智能垃圾桶系統的設計

西北民族大學電氣工程學院 李紅艷 韋繼嬌

人們越來越關注房屋中各種家用電器的智能性，因此各種垃圾桶（如推拉式垃圾桶、智能語音識別垃圾桶、多功能垃圾桶等）出現在市場上。垃圾桶自動分類功能為人們的生活帶來方便。智能語音識別智能垃圾桶非常方便，語音識別算法可識別控制語音命令，例如前進、后退和打開/關閉指令以完成垃圾箱的遠程非接觸式智能打開和關閉移動功能。當前，許多發達國家正在開發新的智能垃圾桶使其具有更多功能，例如可調節的垃圾桶打開角度、自動分類垃圾桶和遠程密封控制。

1 智能垃圾桶的發展狀況

當前智能垃圾桶的智能功能比不上充滿大腦的小冰、小愛和Siri。無論外觀或功能如何，智能垃圾桶仍是一個桶，只能收納垃圾。其智能就在于在原始設計中增加檢測和密封功能。第一個是紅外感應功能。紅外傳感器檢測到人手的距離，并在人手靠近智能垃圾箱20 cm時自動打開垃圾箱的蓋子，這樣用戶就可以丟棄垃圾而不碰垃圾桶（與帶蓋的封閉垃圾桶相反）。第二是密封功能。智能垃圾桶可以采用完全密封的設計。垃圾蓋上有一個密封圈，合上蓋子后可以確保垃圾不會溢出。

2 系統整體實現

2.1 系統設計

本智能垃圾箱控制系統可以實現的功能有：垃圾箱蓋子的自動翻蓋、箱滿自動報警提醒、垃圾分類等。這些功能讓用戶便于投放垃圾，特別是在新冠疫情傳染性極強的現在，避免用戶和垃圾桶直接接觸，會大大的降低間接傳染一些細菌性疾病。本設計使用STC89C52RC單片機為核心元件（如圖1所示）。

2.2 濕度感應模塊

我們來分別垃圾是否是干垃圾還是濕垃圾，我們可以直接采用濕度傳感器。因為垃圾標明如果是濕的達到一定值通過LM393比較器就可以進行判斷。

LM393主要特點如下：

（1）該電路工作時電源電壓范圍跨度大，在單電源狀態和雙電源狀態下都可工作，單電源：2V～36V，雙電源：±1V～±18V；

（2）消耗電流小，Icc=0.8 mA；

（3）輸入失調電壓小，VIO=±2 mV；

（4）共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～Vcc-1.5V；

圖1 設計框圖

圖2 LM393內部結構圖

（5）輸出與TTL、DTL、MOS、CMOS等兼容；

（6）輸出可以用開路集電極連接“或”門。

LM393引腳圖及內部框圖如圖2所示。

LM393是一個電壓比較器，在接收光時將連接到R-Light端子的光電二極管的電阻值轉換為電壓信號，并將其傳輸到電壓比較器的同相輸入端子INB +，比較輸入端子INA-的參考電壓。如果非反相端子INB +處的電壓大于反相端子INA-處的電壓，則電壓比較器的輸出端子OUT輸出高電壓。當非反相端子INB+的電壓低于反相端子INA-時，電壓比較器的輸出端子OUT輸出低電壓，此時Light-LED指示燈亮。沒有光時光電二極管的電阻非常大，由電阻器R23和光電二極管形成的分壓器的電壓增加，使得非反相端子INB +處的電壓大于反相時的電壓。電壓比較器的INA端子和輸出端子OUT作為高電平電壓輸出，此時LightLED指示燈熄滅。在光的存在下光電二極管的電阻很小，由于由電阻器R23和光電二極管形成的分壓器的電壓下降，因此非反相端子INB +處的電壓低于反相端子處的電壓。 電壓比較器的輸出端子OUT為低電平并且電平電壓，此時LightLED點亮。連接到反相端子INA-端子的電位器VR2用于調節該端子的電位電壓，該電壓也是用于光敏度調節的電壓比較器輸入的閾值翻轉電壓。

該設計使用LM393電壓比較器進行電壓比較，水位傳感器和電位器設置電壓比較，當水位傳感器檢測到水位時，LM393比較器輸出低水位，微控制器檢測到低水位以確定水位。

圖3 紅外感應模塊電路

2.3 金屬檢測模塊

當我們將垃圾放入垃圾桶時，紅外傳感器檢測到有人，并且金屬檢測器開始檢測垃圾桶中是否存在金屬。如果有金屬，請按下按鈕以打開特殊垃圾收集按鈕，然后在兩者之間創建電場強度變化，以識別是否是金屬垃圾并在模塊上發出金屬垃圾信號。探頭產生的電磁場與金屬一起使用以產生渦流，渦流作用在探頭上以改變探頭電路的阻抗從而改變振蕩器的幅度，它被放大并變成音頻信號。

2.4 六反相器數字集成電路探測金屬

其關鍵組件是CMOS 6反相器數字集成電路a（i至vi）。在該電路中，反相器i和ii均用作放大器。金屬探測器的探頭是一個高q值電感器l，該電感器l形成了一個電容性三點振蕩器，它具有反相器i和振蕩頻率約為27 kHz的電容器c1至c3。調節電位器rp可使電路進入剛啟動狀態。通常弱振蕩信號被反相器ii和電阻r1組成的放大電路放大，然后由二極管vd1整流，因此反相器iii的輸入端子始終處于低電平并通過反相器iii，iv整形。輸出低電平，VD2正向偏置打開，由反相器v和vi、r3、r4、c6等組成的音頻振蕩器不工作，電磁測深儀b安靜。當金屬物體接近感應器l時（沿感應器線圈的軸向），l的q值下降，并且振蕩電路停止振動。因此，反相器ii沒有振蕩信號輸出，反相器iv輸出高電平，vd2的反向偏置被關閉。由反相器v和vi組成的音頻振蕩器工作，反相器vi的輸出產生一個串聯。正脈沖信號為R5電流限制，vt功率放大，然后驅動b發出“ di ----”蜂鳴聲。

2.5 紅外感應模塊

紅外傳感器模塊的工作原理是檢測在紅外傳感器額定范圍內是否存在物體，然后在檢測后將這些信息集成到單片機中。其模塊電路圖如圖3所示。

紅外感應模塊的最大有效檢測距離主要由反射型紅外光電傳感器的特性決定，同時受測量對象的紅外反射特性影響很大，還可以根據檢測靈敏度進行調整。對于典型的物體檢測應用，有效檢測距離通常可以達到0.1m～0.2m。通常情況下，具有光滑表面和良好反射特性的物體易于檢測，并且有效感測距離相對較大；具有較差反射特性的物體更難以檢測，并且有效感測距離相對較小。

RPR220是集成的反射紅外探測器，RPR220的塑料透鏡使這種類型的傳感器高度敏感，并且內置的可見光濾鏡還減少了不連續光對測量的影響從而大大減少了檢測誤差。最后，RPR220紅外傳感器體積小，結構緊湊，并適合垃圾桶外殼的夾層。