【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成了超聲波接收裝置。 多功能 吸塵器選用了壓電陶瓷式超聲波傳感器，在超聲波信號(hào)發(fā)射側(cè)使用 T4016，在信號(hào)接受側(cè)使用 R4016，發(fā)射信號(hào)側(cè)由 40HZ 的通信電路、控制 ONOFF 及驅(qū)動(dòng)電路組成，接收信號(hào)側(cè)由放大、比較和積分電路組成，圖 24 是超聲波傳感器的電路。超聲波傳感器為了容易反射聲波，對(duì)測(cè)定物體成直角安裝。 （圖 23 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)）圖） 9 （圖 24 超聲波傳感器電路圖） 傳感器的調(diào)整通過(guò)可變電阻變化震蕩頻率，所以使其發(fā)射器的諧振點(diǎn)一致，通過(guò)可變電阻還可以改變比較電壓，由此來(lái)調(diào)整 敏 感度。 超聲波傳感器是利用傳感器頭部的壓振陶瓷的振動(dòng)，產(chǎn)生高頻的人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲波來(lái)進(jìn)行感應(yīng)的，如果這聲波碰到了某個(gè)物體，傳感器就能接收到返回波。傳感器通過(guò)聲波的波長(zhǎng)和發(fā)射聲波以及接收到返回聲波的時(shí)間差就能確定物體的距離。比較具有 代表性的，一個(gè)傳感器可以通過(guò)按鈕的設(shè)定來(lái)?yè)碛薪嚯x和遠(yuǎn)距離兩種設(shè)定，無(wú)論物體在那一種界限里，傳感器都可以檢測(cè)到。例如：超聲波傳感器可以安裝在一個(gè)裝液體的池子上，或者是一個(gè)裝小球的箱子上，向這個(gè)容器發(fā)出聲波，通過(guò)接收到返回波的時(shí)間長(zhǎng)短就能確定這個(gè)容器是滿(mǎn)的、空的或者是部分滿(mǎn)的。 超聲波傳感器還有使用的是獨(dú)立的發(fā)射器和接收器的型號(hào)，當(dāng)檢測(cè)緩慢移動(dòng)的物體或者在潮濕環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，這種對(duì)射示的超聲波傳感器就非常適用。在檢測(cè)透明物體、液體，檢測(cè)光滑、粗糙、有光澤的半透明材料等物體表面，以及檢測(cè)不規(guī)則物體時(shí)，超聲波傳感 器都是首選。超聲波傳感器不適用的情況有：戶(hù)外、極熱的環(huán)境、有壓力的容器內(nèi)及有泡沫的物體。 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器的原理及性能 熱釋電外線(xiàn)傳感器是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高敏度探測(cè)元件，它以非接觸形式檢出人體輻射的紅外線(xiàn)或人射外線(xiàn)的能量變化 ，井將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大， 便可以驅(qū)動(dòng)各控制電路 ,如用于“電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自勁監(jiān)泌等 ?！?熱釋電紅外傳感器不僅適用于防盜報(bào)警場(chǎng)所，亦適于對(duì)人體傷害極為嚴(yán)重的商壓電及 x 10 射線(xiàn)、射線(xiàn)自動(dòng)報(bào)警等。 熱釋電傳感器利用熱釋電效應(yīng)來(lái)檢測(cè)受光面 的溫度升高值 ，得知光的輻射弧度，工作在紅外波段內(nèi)。這種傳感器在常溫下工作穩(wěn)定可靠，使用簡(jiǎn)單，時(shí)間響應(yīng)能到微秒級(jí)，已得到廣泛使用。 熱釋電紅外線(xiàn)傳感器的結(jié)構(gòu)由地電極、壓環(huán)、環(huán)形電極、 PYDF、彈簧等部分組成 . 多功能 吸塵器為了能夠檢測(cè)人的活動(dòng)，減少人對(duì)吸塵器工作的影響，采用了 AM111 型傳感器，這種傳感器使用熱電元件，收集 從人體 10um 附近發(fā)出的紅外線(xiàn)反應(yīng)，內(nèi)部具有 2個(gè)紅外線(xiàn)傳感器，消除背景變化連接使用，為此，近 人活動(dòng)時(shí)反應(yīng)，能夠輸出。 AM111 傳感器，內(nèi)部裝好了放大器當(dāng)然在需要時(shí)還可以在外接運(yùn)算放大器，如 圖 25 所示，用補(bǔ)加電阻就可以輸出，其共有 3 個(gè)管角，分別為信號(hào)、 VCC、 GND，在 多功能 吸塵器中它以開(kāi)關(guān)量的方式向單片機(jī)提供信號(hào)。 （圖 25 熱釋電傳感器電路圖） 整個(gè)控制系統(tǒng)的組成及工作原理 多功能 吸塵器的整個(gè)控制系統(tǒng)，主要由 傳 感器部分（超聲波傳感器、紅外線(xiàn)熱釋電傳感器、電子羅盤(pán)）、微型機(jī)算計(jì)部分（單片機(jī) 8051） 等部分組成。 該 多功能 吸 塵器利用了超聲波測(cè)距的原理（如圖 26 所示），通過(guò)向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對(duì)障礙物進(jìn)行 判斷；通過(guò)以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上加以判斷 ，選定相應(yīng)的控制策略；利用電子羅盤(pán)進(jìn)行方向的判斷，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 兩步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)避障。 多功能 吸塵器的紅外線(xiàn)傳感器能檢測(cè)認(rèn)得存在，在檢測(cè)到人存在時(shí)會(huì)給單片機(jī)一個(gè)電信號(hào)，單片機(jī)控制吸塵器停止前進(jìn)并同時(shí)控制發(fā)聲器發(fā)出聲音，讓人能夠離開(kāi)。 功能 多功能 11 吸塵器實(shí)際上是一個(gè)行走機(jī)器人和吸塵器的組合體，吸塵器行走的同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對(duì)經(jīng)過(guò)的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。 單片機(jī)作為控制源產(chǎn)生脈沖信號(hào) ，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)超聲波傳感器與紅外線(xiàn)傳感器的信號(hào)，數(shù)字羅盤(pán)的轉(zhuǎn)角信號(hào)同樣也輸出給單片機(jī)，由單片機(jī)完成信號(hào)的處理過(guò)程，可以說(shuō) 多功能 吸塵器的控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的。 （圖 26控制系統(tǒng)原理圖 ） 超聲波傳感器 接 收 端 發(fā)射端 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器 單 片 機(jī) 電源 發(fā)聲器 驅(qū)動(dòng)器 左步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器 右步進(jìn)電機(jī) 吸塵部件 電子羅盤(pán) 紅外傳感器 12 第三章 全自動(dòng) 吸塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 全自動(dòng) 吸塵器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 吸 塵器的外殼起著支撐吸塵器各零部件并將它們與外界隔離的作用，這樣既 能保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又能保證安全 。 由于 多功能 吸塵器需要在地面自動(dòng)行走，因此他的結(jié)構(gòu)要保證行走的平穩(wěn)，可以采用臥式吸塵器的結(jié)構(gòu)來(lái)完成其機(jī)體的設(shè)計(jì)， 由圖 31所示殼﹑后殼﹑上蓋等部分組成，均為塑料材料。前殼頭部為吸入口，后殼內(nèi)按裝吸塵部件，里面主要安裝電動(dòng)機(jī) 風(fēng)機(jī)及一些功能性機(jī)構(gòu)； 兩側(cè) 可以用來(lái)安裝車(chē)輪，此外在后殼處有排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作。 家用吸塵器的外殼不僅 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，還要有美觀的造型﹑重量輕﹑外表顏色光澤以及成本低廉，外客的造型設(shè)計(jì)必須適應(yīng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)需要。 外殼一般用金屬材料沖制，或采用工程塑料， 金屬材料有 較高 的強(qiáng)度，由 于重量﹑絕緣材料性能查﹑制造工藝復(fù)雜成本高，因此，除了老式的吸塵器及工業(yè)吸塵器外，現(xiàn)代家用吸塵器很少采用。 鑒于以上原因， 多功能 吸塵器的外殼采用工程塑料為主體，可通過(guò)注塑成型，除了電動(dòng)風(fēng)機(jī)外，其它零件一般均可由工程塑料代替金屬材料，這不僅適合于大量生產(chǎn)，易于降低成本，而且重量可以減少到金屬外殼的 1/3～ 1/4，絕緣性能也大為提高，還可以做成各種款式﹑顏色色澤鮮明的式樣。