智能吸尘器的开发及设计
摘 要： 介绍一种能在无人情况下自主工作,并具有自动避障等功能的新型智能吸尘器的开发及设计,它自带电源,由单片机控制。
关键词：超声波避障功能 MC51单片机 步进电机 智能吸尘器
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。而智能化正是这一目标的集中体现。本文介绍的智能吸尘器初步实现了无人情况下的自主工作方式,很大程度地提高了产品的自动化水平。
１ 总体原理
该智能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,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;通过驱动器驱动两步进电机,带动驱动轮,从而实现避障功能。与此同时,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。
２ 功能实能
整个吸尘器原理上可以分为五个主要部分（如图1）：传感器部分、控制器部分、驱动部分、吸尘部分和电源部分。各部分的原理及具体功能实现如下：
２．１ 传感器部分
２．１．１ 超声波测距原理
超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性,而在不同媒质的界面处,会产生反射现象。利用这一特性,就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔,从而达到测量距离的作用。其具体的计算公式如下：
s＝v×t／2
其中,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。
在智能吸尘器中,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（如图1）的作用下,40kHz的振荡信号被加在超声发射探头的两端,从而产生超声信号向外发射;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,根据信号的幅值大小,也可以初步确定障碍物的大小。
２．１．２ 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）,所以在测量时必然存在盲区（如图2）。因此,三对传感器必然以一定的尺寸分布在吸尘器的前端,从而使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（既使盲区落在须测量的范围之外）。
２．１．３ 防止干扰
