基于單片機(jī)的智能垃圾桶設(shè)計(jì)

陳卓然 王 璇 趙東陽(yáng) 夏丹寧 馬鑫泉

（吉林師范大學(xué)博達(dá)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000）

當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，垃圾分類及垃圾回收顯得尤為關(guān)鍵且重要，最近幾年全國(guó)對(duì)垃圾分類的提倡使垃圾桶的需求量激增，而智能垃圾桶成為當(dāng)前社會(huì)的趨勢(shì)。在投放垃圾時(shí)，智能垃圾桶能智能開(kāi)蓋并識(shí)別金屬、非金屬以及是否為可回收材料。此外，智能垃圾桶還具有利用物聯(lián)網(wǎng)的功能，將數(shù)據(jù)傳回手機(jī)App端進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從而使垃圾得到最大限度的回收，提高利用率，既能節(jié)省人力物力，又能為環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

1 智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案

1.1 智能垃圾桶設(shè)計(jì)思路

第一，功能設(shè)定，設(shè)計(jì)可感應(yīng)人體靠近，完成自動(dòng)開(kāi)蓋功能；第二，功能設(shè)計(jì)，對(duì)于無(wú)意垃圾處理人員及有意垃圾處理人員進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，確認(rèn)為真正的倒垃圾人員，進(jìn)行開(kāi)蓋動(dòng)作；第三，檢測(cè)垃圾桶內(nèi)垃圾存儲(chǔ)量，當(dāng)垃圾超出范圍，進(jìn)行報(bào)告處理；未超限則進(jìn)行開(kāi)蓋動(dòng)作；第四，對(duì)于超限的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)處理，處理后的數(shù)據(jù)清零；第五，設(shè)置驗(yàn)算功能，完成以上各步驟后再次驗(yàn)算檢測(cè)桶內(nèi)垃圾數(shù)據(jù)，無(wú)問(wèn)題開(kāi)啟開(kāi)蓋等待功能；第六，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的誤差統(tǒng)，根據(jù)垃圾分類錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)算誤差，統(tǒng)計(jì)誤差百分比。

1.2 智能垃圾桶的總體設(shè)計(jì)

智能垃圾桶由垃圾桶身部分、桶蓋部分、控制系統(tǒng)部分組成。控制系統(tǒng)的主要功能：第一，對(duì)垃圾桶桶蓋進(jìn)行延時(shí)開(kāi)合的控制，利用紅外線對(duì)垃圾桶周圍進(jìn)行檢測(cè)，如果有人體靠近，則自動(dòng)打開(kāi)垃圾的桶蓋，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)開(kāi)合功能；第二，檢測(cè)垃圾桶內(nèi)部垃圾存儲(chǔ)量的位置，如果垃圾已經(jīng)存儲(chǔ)狀態(tài)為滿，則提示垃圾已滿，不開(kāi)啟垃圾桶蓋；第三，結(jié)合反饋數(shù)據(jù)對(duì)已滿狀態(tài)的垃圾桶信息進(jìn)行上傳，通過(guò)藍(lán)牙模塊將已滿信息傳到手機(jī)App上，以提示工作人員進(jìn)行垃圾桶清理。系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)圖

根據(jù)以上功能設(shè)計(jì)，擬選用的STC89C52RC作為本設(shè)計(jì)的中控單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)為宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除式只讀存儲(chǔ)器[1]。

通過(guò)STC89C52RC中控模塊，提供系統(tǒng)總體用電的供電模塊、檢測(cè)人身體接進(jìn)自動(dòng)開(kāi)合桶蓋的紅外傳感器模塊、垃圾位置檢測(cè)的金屬傳感器模塊、藍(lán)牙上報(bào)模塊4部分共同構(gòu)成了智能垃圾桶系統(tǒng)。

2 超級(jí)垃圾桶設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 總體供電模塊

系統(tǒng)主要可采用鋰電池進(jìn)行供電，太陽(yáng)能電池輔助供電[2]，其中鋰電池選用7.4V，220000mA的2S。調(diào)整鋰電池的直流電壓降壓至5.0V，再升至9.0V進(jìn)行總體供給電量。舵機(jī)MG995R與舵機(jī)180度LDX-218并行連接電源電路，電源電路通過(guò)與STC89C52RC芯片的連接到顯示電路，與此同時(shí)，芯片驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器到達(dá)終端，終端經(jīng)過(guò)超聲波接收轉(zhuǎn)化器到接收電路，再回到芯片，從而實(shí)現(xiàn)電路的驅(qū)動(dòng)。鋰電池供電，太陽(yáng)能輔助，可以最大可能性的保證系統(tǒng)的用電及其續(xù)航能力，并且可以大量節(jié)約能源，遇到特殊的外部環(huán)境，系統(tǒng)主控電路也可以正常完成工作。

