机器人吸尘器设计报告

1、摘 要:根据人类快节奏生活环境的需要，在传统吸尘器的某础上运用了传感器技术， 51单片机控制，全白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 境的清洁，替代传统繁重的人工清洁工作,近年來已受到国内外的研究重视。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, 并在处理返冋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

2、，山其自身携带的吸尘风机，对经过的地 面进行必耍的吸尘清扫。当吸尘器电力不足时，电量传感器报警捉示。关键词：机器人吸尘器 混合式步进电机超声波传感器灰尘传感器红外释热传感器 电量传感器一. 整个控制系统的组成及主要设计思路分析多功能吸尘器的整个控制系统，主要由电机部分、传感器部分、微型机算计部分（单 片机8051）分组成。该机器人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，対障碍物进行判断；通过以单片机为核心的控制器实现対超声发射和 接收的选通控制，并在处理返回脉冲信号的棊础上加以判断，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

3、两步进电机，带动驳动轮，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。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，山其自身携带的小型吸尘部件，対经过的地血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。超声波传感器接收端发射端二. 驱动电机部分机器人吸尘器的驱动部分选择由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成。1选择步进电机的理由步进电机的优势：> 步进电

4、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。> 成木低> 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。送- 线性关系存在，而且步进电机只有周期性的误差（一般步进电机的精度为步进角的 3-5%）而无累积课差等。智能吸尘器是边行走边工作的，所以耍求速度很低，一般耍求3-5m/min左右,对电机 转速的耍求不高，所以综合考虑选择步进电机。步进电机分三种：> 磁阻式：反应式步进一般为三相，可实现大转短输出，步进角一-般为1. 5度,但噪声和振动都很大。这种电机选择儿乎不被选用。&

5、gt; 永磁式：一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7. 5度或15度。永磁式步 进电机与传统的磁阻式步进电机相比，结构上转了加有永磁体，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，其口 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。> 混合式:混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它乂分为两相和五相。两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。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

6、。 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，乂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。/y左毛01电机右毛則电机左驱动轮袈动轮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，乂提高了转弯的灵活性。通过改变作川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

7、脉冲信号时，通过旁速方式，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來调节。表电机转向与吸尘器的运动方式左步进电机顺转顺转逆转逆转右步进电机顺转逆转顺转逆转吸尘器运动前进左移右移后退按照运行速度5m/min,设计车轮后伦的直径为8cm计算，这样能够保证多功能吸尘益行走平稳，而且有很高的效率。v = 7idnu 20r/minv 500n =7id 3.14x8其中，运行速度d车轮直径一电机转速山于智能吸尘器速度

8、很低，而步进电机为避免低速爬行，其转速乂不能太低，为此，在 电机轴打轮轴z间釆用了一级齿轮传动，设计传动比为5。设电机的转速为n约为 100r/min。机器人吸尘器的质w 3kg,电机在平地上行走吋，后年轮的的阻力矩tf - mg x / x rtf =3x 9.8 x 0.055 x 0.04 = 0.0647n m其小，7；吸尘器后轮的的阻力矩m吸尘器质最 f 滚动摩擦系数 厂一后轮半径电机爬坡时,/ytf = mgr(sin 0 + / cos &) = 3 x 9.8 x 0.04 x (14- 0.055) = 0.877n mtl max=0.877?/ cm多功能吸尘器的

9、前轮阻力矩：tf = mg x/x 伽t； = 3 x 9.8 x 0.055 x 0.5 = 0.8n m具屮，t；吸尘器的前轮阻力矩-滚动摩擦系数r前轮半径最大负载转矩限制要求：几t论一般使用中，取：t, = tz max /(0.3 0.5)式中：tst 步进电动机启动转矩;r/max最人静负载转矩。=卩皿 /(0.3 0.5)=0.8770.3= 2.9232 加步进电机的保持转矩是指步进电机通电但没有转动吋，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。山于步进电机的输出力矩随速度的增人而不断衰减，输出功率也随速度的増人而变化，所以保持转矩

