机器人吸尘器设计报告Word文档格式.docx
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混合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。
这种步进电机的应用最为广泛。
混合式步进电机像磁阻式步进电机一样可以做成小步距角，采用细分电路后步距角更小，有较高的启动频率和运行频率，又像永磁式步进电机那样控制功率小，力矩较大，定子断电时有定位转矩。
所以选择混合式步进电机。
2.参数计算
机器人吸尘器设计采用两个驱动后轮，一个前轮，如图所示。
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。
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。
表电机转向与吸尘器的运动方式
左步进电机
顺转
逆转
右步进电机
吸尘器运动
前进
左移
右移
后退
按照运行速度5m／min，设计车轮后轮的直径为8cm计算，这样能够保证多功能吸尘器行走平稳，而且有很高的效率。
其中，
—运行速度
—车轮直径
—电机转速
由于智能吸尘器速度很低，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5。
设电机的转速为ｎ约为
。
机器人吸尘器的质量取3Kg，电机在平地上行走时，后车轮的的阻力矩
—吸尘器后轮的的阻力矩
—吸尘器质量
—滚动摩擦系数
—后轮半径
电机爬坡时，
多功能吸尘器的前轮阻力矩：
其中，
—吸尘器的前轮阻力矩
—前轮半径
最大负载转矩限制
要求：
一般使用中，取:
式中：
——步进电动机启动转矩；
——最大静负载转矩。
步进电机的保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
且拍数较多是，始动转矩
越接近保持转矩，所以选定电机时，将保持转矩视为重要衡量参数。
通过网络查阅资料，有：
根据计算参数比较，选择了常州市江华电器电机有限公司的86BY450C-01混合式步进电机，价格在180—200元之间，可以接受。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；
一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，该电机的温升满足。
三．电动风机的选择
多功能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,电动风机系统是多功能吸尘器中关键件，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。
全自动吸尘器的电动风机要求电动机有很高的转速，转速不低于10000r/min.
本来想用直流无刷感应电机做为风机，但在查阅资料时发现可以直接买入做好的吸尘器电机。
于是选择了苏州正益凯电器有限公司的吸尘器通用电机马达FC8347QW12T-05F。
价格在45——55之间，可以接受。
四．超声波传感器
1.原理
机器人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。
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ｖ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。
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。
40kHz的超声波信号是由555芯片构成的多谐振荡电路产生的。
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。
2.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。
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）。
3.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。
空气的温度和湿度也会对精度产生影响。
空气温度每上升20º
C，检测距离至多增加3.5%。
在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速最多增加2%。
4.性能指标
超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。
工作频率就是压电晶片的共振频率。
当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。
由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。
（3）灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大，灵敏度高；
反之，灵敏度低。
5.元件选择
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
（超声波传感器为了容易反射声波，对测定物体成直角安装。
