多功能智能戶外垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計

羅麗娜

（惠州市技師學(xué)院，廣東 惠州 516001）

0 引言

垃圾桶作為我們生活中的必需品，在我們身邊隨處可見。戶外垃圾桶的地方，在人們的印像中是又臟又亂、看到就繞道走的地方。隨著人們的生活水平不斷地提高，人們的環(huán)保意識和審美水平也相應(yīng)地提高?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能垃圾桶的出現(xiàn)，人們不再需要直接接觸垃圾桶任何部位就可倒垃圾，避免了交叉感染，環(huán)保又衛(wèi)生。如今，戶外智能垃圾桶只用在發(fā)達(dá)的大城市，在其他地方的普及性還不廣，這給我們帶來了很大的設(shè)計空間和發(fā)展前景。設(shè)計一款實用的多功能智能戶外垃圾桶，也將成了我們的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要[1-2]。

戶外智能垃圾桶的設(shè)計不僅是要從材料、外觀、尺寸、成本等方面來設(shè)計，最重要的是智能控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文將從戶外智能垃圾桶的智能控制系統(tǒng)設(shè)計的角度，來介紹一種多功能智能戶外垃圾桶的設(shè)計。

1 智能垃圾桶功能設(shè)計

本文的多功能智能戶外垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計，是為了滿足戶外垃圾桶的基本用途，比如開蓋、合蓋、語言提示垃圾桶情況和垃圾桶滿后自鎖等。

1.1 蓋子開合

垃圾桶蓋的開合方式有自動模式和手動模式，自動模式是為了避免直接接觸，在人靠近時，自動感應(yīng)開蓋，并在人離開3S后合上蓋子。手動模式是為了在自動模式無法啟動時，能供大家臨時使用。

1.2 語言提示

當(dāng)人靠近垃圾桶時，語音播報“歡迎投放垃圾，請愛護(hù)我們的環(huán)境，謝謝！”，當(dāng)垃圾桶滿時，語音播報“垃圾桶已滿，請及時清運”。當(dāng)然，我們在做單片機(jī)編程設(shè)計時，語言播放的內(nèi)容是可以修改播放的提示語的[3]。

1.3 桶滿鎖定

為了避免垃圾桶滿時，還被裝入更多的垃圾，導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)動不靈，或者出現(xiàn)控制系統(tǒng)故障的問題。在設(shè)計中，設(shè)計了桶滿鎖定功能，這個功能可由環(huán)保工人按專用隱閉按鍵開啟，用于清理垃圾。桶滿鎖定功能為當(dāng)垃圾桶滿時，垃圾桶自動關(guān)蓋并鎖死，無論是自動模式還是手動模式都無法開啟蓋子，并開啟語音播報提示與點陣提示[4]。

2 硬件電路設(shè)計

本文將采用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。通過對比數(shù)據(jù)選擇，本系統(tǒng)將以單片機(jī)主控制技術(shù)為核心，配合人體檢測、紅外距離檢測、報警、語言播放和舵機(jī)等模塊，設(shè)計多功能智能戶外垃圾桶。整機(jī)的電路組成框圖如圖1所示。

圖1 智能垃圾桶系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of intelligent trash bin

2.1 單片機(jī)控制模塊

對比多種單片機(jī)，STC89系列的單片機(jī)具有低功耗、低成本、易于編程擴(kuò)展等優(yōu)點。由于單片機(jī)STC89C52RC芯片具有加密性強(qiáng)、超強(qiáng)抗干擾、三大降低單片機(jī)時鐘對外部電磁輻射的措施、超低功耗、在系統(tǒng)可編程等特點，因此本設(shè)計選用它作為單片機(jī)主控芯片。

單片機(jī)實現(xiàn)系統(tǒng)功能，要在它的最小系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源、時鐘、復(fù)位三個電路。

2.2 人體檢測模塊

當(dāng)要丟垃圾的人靠近垃圾桶時，垃圾桶要自動開蓋，人離開時，自動合上蓋子。這就需要對人靠近進(jìn)行檢測，再把檢測的信號發(fā)送到主控芯片，根據(jù)編寫程序?qū)崿F(xiàn)，自動翻蓋的功能。這種檢測可以選擇測距檢測模塊，測距檢測模塊主要有超聲波檢測和紅外線檢測兩種[5]。

