智能吸塵器的開發(fā)及設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹一種能在無人情況下自主工作，并具有自動(dòng)避障等功能的新型智能吸塵器的開發(fā)及設(shè)計(jì)，它自帶電源，由單片機(jī)控制。

關(guān)鍵詞： 超聲波 避障功能 mc51單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 智能吸塵器

隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，人們的學(xué)習(xí)、工作越來越繁忙，于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事物中解脫出來，就成了新一代家電所追求的目標(biāo)。而智能化正是這一目標(biāo)的集中體現(xiàn)。本文介紹的智能吸塵器初步實(shí)現(xiàn)了無人情況下的自主工作方式，很大程度地提高了產(chǎn)品的自動(dòng)化水平。

１ 總體原理

該智能吸塵器利用了超聲波測距的原理，通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對障礙物進(jìn)行判斷；通過以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號的基礎(chǔ)上加以判斷，選定相應(yīng)的控制策略；通過驅(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)避障功能。與此同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。

２ 功能實(shí)能

整個(gè)吸塵器原理上可以分為五個(gè)主要部分（如圖1）：傳感器部分、控制器部分、驅(qū)動(dòng)部分、吸塵部分和電源部分。各部分的原理及具體功能實(shí)現(xiàn)如下：

２．１ 傳感器部分

２．１．１ 超聲波測距原理

超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。其具體的計(jì)算公式如下：

s＝v×t／2

其中，s為障礙物與吸塵器之間的距離；t為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間；v為聲波在空氣中傳播的速度。由于ｖ的值受溫度的影響會波動(dòng)，因此，在實(shí)際的應(yīng)用中可以用以下公式來加以補(bǔ)償，其中t表示空氣的絕對溫度，m/s為速度單位。 

在智能吸塵器中，避障功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。它的傳感器部分由三對（每對包括一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭）共六個(gè)超聲波傳感頭組成。由單獨(dú)的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40khz，幅值為5v的超聲波信號。在控制器送來的路選信號（如圖1）的作用下，40khz的振蕩信號被加在超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號向外發(fā)射；該信號遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生反射波，當(dāng)這一反射波被接收探頭接收后，根據(jù)前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠(yuǎn)近；同時(shí)，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。

２．１．２ 探測范圍的確定

由于每一個(gè)超聲波探頭都有一定的指向性（即發(fā)射或接受的空間范圍），所以在測量時(shí)必然存在盲區(qū)（如圖2）。因此，三對傳感器必然以一定的尺寸分布在吸塵器的前端，從而使傳感器測量的范圍包含整個(gè)吸塵器所必須經(jīng)過的空間，同時(shí)又避免探測死角（既使盲區(qū)落在須測量的范圍之外）。

２．１．３ 防止干擾

由于三對超聲波傳感探頭之間的安裝距離比較近，因而存在相互干擾的問題。為了解決這一問題，在設(shè)計(jì)中引進(jìn)了循環(huán)掃描的方式。既循環(huán)地對每組探頭施加發(fā)射和接收，當(dāng)一組工作時(shí)，其余兩組停止。循環(huán)周期由路選信號來控制，只有15ms（即在15ms的時(shí)間里完成一次對三組探頭的掃描），因而在實(shí)際應(yīng)用中很可靠。

２．２ 控制部分

控制部分的核心是mc51單片機(jī)，它主要完成三個(gè)部分的任務(wù)：

· 向傳感器部分（三路）分別送路選信號：當(dāng)路選信號是高電頻時(shí)，該路導(dǎo)通；反之，就截止。這樣，通過路選信號，就可以完成三路信號的順序掃描以及對發(fā)射和接收的計(jì)時(shí)功能。

· 作為控制器的核心，它要根據(jù)接收的信號（左、中、右三路）的幅值，以及從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，計(jì)算并判斷障礙物的相對位置，大致大小。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則，選定相應(yīng)的避障措施（前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭）。

· 最后，在確定了避障措施后，要向步進(jìn)電機(jī)的控制器輸出相應(yīng)的控制脈沖，以具體實(shí)現(xiàn)避障。

２．３ 驅(qū)動(dòng)部