10、就成为了衡量步进电机最重耍的参数z。且扌n数较多是，始动转矩亿越接近保持转矩，所以选定电机时，将保持转矩视为重要衡最参数。 通过网络查阅资料，有：常州市江华电机电器有限公司百页供应产品公司档案公司相册公司动态立即询价会员专区额走电压：2 (v)额定电淪7(a)额走转矩：2.94 (nm)效至：80 (%)额定转速:m000 (rpm)额走功至：200 (w)型号：86byg450c-01产品类型：步逬电机适用范圉：自动化设备，数控设备产品认证：is09001-2000外形尺寸：86( mm)hb stepping motors混合式步进电动机(86byg)环境温度 ambient temper

11、ature25+40c绝缘强度 dielectric strength 500v ac 50hz 1 minute 温 升 temperature rise 85k绝缘电阻 insulation resistance500v dc 100mqmin绝缘等级 insulation classb技术数据:specifications型号相数步距角电压电流电阻电感定位转矩車b同儘方式机身长lmodelvoltoq©(v)curroni(a>resistance (inductance (mx)holdir>3 :arque(n.moelerrf torque tn-r|rohr

12、 nertiakxdtflcon 此伯length (mm)86byg45ca-014ib2.91.71.761.180.080.641.626286byg4ka-024tr51.254161.180.080.641.626236byg45：此c341.63.60.45z1.180.080.641.626286byg4wa-c4&1,8，1.44.50.311.32.160.080.641.8262868yg450bx；141.8*340.753.52.160.151.32.6294蝴 yg45dw241.8*25460.552.52j60.151.32.62&4圧3yg450

13、m341.8"4.32.51.792.160.151.32.6294励 y3 dfu4ias5.4丄27152.160.151.326294e68yg45dc-014i.a#270.2922.&40.251.93.821341|3yg45dc-021.8c44162.940.251.93.82134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180200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，从而导致力矩卞降乃至于失步，因 此电机外表允许的最高温度应取决丁不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的

14、退 磁点都在摄氏130度以上，冇的甚至高达摄氏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i瓦到一千瓦以上，较人功率的 电风机系统一般都采川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

15、机系统的重要技术指标。全白动吸尘器的电动风机要求电动机侑很高的转速， 转速不低于10000r/min.木来想用自流无刷感应电机做为风机，但在查阅资料时发现可以宜接买入做好的吸尘 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fc8347 qw12t-05fo 价格在4555之间，可以接受。起批畏（台价格1-499¥55.00 治500-999¥48.00/台>1000*45.00/台发货砌流江苏苏州至请迭择 快递¥2批发方式亘复3全店藕1000元或10台可混批釆购成交评价 7台成交（共球评价）>29>480>450艮大吸入功主

16、(v) max suction pouermax vacuum grce>52&>550<15<15<15圾动(ra/s) vibraiion财(db)noise<98寿和)life>500>500>500>500f/e /af /e /af /e hf /e /a絶缘牛纵class四. 超声波传感器1. 原理机器人智能吸尘器利川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

17、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。r =331.4 /1 +7v273 （m/s）在智能吸尘器屮，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，从而产牛超声信号向外发射；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

18、号的幅值人小，也可以初步确定障碍物的人小。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rl、rll、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 吋必然存在肓区。因此，三对传感器必然以一定的尺寸分布在吸尘器的前端，从而便传感器 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（既使有区落在须测量 的范围之外）。3. 防止干扰山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t扰的问题。为了解决 这一问题，在设计中引

19、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牛影响。空气温度每上升2（rc,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%o4. 性能指标超声波传感器的主耍性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电品片的共振频率。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，灵帧度也最高。（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

20、率 较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产牛失效。（3）灵敏度。主要取决于制造品片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反z,灵敏度低。5. 元件选择全白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 t40-16 r40-16价格：5.00元一对左右 成木较低，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

21、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：(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屮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。微粒和分了在光的照射下会产生光的散射现彖，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。

22、如此-來便可求得入射光通过待测浓度场的相对衰减率。而相对衰减率的人小基本上能线性 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 号就町以求得相对衰减率。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 (lum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p

23、d4ns4. 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/界味传感器tgs2600产品型号:tgs2600所属分类:半导休气休传感器气味传感器/界味传感器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:0.30.6 (10ppmh2阻值/空气中阻值)防爆等级：空气质虽传感器输出信号：可变电阻值环境温度：1050°c> 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倾度；低功耗；对气态的空气质量检测有很高的灵嫩度; 长寿命，低