智能戶外垃圾桶在設(shè)計檢測人體時，需要檢測是否有人靠近，因此檢測距離不需要太大；另外環(huán)保事業(yè)的成本不高，智能垃圾桶的設(shè)計成本應(yīng)選擇比較低的方式。超聲波檢測模塊和紅外線檢測模塊都可應(yīng)用于短距離檢測的智能戶外垃圾桶的設(shè)計，但是紅外線檢測模塊的成本相對更低一點。因此，本設(shè)計方案將采用紅外線測距模塊。

MH-B型光電傳感器模塊是由一對有很強(qiáng)的光線適應(yīng)能力的紅外線發(fā)射管和接收管組成的紅外線測距模塊。當(dāng)紅外線檢測模塊遇到有障礙物信號時，LED指示燈會點亮，然后檢測模塊會把檢測反射的紅外線信號的強(qiáng)弱與比較器比較之后，反饋給單片機(jī)，然后驅(qū)動舵機(jī)的運行。

2.3 垃圾容量檢測模塊

垃圾是否裝滿，這個信息由垃圾容量檢測模塊才檢測。從設(shè)計功能和成本出發(fā)，本設(shè)計采用TCRT5000紅外傳感器模塊作為垃圾容量檢測模塊。當(dāng)TCRT5000紅外模塊檢測到發(fā)光二極管發(fā)射出去的信號反射回一個比較強(qiáng)的信號，即可判斷垃圾桶里的垃圾超過了設(shè)置的最大容量。檢測出的垃圾容量信息反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)控制舵機(jī)的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)垃圾桶滿了時，可以鎖定垃圾桶蓋。

2.4 語言播放模塊

本設(shè)計的智能垃圾桶可以根據(jù)不同場合發(fā)出不同的語音提示。WT588D語音芯片是一款具有單片機(jī)內(nèi)核的語音模塊，它的音質(zhì)較好，控制比較靈活，性價比比較高，是本設(shè)計的最佳選擇。

2.5 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于一些需要角度不斷變化但可以保持的控制系統(tǒng)。它的工作原理是控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為0.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

舵機(jī)的PWM信號由單片機(jī)提供，受外界的干擾小。單片機(jī)用定時器的編程方法，使輸出值舵機(jī)的PWM信號是一個占空比可以調(diào)整的周期信號，實現(xiàn)對舵機(jī)的控制。這樣，能節(jié)省硬件電路，又能提高抗干擾能力，減少電路設(shè)計成本，是一個非常好的設(shè)計選擇。

2.6 電源模塊

給電路系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的工作電壓，是電路模塊正常工作的保證。本設(shè)計采用了5V的三端穩(wěn)壓芯片LM2940和3.3V的三端穩(wěn)壓芯片AMS1117。LM294-5.0內(nèi)部設(shè)有靜態(tài)電流降低電路、限流、過熱保護(hù)、電池反接保護(hù)等功能電路，適用于低功耗的5V穩(wěn)壓電路。AMS1117-3.3是一種常用于低壓降輸出為3.3V的穩(wěn)壓器。

3 軟件設(shè)計

多功能智能戶外垃圾桶系統(tǒng)的程序總體流程圖如圖2所示。系統(tǒng)先對每個模塊進(jìn)行初始化，接著開始檢查桶滿情況，檢測到垃圾桶滿了，就執(zhí)行“垃圾桶滿了”的語言提示，并鎖定桶蓋；然后檢測是否有人靠近，有人靠近自動打開桶蓋，人離開3s后關(guān)閉桶蓋；最后檢測手工按鍵是否被按下，如果檢測到啟動按鍵按下就打開桶蓋，如果是關(guān)閉按鍵按下就關(guān)閉桶蓋[6]。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart

4 系統(tǒng)調(diào)試

在軟硬件設(shè)計完成后，裝配好系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中遇到問題，及時給予故障排除，實現(xiàn)完整的系統(tǒng)。

經(jīng)過調(diào)試后，本系統(tǒng)能夠按照設(shè)計的目標(biāo)功能正常運行。

5 結(jié)論

在經(jīng)濟(jì)越來越發(fā)達(dá)的情況下，人們對技術(shù)的要求會越來越高。在本設(shè)計的基礎(chǔ)上，我們還可以對系統(tǒng)的功能進(jìn)行進(jìn)一步地擴(kuò)展。比如，擴(kuò)展分類垃圾功能、定時自動殺菌消毒功能、緊急報警功能、桶滿短信通知環(huán)衛(wèi)局功能、自動尋跡上下垃圾車功能、自動清洗功能和太陽能充電供電功能等。