用于 多功能 吸塵器外殼的工程塑料主要是 PP和 ABS，用于吸管的材料可以是聚丙烯等。 （圖 32 多功能吸塵器安裝簡(jiǎn)圖） 13 多功能 吸塵器的殼體由于考慮到后面要安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)這使得它的后殼結(jié)構(gòu)與通常的臥室吸塵器有所不同， 如 圖 32 表示的在 多功能 吸塵器的后殼部位下面留有一定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝空間，同時(shí)便于驅(qū)動(dòng)輪的安裝，有利于整體結(jié)構(gòu)的布局。 全自動(dòng) 能 吸塵器吸塵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 多功能 吸塵器的吸塵部位，主要由吸嘴﹑ 吸管﹑儲(chǔ)灰箱﹑電動(dòng)風(fēng)機(jī)等部位組成。從外界吸進(jìn)的灰塵和垃圾首先到達(dá)吸塵部，吸塵部的功能主要是使吸進(jìn)的高速氣流通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，濾出垃圾和灰塵。過(guò)濾網(wǎng)不僅僅能擋住較大顆粒的垃圾，而且能阻止細(xì) 小的塵埃通過(guò)，性能好的過(guò)濾網(wǎng)，排出的灰塵在直徑 5 微米以下，此外，過(guò)濾網(wǎng)的透氣性好，能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)濾而不被堵塞，使電機(jī)得到充分的冷卻，其基本結(jié)構(gòu)如圖 33 所示，灰塵通過(guò)吸塵器的吸嘴進(jìn)入到吸塵器吸管，而后經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)的過(guò)濾，沉積在儲(chǔ)灰箱里，氣流由電動(dòng)風(fēng)機(jī)吸入口吸入，而后排出。 （圖 33自動(dòng)吸塵器吸塵部位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖） 多功能 塵器的風(fēng)機(jī)采用車(chē)用吸塵器的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)， 其重量輕，吸塵功率能滿(mǎn)足家用的要求，其安裝通過(guò)吸塵器機(jī)殼的 定位孔固定，由橡膠密封圈進(jìn)行密封，后面由風(fēng)機(jī)固定板進(jìn)行壓緊，在機(jī)殼的后面留有一些排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作，電動(dòng)風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)，因此，風(fēng)機(jī)固定板應(yīng)該用一些能夠 減震 的材料，向 泡沫 等，吸塵口應(yīng)該與風(fēng)機(jī)口對(duì)應(yīng)一條線(xiàn)，有利于風(fēng)機(jī)工作，從而更好的吸塵。 風(fēng)機(jī)有密封罩，有封閉的電機(jī)罩降噪效果好。因?yàn)殡姍C(jī)產(chǎn)生的噪聲會(huì)很容易穿透吸塵器 14 外殼，造成噪聲污染；全密封的電機(jī)罩還能保證電機(jī)產(chǎn)生的熱量不會(huì)影響到其他電器件，延長(zhǎng)整機(jī)的壽命。吸塵器的處灰箱一般為 2～ 3L ， 多功能 吸塵器的 儲(chǔ) 灰容量設(shè)計(jì)為 ，其完全能夠滿(mǎn)足家 用地面的清潔。 全自動(dòng) 吸塵器行走部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 全自動(dòng) 吸塵器主要參數(shù)計(jì)算 多功能 吸塵器的驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪（后輪），從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)，而采用了應(yīng)用非常廣泛的萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖 34）。 通過(guò)改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施加相同或不同脈沖信號(hào)時(shí)，通過(guò)差速方式，可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、 調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)）。