1. 研究目的与意义

近年来，随着计算机和人工智能科学的飞速发展，智能家居作为高品质生活的代表，得到了越来越多的关注。市面上自动清洁的机器人产品较多，然而实现桌面自动清洁的产品还较少，能够实现自动清洁的一般也就是清洁机器人，而由于餐饮业的发展和需要，桌面的自动清洁将会越来越被需要。如果使用机器人清洁桌面，成本较高，效率也低；而使用人力进行桌面清洁，工作重复度高，浪费劳动力。因此，研究如何实现桌面自洁，即通过控制器控制产品自动擦拭桌面，以达到桌面自动清洁的目的，为以后如何节约人力资源、减少重复劳动，提高经济效益起到了重要的作用。

2. 课题关键问题和重难点

在百洁桌控制系统的设计中，最关键的问题是需要什么样的桌子，这桌子可以给我们带来什么样的便捷即百洁桌的功能。这就带来了这次设计的难点。

1、由于是智能控制，那么不可或缺的就是电机控制。由于对清洁模块的控制效果较多，需要多次改变电机转向，这就给本次设计带来了电机控制的难点。不同的时间点对电机转向要求不同给这次系统设计带来了较大的麻烦。

2、为了使百洁布能够达到预想的清洁效果，给编程也带来了较大的困难。在设计时，需要同时考虑传送带带动清洁模块的往返运动。对各个影响要进行严密的优先级排序，使系统能够在遇到不同的情况下都可以良好稳定运行。

3. 国内外研究现状（文献综述）

在刘保延的《步进电机及其驱动控制系统》一书中主要介绍了步进电机的控制原理以及驱动电路，由于本次设计决定采用步进电机作为主要结构，所以关于步进电机和步进电机的驱动控制电路介绍如下：

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电动机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变则保持一定的位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲同步的同步电动机。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器.

单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。同时步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。1/3τ、2/3τ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以τ表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3τ，C与齿3向右错开2/3τ，A'与齿5相对齐（A'就是A，齿5就是齿1）,下图1-1是定转子的展开图：

图1-1 定转子的展开图

步进电机工作原理

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3τ，此时齿3与C偏移为1/3τ，齿4与A偏移τ-1/3τ=2/3τ。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3τ，此时齿4与A偏移为1/3τ对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3τ.

这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3τ,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3τ改变为1/6τ。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3τ变为1/12τ，1/24τ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

反应式步进电机可以按照特定的指令旋转某一角度进行角度控制,也可以连续不断的转动进行控制. 角度控制时,每输入一个脉冲,定子绕组就换接一次,输出轴就转过一个角度,其步数与脉冲数一致, 输出轴转过的角位移量输入脉冲数成正比。速度控制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲,各相脉冲不断的通断, 步进电机连续运转,它的转速与脉冲频率成正比.由齿矩角的计算公式360/ZN; (N为运行拍数) 每输入一个脉冲,转子转过的角度整个圆周角的也就是转过1/ZN转。因此每分钟转子所转过的圆周数。即转速为: n=60f/ZN(转/分) f为控制脉冲的频率,即每秒输入的脉冲数。

有上式可知, 反应式步进电机的转速取决于脉冲的频率, 转子齿数和拍数.当转子齿数一定时,转子转速 与输入脉冲的频率成正比,或者说, 其转速与输入脉冲的频率同步,改变脉冲的频率可以改变转速,故可以进行无级调速,调速范围广。

另外,改变通电顺序,即改变定子磁场旋转方向,就可以控制电机正转或者反转。步进电机的转速可用齿矩角来表示。

当脉冲频率一定时, 步矩角越小,电机转速就越低,因而输出功率也就越小,所以从提高加工精度上要求应该选用小的步矩角,但是从提高输出功率上要求时, 步矩角不能取的太小,一般步矩角根据系统中的应用情况进行选取.步进电机控制示意图如图1-2所示

单片机

脉冲分配器

放大器或驱动电路

步进电机

脉冲输入

图1-2控制步进电机示意框图

步进电机驱动控制系统的硬件电路由脉冲发生单元,脉冲分配器,微机控制单元和功率放大器几个部分组成.示意框图如1-3所示:

脉冲发生器

脉冲分配器

功率放大器

步进电机

负载

方向控制

图1-3步进电机驱动控制框图

主要参考文献：

[1]田玉平，自动控制原理[M].第二版.北京：科学出版社，2007

[2]魏学业，周永华，祝天龙.传感器应用技术及其范例[M].北京：清华大学出版社，2015

[3]李群芳，肖看，张士军.单片微型计算机与接口技术[M].第四版.北京:电子工业出版社，2012

[4]求是科技．单片机典型模块设计实例导航[M].北京：人民邮电出版社，2006

[5]石岛胜.小型交流伺服电机控制电路设计[M].北京:科学出版社，2013

[6]梅丽凤.王艳秋.汪毓铎.单片机原理及接口技术.清华大学出版社.2004.2

[7]王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京航空航天大学出版社.1998.4

[8]先锋工作室. 单片机程序设计实例.清华大学出版社.2002.

[9]张洪润,蓝清华. 单片机应用技术教程[M].北京:清华大学出版社,1997.

[10]秦曾煌. 电工学[M].北京:高等教育出版社,1999.

[11]刘保延,等. 步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

4. 研究方案

根据长时间的探讨研究，最后决定的总的方案如下：

采用硬度足够的纸板作为模拟桌面，将步进电机放置在桌面下方，缩小体积，同时作为一体化设计，以传送带双层叠加控制清洁模块往复运动，达到同步效果，以开关控制清洁工作的始终，在有需要的时候按下开关，开始清洁。

单片机控制步进电机就是用单片机发出脉冲信号,经过驱动单元驱动步进电机工作，同时可以利用外围电路控制步进电机的状态,显示其工作状态。针对本设计,采用模块化设计，每个模块完成一项功能，便于系统调试与扩展。系统示意框图1-4所示 。

键盘控制

单片机

脉冲分配器

驱动电 路

步进电机

图1-4 系统示意框图

下面根据课设要求以及实际情况，现将系统分为以下几个部分进行方案比较、论证与选择。

1.1 电机选择模块

方案1 ：直流电机

直流电机是以电机电压为控制变量，以位置或速度为命令变量。采用连续移动的控制方式。直流电机需要反馈控制系统，他会以间接方式控制电机位置。适用于对位置要求比较不高的场合。

方案2 ：步进电机

步进电机是以步阶方式分段移动。系统多半以开环方式进行操作。采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置。步进电机可实现精确定位控制，配广泛应用于位移精确定位系统中。

综合考虑，根据实际情况，选择步进电机控制系统。与直流电机相比，步进电机可以严格控制清洁模块滑动距离，适合桌面清洁，达到预想效果。

1.2对步进电机的控制和驱动方案：

方案1：使用多个功率放大器件驱动电机，通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。

方案2：使用L298N芯片驱动电机，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便，选择了方案二。

5. 工作计划

第一周 领会课题含义,查阅相关文献，理解相关资料，并跟导师商量方案的计划,完成相关英文资料翻译.

第二周 在理解有关文章基础上，提出完成本课题的初步方案，写出相应开题报告一份

第三周 完成电路及工作状态分析，给出原理图，分析相关参数，进行硬件搭接