第一章 系统的设计及模块方案的论证
1.1 系统方框图
显示台寻迹电路驱避障电路垃 圾 桶检测装置小 键 盘时钟电路报警器主 控 器动直流电机
智能吸尘器控制系统基本方框图图1-1 智能吸尘器控制系统的基本方框图
本系统的设计，是采用可篇程控制器对寻迹信号、避障信号以及垃圾桶检测信号进行采集处理和控制信号输出控制。按设计的要求，本系统是具有定时工作功能，此功能是采用外制的延时时钟电路与可篇程控制器互相配合来实现此功能，为了能清楚的看到定时工作的状态与方便操作，在本系统里加了个显示模块，以达到需求。另外，考滤到可篇程控制器的出输信号一般都比较弱，为了能让可篇程控制器输出的信号可以直接控制被控对象。所以在可篇程控制器输出的信号加以驱动之后再去控制被控对象。
对本系统的供电电源设计，考虑到本系统对供电要求的比较高，因此电源上的设计可以采用电动车上的12V蓄电池供电，只要进行DC-DC处理之后就可以给整个系统供电，包括吸尘器的吸尘机工作电压，不过，在设计上的要求，本设计只是设计一个智能吸尘器的虚拟机，所以，在电源上的要求会于实际产品上电源要求有所区别，没实际产品上电源要求那么高。整个系统的基本框图如图1-1所示。
1.2 模块方案比较与论证
1.2.1 主控器模块
方案1：采用可编程逻辑期间CPLD 作为主控器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。并且，从使用及经济的角度上考虑，我决定放弃了此方案。
方案2：采用Atmel公司的AT89C52单片机作为主控制器。Atmel公司的AT89C52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，3个16位可编程定时计数器。并且，该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。
自己制作51最小系统板，体积很小，下载程序方便，放在吸尘器上不会占用太多的空间。并可作为模拟仿真仪。
从方便使用的角度考虑，我选择了方案2。 1.2.2 寻迹模块
方案1：采用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随着周围环境光线的变化而改变。当光线照射到白色物上面时，光线发射强烈，光线照射到黑色物上面时，光线发射较弱。因此，光敏电阻在这两种物体上时，它的阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器比较就可以输出高电平与低电平了。
但是这种方案受外界的光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我考虑其他更加稳定工作的方案。
方案2：采用红外发射管和接收管自己制作的光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到物质上反射回来的光线。若红外接收管能接收到反射回来的光线，接收管工作则输出高电平；若红外接收管接收不到发射管发出的光线，接收管不工作则输出底电平。这样就可以检测地面是否是平地或是坑地，自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作还是不够稳定，还会受到外界光线的影响，因此我也放弃了些方案。
方案3：采用RPR220型光电对管。RPR220型光电对管是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度的硅平面光电三极管。
RPR220型光电对管采用DIP4封装，其具有如下特点：
1.塑料透镜可以提高灵敏度。
2.内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 3.体积小，结构紧凑。
当RPR220型光电对管的发射器发出的光反射回来时，它的接收器工作（三极管导通）则是低电平输出；反之，则是高电平输出。
RPR220型光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 因此我们选择了方案3。 1.2.3 避障模块
方案1：采用红外光电开关进行避障。红外光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射回来，受光器最终据此作出判断反应。它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。可惜，如果检测到的物体不能将投光器发出的光束反射回来的话，那么就会造成检测错误。
方案2：采用超声波传感器进行避障。超声波传感器的工作原理是：超声波是由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被压电陶瓷超声波传感器接收。然后将这信号进放大处理之后再送入单片机内。这样，不管遇到怎样的障碍物，它都可以正确的检测到，就不会造成误判的结果。
跟据上面的两个方案进行比较后我最终选择了方案2。 1.2.4 垃圾桶检测装置
