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(huì)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(cè)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(duì)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(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;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(duì)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(cè)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(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性,就可以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔,從而達(dá)到測(cè)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(huì)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(duì)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(cè)距的原理。它的傳感器部分由三對(duì)（每對(duì)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(hào)。在控制器送來的路選信號(hào)（如圖1）的作用下,40kHz的振蕩信號(hào)被加在超聲發(fā)射探頭的兩端,從而產(chǎn)生超聲信號(hào)向外發(fā)射;該信號(hào)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(cè)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(hào)的幅值大小,也可以初步確定障礙物的大小。
２．１．２ 探測(cè)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(cè)量時(shí)必然存在盲區(qū)（如圖2）。因此,三對(duì)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(cè)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(cè)死角（既使盲區(qū)落在須測(cè)量的范圍之外）。
２．１．３ 防止干擾