24、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口动控制领域： 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h动进气装宜，可调电阻设置检测灰尘的人小。采用与粒子计算器

25、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可以感知烟草产牛的烟气和花粉，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：灰工传感器dsm501的対象是比气味物质更大的灰尘粉牛颗粒。到1990年代屮期，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 那以示，人们对于“灰尘叮kj认识又发生了变化。在“灰尘'，之屮，尤其是“房屋灰尘（

26、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z后，在室内饲养宠物的家庭猛增。因此，除了气味z外，包 含狗皮們、猫皮們、喊虫厂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，因此最初会在室内鮫底的位置漂 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识别的体积人。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。同吋，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:电气参数dsm5

27、01模块i工作电压范围dc5.0±0.5vi瀚出万式pwm脉宽调市i输岀电压低电平（有粒子时）0.7v (maxl.ov)髙电平（洁净空气时）4.5v (min 4.0v)最小粒子检出能力1 u m灵敏度15000 个/283ml工作电流（最大值）90ma湿度范围储存环境0 至 99% rh工作环境0 至 95% rh温度范围储存环境20°c 至 80°c工作环境2c至60°c稳定时间加热器电源接通后约1分钟水输出波形:pulse width=10ms-90mslt： tatol low pulse time输出波形pwmhi&h 4.5vlow

28、 0.7vut： unit time (30s)低脉冲率：rt=lt/ ut x100%*特性ml线:*原理结构图:ledheater*价格：35兀左右狮鮒子删侗wt饲刪融縣加 »雄传翳憐娥關dsm501<i-!l 1肺畫麹軒联飜逅_1般(pcs)備、f >ioo35.oo/pcsaj:六. 红外线热释电传感器1.原理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，己得到 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

29、电传感器的特点 |低噪声，高响应度优异的共模半衡双峯元类型 to-39, to-5 封装 各种滤波器窗口供宽带或者窄带应用单通道或者双通道器件 双元或者四元器件应用于防盗产品单元器件带热补偿优缺点：优魚本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺魚容易受各种热源、光源干扰被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮扛不易被探头接收。环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失 灵。3 传感器选择冃前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主耍有：上海产的：sd02、ph5324德国产的:lh1954、lh1958美国hamamatsu公司产的：p2288日本 nipp

30、on ceramic 公司的 sca02-1、rs02d我们选择的是：re200b红外释热传感器 价格：3元 经济性好价格订货畳(pcs)10-4950-89>903.00 元/pcs j2.80 元/pcs2.50 7l/pcs发货地点：广东深圳物渍运费：快递15元 运费计算y付款方式：支付宝网上银行产品品牌：re200b人体红外热释电传感器产品型号：re200b人体红外热释电传感器累计出售：0pcs暂无评价育2 mz,"卜如训i"广"镉射,提高j're200b是传感器的一种，re200b采用热釋电材料极化随;】 并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化

31、产生的干扰，4. 参数 双元热释电红外传感器re200b> 灵敏元面积2. 0x 1. 0mm2re200b> 基片材料硅> 基片厚度0. 5mm> 工作波长7-14 u m> 平均透过率>75%调制频率0. 3-3. ollz带宽72. 5db增> 输出信号>25v(420° k黑休1hz 益)> 噪声 <200mv(mvp-p) (25°c)> 平衡度20%2.2-15v8. 5-24 u a(vd=10v, rs二47k q , 25°c)0. 4-1. 1v(vd=1ov, rs二47kq

32、, 25°c) -20 °c- +70 °c-35°c- +80°c> 工作电压> 工作电流> 源极电压> 工作温度> 保存温度> 视场 139° x126°说明该传感器采用热解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47kq条件下测定的，用户使用传感器吋，可根据 自己的需要调整r2的大小。2) 注意灵敏元的位迸及视场大小，以便得到最佳光学设计。3）所冇电压信号的测虽都是采用峰一峰值定

33、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，尤其耍防止接错管脚.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f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。r1vw470qr54700vledi2n2222r4led23.3kq1 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，品体管 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