智能吸尘器的开发及设计

发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:635

作者：杭州浙江大学机械电子控制工程研究所马翔朱世强吴海彬来源：《电子技术应用》

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

由于三对超声波传感探头之间的安装距离比较近，因而存在相互干扰的问题。为了解决这一问题，在设计中引进了循环扫描的方式。既循环地对每组探头施加发射和接收，当一组工作时，其余两组停止。循环周期由路选信号来控制，只有15ms（即在15ms的时间里完成一次对三组探头的扫描），因而在实际应用中很可靠。

２．２控制部分

控制部分的核心是mc51单片机，它主要完成三个部分的任务：

· 向传感器部分（三路）分别送路选信号：当路选信号是高电频时，该路导通；反之，就截止。这样，通过路选信号，就可以完成三路信号的顺序扫描以及对发射和接收的计时功能。

· 作为控制器的核心，它要根据接收的信号（左、中、右三路）的幅值，以及从发射到接收的时间间隔，计算并判断障碍物的相对位置，大致大小。在此基础上，根据事先设定的规则，选定相应的避障措施（前进、左转、右转、后退、调头）。

· 最后，在确定了避障措施后，要向步进电机的控制器输出相应的控制脉冲，以具体实现避障。

２．３驱动部