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過(guò)改變單片機(jī)的程序來(lái)調(diào)節(jié) 。 由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求 3m／ min 左右，這樣能夠保證 多功能 吸塵器行走平穩(wěn)，而且有 很高的效率，設(shè)計(jì)車(chē)輪的直徑為 8cm, 左驅(qū)動(dòng)輪左步進(jìn)電機(jī)右步進(jìn)電機(jī)左毛刷電機(jī) 右毛刷電機(jī)進(jìn)塵口萬(wàn)向輪右驅(qū)動(dòng)輪 ( 圖 04 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖 ) 則 由公式（ 3— 1） 15 U=C179。 N （ 3— 1） 式中 C— 車(chē)輪的周長(zhǎng)（ cm） N— 車(chē)輪的轉(zhuǎn)速（ r/min） N=U/C ≈ 12r/min 吸塵器的阻力計(jì)算 設(shè)計(jì) 多功能 吸塵器的質(zhì)量在 3Kg 則 。后車(chē)輪的的阻力矩由公式（ 3— 2） T=mg179。 f179。 r （ 3— 2） f— 滾動(dòng)摩擦系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 117 取 （ K/CM) T=3179。 179。 179。 4 = 吸塵器的前 輪阻力矩 T0=mg179。 f179。 r =3179。 179。 179。 = T1= mg179。 f1179。 R f1=,由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 119選取 . T1=。 根據(jù)供電電壓為 12V 選取步進(jìn)電極電機(jī) ,根據(jù)《小功率電機(jī)手冊(cè)》 ,選擇永磁式步進(jìn)電機(jī) ,其具體參數(shù)如下 :表 31。 表格 31 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 額定電壓 (V) 電流（ A） 保持轉(zhuǎn)矩（ mN/cm） 步近角( 176。 ) 57BYG005 4 12V 176。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）軸的徑向尺寸的確定 軸的徑向尺寸是在出算軸的直徑基礎(chǔ)上進(jìn)行的 ,軸徑的估算方法是按扭矩并降低許用扭 16 轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法進(jìn)行的 。 計(jì)算由公式（ 3— 3）， d≥ 3 /NP 179。 A (mm) （ 3— 3） 式中 P— 為軸所傳地的功率（ KW） N— 為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速（ r/min） A— 為軸的許用應(yīng)力系數(shù)（其值可以查《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材表 ，在這里選取軸的材料為 45 號(hào)鋼，則 A=108,由步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)由公式（ 3— 4）可知； P=VI （ 3— 4） =179。 12 = 取轉(zhuǎn)速 n=12r/min 計(jì)算得 d≥ 108179。 3 12/ ≥ 軸的截面上有一個(gè)鍵槽，將直徑增大 5﹪，得 d≥ (1+5﹪ ) ≥ 取標(biāo)準(zhǔn)值 d=10mm ,即為軸直徑最小直徑。 為了便于聯(lián)軸器的連接以及車(chē)輪的安裝，許用下述方按，如圖 35 在軸的左 側(cè)需要連接聯(lián)軸器，以便于和步進(jìn)電機(jī)的軸相互連接， 在 軸的右側(cè)有鍵主要用來(lái)和車(chē)輪連接，在右側(cè) 同時(shí)加工螺紋，使車(chē)輪能夠沿軸向固定，在軸的中間留有軸間用來(lái)固定軸承，逐步選定軸的直徑為 D=10mm 軸間 D=12mm,則根據(jù)軸的直徑來(lái)選擇軸承和聯(lián)軸器等 ,由于軸的直徑較小現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn) 聯(lián) 軸器很難滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求 ,因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)聯(lián)軸器 ,選用鋼管加工滿(mǎn)足要求