）
选择思路：
（1）分体式超声波传感器T40-16R40-16
价格：
5.00元一对左右成本较低，适合机器人吸尘器的选择。
适用范围：
家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置；
超声测距及汽车倒车防撞装置；
液面探测；
超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。
（2）命名方法：
（TC）压电陶瓷超声传感器
（T）类别：
T—通用性；
F—防水性；
（40）中心频率：
（KHz）
（16）外径：
Φ（mm）——尺寸较小，满足机器人吸尘器小体积的特性
（TR）使用方式：
T—发射；
R—接受；
TR—收发兼用
五．灰尘传感器
1.原理
灰尘传感器是用光学方法测量悬浮于气相介质或者液相介质中的微小微粒特性的传感器装置，具有光测技术非接触式测量、不扰动被测对象等特点。
微粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，和此同时，还吸收部分照射光的能量。
当一束平行单色光入射到被测颗粒场时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减。
如此一来便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。
而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。
光强的大小和经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率。
2.相关资料和特性
光学原理，能够探测1微米以上的粉尘粒子；
2、两种输出模式，解决不同灵敏度使用要求，洁净环境Vout输出高电平信号（4V）；
5VDC供电；
探测粒子范围：
最大到8000pcs/283ml（1um以上粒子）；
3.主要优点
PWM方式输出；
结构紧凑，重量轻；
容易安装；
单电源供电；
价格低。
低成本灰尘传感器PD4NS
4.几种灰尘传感器的比较
以下是相关传感器的介绍：
（一）产品名称:
气味传感器/异味传感器TGS2600
产品型号:
TGS2600
所属分类:
半导体气体传感器
气味传感器/异味传感器TGS2600详细介绍：
室内空气检测气味传感器/异味传感器TGS2600主要参数：
型号：
TGS2600-B00
可测量范围：
1-30ppm
分辨率：
0.3～0.6（10ppmH2阻值/空气中阻值）
防爆等级：
空气质量传感器输出信号：
可变电阻值
环境温度：
-10～50℃
室内空气质量检测传感器TGS2600主要特点：
对气味气体有很高的灵敏度；
低功耗；
对气态的空气质量检测有很高的灵敏度；
长寿命，低价位；
应用电路简单。
可用于空气质量检测及室内空气质量检测，空气清新机等
气味传感器/异味传感器TGS2600用途:
气味传感器/异味传感器TGS2600广泛用于下述空气质量检测及自动控制领域：
空气清新机，小家电（控制板），暖通空调，换气扇，空气质量检测，新风系统，空气净化器，空气消毒机等等
（二）产品名称:
灰尘传感器/粉尘传感器DSM501产品型号:
DSM501所属分类:
灰尘传感器
灰尘传感器/粉尘传感器DSM501详细介绍：
灰尘传感器DSM501产品简介：
灰尘传感器DSM501可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等,加热自动进气装置，可调电阻设置检测灰尘的大小。
采用与粒子计算器相同原理为基础,检测出单位体积粒子的绝对个数.二、灰尘传感器/粉尘传感器DSM501
主要特性：
●灰尘传感器DSM501可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等●1微米以上的微小粒子.
●体积小,重量轻,便于安装.
●5V的输入电路,便于信号处理.
●内藏气流发生器,可以自行吸引外部大气.
●保养简单,可以长期保持传感器的特性.
5.最终灰尘传感器的选择
最终选择：
灰尘传感器DSM501
理由：
灰尘传感器DSM501的对象是比气味物质更大的灰尘粉尘颗粒。
到1990年代中期，空气净化器已经能够从气味和灰尘两个方面检测空气质量。
在那以后，人们对于“灰尘”的认识又发生了变化。
在“灰尘”之中，尤其是“房屋灰尘（漂浮在地板上的灰尘等污物）”成为了关注的焦点。
而且，进入2000年代之后，在室内饲养宠物的家庭猛增。
因此，除了气味之外，包含狗皮屑、猫皮屑、螨虫尸体等宠物产生的过敏物质在内的“房屋灰尘”，成为了引发过敏的罪魁祸首。
房屋灰尘的颗粒比气味物质更大、更重，因此最初会在室内较底的位置漂浮，过一段时间便会堆积在地板上。
简而言之，DSM501识别的灰尘颗粒要比TGS2600识别的体积大。
这样DSM501可以有效区分灰尘与普通气体分子，不至于因为精度过高而造成混淆。
同时，DSM501价格低廉，也比较常见，适合家用电器使用。
所以选择灰尘传感器DSM501.
*DSM501如下图所示：
*输出波形：
*特性曲线：
*原理结构图：
*价格：
35元左右
六．红外线热释电传感器
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.