2.2 自動(dòng)開(kāi)合桶蓋模塊

系統(tǒng)由紅外傳感器模塊進(jìn)行紅外檢測(cè)，探測(cè)周圍有無(wú)人體接近桶身，如果有人接近并且時(shí)間在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，紅外檢測(cè)電路探測(cè)在設(shè)定距離內(nèi)是否有人接近垃圾桶，如果有人出現(xiàn)在紅外感應(yīng)范圍內(nèi)，傳感器裝檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送回微控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)延時(shí)判斷是否是經(jīng)過(guò)，還是投放垃圾的情況，確認(rèn)垃圾投放后，桶蓋自動(dòng)打開(kāi)；同時(shí)檢測(cè)繼續(xù)，若檢測(cè)周圍無(wú)人，將無(wú)人數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，經(jīng)預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間，關(guān)閉桶蓋。

2.3 檢測(cè)垃圾的傳感器模塊

系統(tǒng)控制垃圾的投放存儲(chǔ)內(nèi)容裝滿到一定的高度，由檢測(cè)電路的傳感器拾取位置數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)超出設(shè)定高度移置時(shí)，由微控制系統(tǒng)運(yùn)算后，控制桶蓋不接受后繼開(kāi)蓋指令，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到藍(lán)牙模塊。只有高度檢測(cè)不超過(guò)開(kāi)蓋標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的高度，桶蓋才可進(jìn)行開(kāi)蓋動(dòng)作。

2.4 藍(lán)牙上報(bào)模塊

藍(lán)牙模塊功能是實(shí)現(xiàn)手機(jī)App端的連接。利用通用輸入輸出模塊，對(duì)外部數(shù)據(jù)的收集，經(jīng)過(guò)處理后，可提供輸出兩路PWM脈沖寬度調(diào)制波，結(jié)合藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)微控制系統(tǒng)的串行口與其通信，最后將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備返回到手機(jī)App端進(jìn)行顯示。各模塊運(yùn)行流程如 圖2所示。

圖2 模塊運(yùn)行流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)部分

軟件設(shè)計(jì)功能是協(xié)助微處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各功能子模塊的數(shù)據(jù)傳輸，用程序?qū)崿F(xiàn)各模塊的功能。系統(tǒng)程序首先會(huì)將各個(gè)模塊進(jìn)行初始化運(yùn)作。為了使得紅外感應(yīng)模塊能夠正常測(cè)距，同時(shí)防止外界各種反射所造成的回傳干擾，設(shè)定了300ms的延時(shí)。在延時(shí)結(jié)束以后，計(jì)時(shí)器即將開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果其已經(jīng)到達(dá)了設(shè)定的時(shí)間，系統(tǒng)將會(huì)開(kāi)始運(yùn)作。在計(jì)時(shí)器工作的同時(shí)，波測(cè)量模塊檢測(cè)到人與垃圾箱的距離小于所設(shè)定的距離50cm時(shí)，舵機(jī)LDX-218正向旋轉(zhuǎn)，控制蓋子的開(kāi)啟，在延時(shí)5s后電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制蓋子關(guān)閉。同時(shí)，金屬傳感器感應(yīng)到物體后，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始探測(cè)金屬或非金屬垃圾是否滿溢，并在此前提下控制金屬或非金屬蓋子是否開(kāi)啟。

4 智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案的可行性分析

STC89C52RC芯片與紅外線檢測(cè)器相結(jié)合，控制理論研究、算法實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用探索等方面已取得了一些初步成果，并具有較好的理論基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的可行性。智能垃圾桶涉及多個(gè)學(xué)科，需要群智能系統(tǒng)協(xié)同控制、數(shù)據(jù)處理、深度學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)積累，這些技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)有了很多的應(yīng)用。因此，智能垃圾桶的應(yīng)用在技術(shù)上是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

智能垃圾桶具有智能進(jìn)行垃圾分揀、節(jié)省時(shí)間、環(huán)保高效的優(yōu)勢(shì)。本文給出了智能超級(jí)垃圾桶的總體解決方案，詳細(xì)介紹了研究的主要內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方案等，為后續(xù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)[3]。