基于单片机的智能吸尘器控制系统的设计

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【摘要】本文介绍了一种以单片机STC89C52为核心的智能吸尘器控制系统的设计方案，阐明了该系统的总体结构和各模块的功能。本系统采用混沌遗传算法可以实现自动循迹、避障、吸尘等功能，可以实现家庭、宾馆等室内环境的自动清洁，具有广阔的市场前景。

【关键词】单片机；智能吸尘器；传感器；混沌遗传算法；控制

1.引言

智能吸尘器是在无人指导下对房间地面进行清扫的智能机器人系统。这种系统集计算机技术、传感技术、机械技术为一体，已经成为智能机器人研究热点方向之一。作为智能机器人的一个应用，从技术层面讲，智能吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景讲，智能吸尘器将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此开发智能吸尘器既具有科研价值，又具有广阔的市场前景。本文将介绍一种以基于单片机的智能吸尘器控制系统的硬件及软件的实现方法。

2.系统的总体设计

系统的总体设计框图如图1所示，本系统采用单片机为主控制器，电机驱动电路实现吸尘器行走及吸尘，避障电路作用是可以避开障碍物，循迹电路能实现是否检测到垃圾，压力检测电路可以检测到垃圾桶是否已满，并通过报警电路加以提醒，按键电路实现时间的调整并通过显示电路实时显示。

图1 系统总体设计方框图

3.电路的硬件设计

3.1 最小系统的设计

AT89S52单片机是ATMEL公司推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品。AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8为单片机，片内含8K Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。单片机最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，包括单片机、晶振电路、复位电路。

3.2 I/O扩展电路

本系统需要实现的功能较多，只用单片机本身的I/O口很难实现，因此，为了满足系统要求，采用一块I/O扩展芯片8255A来扩展所需要的I/O口。I/O接口扩展电路如图2所示。

图2 I/O接口扩展电路

3.3 寻迹电路的设计

本系统的循迹电路能够实现吸尘器对垃圾的检测。循迹电路采用光电对管，通过光电对管对外部信号进行采集转换，在通过信号处理电路处理后送入单片。光电对管循迹电路如图3所示。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，P1.2为高电平，表示检测到垃圾。当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，P1.2为低电平，表示没有检测到垃圾。

图3 寻迹电路

3.4 超声波避障电路的设计

（1）超声波发射电路的设计

超声波发射电路如图4所示，由单片机AT89S52的P1.6口发出同步脉冲信号，该同步脉冲信号启动多谐振荡器，使其输出40kHz的高频电压信号，经过整形直接加至超声波换能头。根据逆电压效应，产生震动频率为40kHz的超声波。

图4 超声波发射电路

（2）超声波接收电路的设计

超声波接收电路如图5所示，超声波接收器将接收到的回波信号转换后经过0.056uF的电容初步滤波，进入CX20106A的1脚，经过CX20106A的前置放大器，限幅放大，带通滤波器（中心频率为40kHz），检波器及比较器，最后经过内部的整形电路，从7脚输出至AT89S52单片机的外部中断0（P3.2）口。当芯片接收到40kHz的信号时，7脚的输出由高电平转换为低电平，单片机外部中断0口检测到输入信号的下降沿或者低电平时，立即产生中断，同时停止定时/计数器T0。从而得到超声波的回波时间t，得到距离障碍物的距离。

图5 超声波接收电路

3.5 垃圾桶检测装置的设计

垃圾桶检测装置采用电阻应变式压敏传感器，当垃圾桶内的垃圾量达到一定的高度时触发产生一个物理量变化，具体实现电路如图6所示，当电阻应变片压敏传感器被触发时，电阻应变片的阻值产生变化，应变电桥RP输出的电压也随之而变，应变电桥输出的电压微弱，经过ICL7650和LM358两级放大后与设定值相比较，当超过设定值时，P1.0为低电平，实施报警提示。

图6 垃圾桶检测电路

3.6 电机驱动电路的设计

本设计中的控制系统是通过步进电机控制吸尘器运动，采用芯片L298N作为电机驱动芯片，电机驱动电路如图7所示。将IN1、IN2和IN3、IN4两对引脚分别接入单片机的扩展接口PR1、PR2、PR3、PR4个端口，输出连续的脉冲信号控制转速，改变绕组脉冲信号的顺序即可实现吸尘器的前进或后退。

图7 电机驱动电路

3.7 显示电路的设计

显示电路实现对吸尘器的定时显示，本系统采用数码管动态显示，显示电路如图8所示，采用4511对共阴极数码管进行段驱动，采用PNP型三极管对数码管进行位驱动。

图8 显示接口电路

3.8 报警电路的设计

报警电路实现垃圾桶装满提示作用，报警电路如图9所示，当检测到垃圾桶装满时，P2.7输出为低电平，三极管导通，铃响。

图9 蜂鸣报警电路

3.9 按键接口电路的设计

本系统由于需要按键较少，故采用是独立式按键。按键电路如图10所示，一共4个按键，分别为吸尘器的启动键、定时键、加小时键、加分钟键。

图10 键盘接口电路

4.系统软件设计

本系统的采用混沌遗传算法控制智能吸尘器进行避障，混沌遗传算法是采用混沌算法的遍历性的优点来解决遗传算法易陷入局部最优和过早收敛等缺点。在本系统智能吸尘器的避障算法中引入混沌遗传学主要包括环境建模、编码、适应度函数的设计等。

本文中进行路径规划时采用了栅格表示地图，使得处理障碍物的边界时，避免了复杂的计算。栅格法建模中不满一格的小格会被标准化成一格较大的格子进行建模。

经过传感器感知的障碍物的坐标为二维坐标，这大大延长了单片机的计算时间，无法保证智能吸尘器的处理能力。因此本系统软件处理时，把二维的信息编码为一维的坐标信息，在算法中把智能吸尘器的起点和终点的坐标在横坐标被等分，这样横坐标携带的信息去除直接编码成为以纵坐标表示的一维编码。

采用混沌遗传算法控制吸尘器避障所构造的适应度函数应该满足避障与路径最短的条件。障碍物与吸尘器的距离与夹角通过传感器进行测量。角度与位置通过二维坐标进行编码，在设计适应度函数时如果障碍物越多适应度越小，反之越大。

5.结论

本设计通过单片机及其模块，采用混沌遗传算法，实现了智能吸尘器定时、避障、吸尘功能。本系统结构简单、稳定、具有较高的控制精度以及较强的抗干扰能力。

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作者简介：孙立辉（1976—），男，吉林榆树人，硕士，吉林化工学院信息与控制工程学院讲师，主要从事电子技术、单片机应用、信号检测等方面的研究。