基于全自动吸尘器的设计.docx
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基于全自动吸尘器的设计
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毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
全自动吸尘器
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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
Abstract
Alongwithdevelopmentandtheprogressofsociety,workandthestudyofpeoplearemoreandmorebusy,sohowlargerdegreelandfreespeoplefromoverelaboratedailything,havebecomethegoalthatnewgenerationhomeappliancepursues,andautomationisjusttheconcentrationofthisgoaltoembody.
Thefullautomaticdustcatcheroftheintroductionofthispaperhasrealizedtheautonomousworkingwayunderunmannedconditionpreliminarily.Ithasusedtheprincipleofsupersonicrangefindingfromelectrifiedsource,judgesthroughenteringdirectionprojectionsupersonicpulseforward,takingoverthecorrespondingreturnpulseofsoundwaveandwaitingforwalltogoon;ThroughwithsheetPianmachineforcorecontrolerrealizationforultrasoundprojectionwithtakeoverchooseknowcontrol,andinhandlingreturnpulsesignalonfoundationjudgement,choosecorrespondingcontrolstrategy;Throughactuatordrive,twostepsdrivesdrivewheelintogenerator,sorealizetowalkchangedirectionetc.function;PassthroughtheheatofinfraredrayShithecampaignoffaxingsensewareforpersoncarriesoutdetection,reducepersonfordustcatcherwalkinfluence.Whendustcatcherwalksatthesametime,theaspirationthatcarriesoutnecessityforthegroundofprocessbythesmall-sizedaspirationpartsthatselfcarriessettlestosweep.
Keywords:
steppermotormicrocontrollerUltra-sonicsensingelectroniccompass
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。
4）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）Ⅰ类吸尘器，额定电压超过42伏，只有基本绝缘。
（2）Ⅱ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）Ⅲ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。
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。
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21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。
（图218051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：
P3.0RXD（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）
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。
PSEN：
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VECTOR2X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。
VECTOR2X是美国PNI（PrecisonNavigationInc）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,Motorola68xxx.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。
（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
（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。
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）
第3章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。
由于全自动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。
（图31全自动吸尘器外壳）
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，全自动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1/3～1/4，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。
用于全自动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。
全自动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，如下图3-2表示的在全自动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。
（图3-2全自动吸尘器安装简图）
3.2全自动吸尘器吸尘部位结构设计
全自动吸尘器的吸尘部位，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3-3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3-3自动吸尘器吸尘部位结构简图）
全自动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
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