughthecontrollerbasedonsinglechipofultrasonictransmissionandreceptionforthecontrolandprocessinginthebackpulsesignal,selectedbasedonthecorrespondingcontrolstrategy,Throughtheactuatortwosteppermotordrivingwheeldrive,walking,soastoachievethefunctionsuchassteering,Pyroelectricinfraredsensorsthroughtopeople'sactivities,reducetheinfluenceofvacuumcleanertowalk.Whilewalkinginthevacuumcleaner,byitsownsmallparts,andcarryonthedustofthegroundthroughthenecessarydustcleaning.Whenthevacuumcleanerpowershortage,itwillbelookingforchargingplugtheir,findthechargingitstailloosecouplingtransformerneartheplugrealizecharging.Whenthebatteryelectricfullautomaticreturnaftertheunfinishedtasks.

Keywords:

SCMUltrasonicsensorsElectroniccompassHeat-releasinginfraredsensorsLoosecouplingtransformerSteppingmotor

第一章绪论

1.1全自动家用吸尘器简介

1.1.1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

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，供清理地板及地毯是用。

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。

1.1.2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Ｖ４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３６０°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、ＡＲＮＡ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３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。

1.1.3全自动吸尘器的分类

1.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。

2..按形状大小分类

目前民用吸尘器主要分为以下几大类：

1）卧式吸尘器（Canister）

　　在亚欧市场较为常见的吸尘器类型，占整体市场的80%以上。

其特点是外形小巧，存放方便。

卧式吸尘器也分为“尘盒式吸尘器”和“尘袋式吸尘器”

2）立式吸尘器（Upright）

　　美洲市场较为常见，适用于大面积的地毯清洁

3）手持式吸尘器（Handy）

　　体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘，电器等也有良好效果。

缺点是功率较小，吸力不够强劲。

4）桶式吸尘器（Pot）

　　商用吸尘器，多为保洁公司，酒店，写字楼所使用，特点是容量大，能吸水。

5）杆式吸尘器（Stick）

　　近几年逐步增多，多为充电式，特点是体型小巧，使用方便。

6）机器人吸尘器（Robot）

　　高端吸尘器，可自动打扫和充电，但清洁效果有限，适合本来就很干净的家居环境。

7）中央吸尘系统

　　高端吸尘器，它是将吸尘主机放置在主要生活区之外的场所，如：

地下设备层、车库、清理间等，将吸尘管道嵌至墙里，在墙面只留小而美观的吸尘插口，当需要清理时只需将一根软管插入吸尘口，此时系统自动启动主机开关，全部大小灰尘、纸屑、烟头、有害微生物，甚至客房中的烟味等不良气味，都经过严格密封的管道传送到中央收集站。

任何人、任何时间都可以进行全部或局部清洁，确保了最清洁的室内环境。

其清洁处理能力是一般吸尘器的5倍，而软管长度可任意选配，该类系统在欧美国家已是必配系统，在国内已有部分高档楼盘采用了此先进技术。

1.1.4全自动吸尘器的发展前景

近几年来，国内吸尘器市场发展迅速，每年的增幅都保持在15%以上，在中国消费者对家庭装修有了更高要求的同时，对保持家庭环境卫生的吸尘器也就渐渐重视起来。

预计在未来三年，国内吸尘器市场将大涨，到2010年至少要比现在翻一番。

目前吸尘器之于中国人就像上世纪80年代初洗衣机一样，当中国消费者明白它的功用时，机会就来了。

吸尘器对中国人来说曾经是奢侈品，但现在这种情况发生了变化，吸尘器正在中国家庭迅速普及。

在吸尘器逐步走进中国消费者视野的同时，拥有时尚外观、能够提升生活档次的吸尘器也在“攀比”中得到了发展空间。

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。

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。

第二章全自动吸尘器控制部分设计

2.1单片机的由来

单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。

所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。

在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。

到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。

80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台．

2.2单片机硬件结构和开发过程

2.2.1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。

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（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。

2.3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。

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

（图2-3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2-3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。

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，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。

超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频的人耳听不见的声波来进行感应的，如果这声波碰到了某个物体，传感器就能接收到返回波。

传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离。

比较具有代表性的，一个传感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定，无论物体在那一种界限里，传感器都可以检测到。

例如：

超声波传感器可以安装在一个装液体的池子上，或者是一个装小球的箱子上，向这个容器发出声波，通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的、空的或者是部分满的。

超声波传感器还有使用的是独立的发射器和接收器的型号，当检测缓慢移动的物体或者在潮湿环境中应用时，这种对射示的超声波传感器就非常适用。

在检测透明物体、液体，检测光滑、粗糙、有光泽的半透明材料等物体表面，以及检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。

超声波传感器不适用的情况有：

户外、极热的环境、有压力的容器内及有泡沫的物体。

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