方案1：采用压电式传感器制作的检测器来检测垃圾桶内的状况装置。压电式传感器具有体积小，高频响应好。但是，受潮后易产生漏电。所以压电式传感器不适合本系统设计的采用。
方案2：采用应变式传感器制作的检测器来检测垃圾桶内的状况装置。应变式传感器是根据应原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应变力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。它具有测量范围宽、精度高、动态响应好、结构简单、体积小、重量轻，使用起来方便，双是价格低廉的产品。
上面两种方案我决定采用第二种方案来作垃圾桶检测装置。 1.2.5 电机模块
本系统虽然是智能吸尘器控制系统，并且是在模拟台上实现。所对驱动电机的选择就显得没那么重要。假如是实际产品上，那驱动电机的选择就显得的十分重要。按设计的要求我设计了两种方案进行比较。
方案1：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。可是，安的转过角度不精确定位，行走的速也过于快，不适全吸尘器的使用，吸尘器的行走速度要求缓慢，转向定位要求要精确。所以，我没采用直流减速电机做为吸尘
器的行走工具。
方案2：采用步进电机作为该系统的驱动电机。步进电机转过的角度可以精确的定位，可以实现吸尘器前进路程和位置的精确定位。步进电机的输出力矩较低，转速比较缓慢，能够符合吸尘器的要求。
因此我选择了第二种方案。 1.2.6 电机驱动模块
方案1：采用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定，驱动力也较低。
方案2：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
因此，我选用了方案2。 1.2.7 显示台显示模块
方案1：采用数码管静态扫描显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了。并且，可以直接用七段译码器进行驱动译码，方便于程序的篇写。
方案2：采用LCD液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大。可是价格高，不适合小功能采用。
因此，我采用方案1做为显示台。 1.2.8 电源模块
因本系统是在模拟台上实现，所以对电源的要求不高，下面是我设计的方案。 方案1：采用12V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。这个方案是适用于实际产品上。
方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池作为主电源，再经过DC-DC处理后为系统供电。采用此种供电方式，设计方便，也满足模拟台的供电要求。而本设计的DC-DC处理是采用LDC TV技术中的DC-DC处理电路。这样也可以使用在实际产品上。
两种方案经比较，我采用了第二种方案。 1.2.9 延时时钟电路
方案1：采用分立元件制成的延时时钟器。用分立元件制作的延时时钟器虽然在价格上很低廉，但是，在设计上它会随着延时时间长采用的元件也跟着升，给设计都带来了不便。并且，它的工作状态也并不是很稳定。所以，我没考滤用此方案。
方案2：采用数字电路的触发器来制作延时时钟电路。数字电路对信号处理很方便，
也很清晰。不过，彩用数字电路的COMS触发器的话。在电源压降上会较大点，易于电耗电。
方案3：采用NE555时基振荡电路制作时钟电路。NE555时基振荡芯片不但价格上便宜，而且设计简便，延时时间长，稳定性能也高。
从上面方案上选择，我选择最后一个方案。 1.2.10 最终方案
1. Atmel公司的AT89C52单片机作为主控制器 2. 采用光敏电阻组成光敏探测器 3. 采用超声波传感器组成超声波避障器 4. 采用应变式传感器来作垃圾桶检测装置 5. 采用步进电机作为该系统的驱动电机 6. 采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片
7. 采用静态扫描显示，并用七段译码芯片CD4511驱动译码显示
8. 采用3节4.2V可充电式锂电池作为主电源，再经LDC TV技术中的DC-DC处理电路对电压进行转换处理
9.采用NE555时基振荡电路作系统的延时时钟电路
第二章 硬件的实现及单元电路的设计
2.1 微控制器模块的设计
Atmel公司的AT89C52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，3个16位可编程定时计数器。并且，该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。另外，自己所设计的51最小系统板操作简单，使用方便。并且，下载线也可以自己制作。
本系统的功能比较大，用到的I/O口也多，因此，为了满足要求，我采用了一块I/O扩展芯片8255来扩展AT89C52单片机的I/O口。
下面图2-1是51系统与I/O扩展芯片的电路图：