基于STC15F2K60S2單片機的智能垃圾桶的設計與實現

孫毅敏，宋余君,2

（1.懷化學院，湖南 懷化 418000；2.武陵山片區(qū)生態(tài)農業(yè)智能控制技術湖南省重點實驗室，湖南 懷化 418000）

0 引 言

隨著物聯網技術的迅速發(fā)展，各行各業(yè)呈現出一種智能化的趨勢[1]，智能家居、智慧城市得到了快速發(fā)展。垃圾桶作為家庭生活的必備工具之一，并未隨著智能家居的發(fā)展而得到快速改進，大多數家庭仍使用傳統(tǒng)的垃圾桶。傳統(tǒng)的垃圾桶對垃圾封存效果不好，若不及時清理垃圾，異味極易散出，細菌極易滋生，最終導致環(huán)境污染。目前市面上出現的智能垃圾桶，如自動翻蓋垃圾桶、語音播報垃圾桶、自動報滿垃圾桶等，不僅功能單一，而且價格昂貴，并未得到真正普及[2-5]。本文設計了一款操作簡便、功能齊全的新型智能垃圾桶，不僅實用，而且成本較低。

1 系統(tǒng)結構

智能垃圾桶主要具備垃圾存放時間統(tǒng)計、垃圾桶是否裝滿判斷等功能。首先工作人員在信息系統(tǒng)中心（PC）存儲垃圾桶的編號、位置信息。同時PC與服務器進行數據交互，服務器將數據存放在云平臺，云平臺通過GSM模塊與單片機進行數據交互，垃圾桶自動上傳信息到云服務器。用戶可以通過訪問PC得到垃圾桶內的情況，然后決定是否清倒垃圾。系統(tǒng)網絡拓撲如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由單片機最小系統(tǒng)模塊、紅外對射管模塊、稱重傳感器模塊、GSM模塊、超聲波模塊等構成，其框架如圖2所示。垃圾桶上電后，單片機、稱重傳感器、紅外對射管開始工作，底部蜂鳴器未發(fā)出警報，頂部的紅外發(fā)射管發(fā)送38 kHz的信號，與此同時，紅外接收管信號接收正常，單片機不斷獲取垃圾桶內垃圾的信息。隨著桶內垃圾的積累，當垃圾桶內垃圾堆滿后紅外對射管信號發(fā)射受阻，當垃圾存放時間超過設定的時間時，蜂鳴器發(fā)出警報聲提醒倒垃圾的用戶此垃圾桶已裝滿，同時單片機通過GSM模塊發(fā)送信息給PC端，提醒工作人員及時處理垃圾。

圖1 系統(tǒng)網絡拓撲圖

圖2 系統(tǒng)框架

2.1 稱重傳感器模塊

本系統(tǒng)的稱重傳感器模塊采用HX711芯片。HX711是專為高精度電子秤而設計的芯片，內部集成有放大部分和24位A/D轉換部分[6]。單片機通過2個普通的I/O口與HX711的PD_SCK、DOUT引腳相連，并根據相應時序編程。通過調制電路和比較電路處理后即可獲取此時物體的精確重量。圖3所示為稱重傳感器原理。

圖3 稱重傳感器原理

2.2 GSM模塊

本系統(tǒng)的GSM模塊采用SIM800C系列模組，該模塊可以實現短信息收發(fā)、GPRS數據傳輸。該模塊體積小、功耗低、工作所需溫度范圍廣[7]、價格低廉，適合本設計的系統(tǒng)使用。

2.3 超聲波模塊

本系統(tǒng)選用HC-SR04超聲波傳感器。模塊的發(fā)射引腳trig、接收引腳echo與單片機2個普通的I/O口分別相連，單片機的控制口發(fā)送一個10 μs以上的高電平給模塊發(fā)送端引腳，然后接收端檢測是否為高電平，當接收引腳echo讀取高電平時打開定時器，高電平結束后關閉定時器。高電平持續(xù)的時間即為超聲波的傳播時間。利用發(fā)送和接收的時間差以及聲波在空氣中的傳播速度（測量距離=（高電平時間×聲速）/2）容易測得被測點到傳感器間的距離[8-9]。HC-SR04測距模塊實物如圖4所示。

圖4 HC-SR04測距模塊實物

3 系統(tǒng)軟件設計

實際生活中，垃圾桶內的情況十分復雜，例如垃圾桶內存在濕毛巾、果皮、食物殘渣等濕垃圾時，會給細菌提供繁殖環(huán)境。對于這類垃圾的處理不同于其他類型垃圾的處理方式，需在軟件設計部分考慮垃圾類型檢測的問題。

智能垃圾桶系統(tǒng)通過鋰電池供電，當智能垃圾桶系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先進行初始化，然后分兩部分進行檢測：判斷垃圾桶內的垃圾類型；判斷垃圾桶內垃圾是否裝滿。系統(tǒng)主程序如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序

3.1 垃圾類型的判斷

垃圾類型的判斷依靠稱重傳感器檢測垃圾物重量（G），并聯合超聲波傳感器發(fā)送超聲波獲取垃圾物位（H）及垃圾桶內狀態(tài)，若判定存在濕垃圾，則上報信息。獲取垃圾信息示意圖如圖6所示。

圖6 獲取垃圾信息示意圖

為了更好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，設計了一套檢測垃圾類型的算法，算法如下：

3.2 垃圾已滿狀態(tài)的判斷

單片機接收垃圾物位和垃圾密度等信息后，判斷垃圾桶內垃圾的狀態(tài)，紅外發(fā)射管不斷發(fā)送38 kHz的信息，單片機通過采集紅外接收管處的電壓來判斷垃圾是否達到設定的最高物位hmax，工作流程如圖7所示。

圖7 垃圾已滿判定流程

4 結 語

本文對智能垃圾桶系統(tǒng)進行了全面、規(guī)范的分析，對系統(tǒng)軟硬件進行了設計制作和調試。通過對系統(tǒng)的測試與調試，智能垃圾桶基本實現了監(jiān)測內膽內垃圾狀態(tài)、監(jiān)測垃圾桶內垃圾存放時間、根據推測的垃圾是否為濕垃圾調節(jié)垃圾存放時間上限的功能，使得垃圾可以及時得到清理。但該系統(tǒng)還存在許多不足之處，例如未實現垃圾自動分類功能和垃圾自動打包功能。