2.红外热释电传感器的特点
优缺点：
3.传感器选择
目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有：
上海产的：
SD02、PH5324
德国产的：
LH1954、LH1958
美国HAMAMATSU公司产的：
P2288
日本NIPPONCERAMIC公司的SCA02-1、RS02D
我们选择的是：
RE200B红外释热传感器
价格：
3元经济性好
RE200B是传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
4.参数
双元热释电红外传感器RE200B
灵敏元面积2.0×
1.0mm2
基片材料硅
基片厚度0.5mm
工作波长7-14μm
平均透过率>
75%
输出信号>
2.5V（420°
k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz带宽72.5db增益）
噪声<
200mV（mVp-p）（25℃）
平衡度<
20%
工作电压2.2-15V
工作电流8.5-24μA（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
源极电压0.4-1.1V（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
工作温度-20℃-+70℃
保存温度-35℃-+80℃
视场139°
×
126°
说明
该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
1）上述特性指标是在源极电阻等于47KΩ条件下测定的，用户使用传感器时，可根据自己的需要调整R2的大小。
2）注意灵敏元的位置及视场大小，以便得到最佳光学设计。
3）所有电压信号的测量都是采用峰一峰值定标。
平衡度B中的EA和EB分别表示两个灵敏元的电压输出信号的峰一峰值
4）使用传感时，管脚的弯曲或焊接部位应离开管脚基部4mm以上。
5）使用传感器前，应先参考说明书，尤其要防止接错管脚.
七．电量传感器
在吸尘器工作时，需要一个电量检测的传感器，例如：
在上图电路中，由于电容会受电磁场干扰，因此我们用如下电路作为检测电量的传感器。
考虑到步进电机的额定电压是5V，因此，将报警电压设置为4V。
即当电源低压至4V时，红色LED1指示灯亮起。
当正常工作时，绿色指示灯LED2亮起。
1.工作原理：
一般绿色的LED2的亮点电压2V左右，三极管b、e的偏压0.6V，因此加载B极的电压需要在2.6V才能点亮绿色LED2（在3.3K电阻上的压降），因此当供电电压在4V以上时，绿色LED2亮起、红色LED1不亮（2.6/3.3K*（2k+3.3k）=4V）,若低于这个电压，晶体管截止，红色的LED1会点亮。
2.元件选择：
LED指示灯（绿）：
考虑到正向电压，在这个吸尘器种，选用东莞衍兴电子有限公司生产的二极管绿色指示灯。
具体参数如下，
在境温度＝25℃时的电特性
参数PAPAMETER
符号
MIN
TYP
MAX
单位
测试条件
发光强度LuminousIntensity
Iv
200
350
Mcd
IF=20mA
正向电压ForwardVoltage
VF
1.9
2.4
V
反向电流ReverseCurrent
IR
10
uA
VR=5V
波长PeakWavelength
λd
565
575
nm
视角ViewingAngle
2θ1/2
20
25
deg
价格如下，
LED指示灯（红）选用东莞衍兴电子有限公司生产的二极管绿色指示灯。
50
400
2.0
2.2
620
630
-
价格如下：
三极管：
选用开关型三极管。
2N2222
八．价格清单
混合式步进电机：
200元*2
吸尘器电机：
55元
灰尘传感器：
35元
红外传感器：
3元
51单片机：
8元
红色LED灯珠：
0.04元
三极管：
0.1元
超声波传感器：
5元
其他（电阻，外壳，车轮等等）：
50元
合计：
约557元
九．功耗：
直流减速电机：
200W*2
1200W
120mW
传感电路：
约为20mW
十．设计的优缺点评估
通过分析，我们设计的机器人吸尘器与市面上的自动化吸尘器相比，具有以下优势：
优势：
1、价格低廉、经济实用。
2、噪声低。
3、体积小、质量小、轻便。
4、该机器受工作环境温度变化影响小，可以在低温环境下工作，并且具备长时间工作的能力。
5、可以识别直径小至一微米以上的灰尘，适用于一些高精度实验室等场所。
6、可以在有电磁干扰的环境下工作。
缺点：
1、不能在有水的地面工作，否则易损伤电路。
2、行动至角落处或遇到灰尘极大处时，吸尘效果可能不佳。
3、不能自动返回并自行充电。
4、由于有红外线传感器，因此工作时容易受热源干扰。
改进措施：
1、可以在电路周围加防水外壳。
2、利用程序实现路径返回的功能。
3、尽量避免在热源多的环境中使用。
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