一種基于STC15單片機的智能分類垃圾桶

鄭金記　肖昌靜

摘要：隨著科學技術的不斷進步與發展，智能家居已經逐步走入我國民眾家庭生活中，該文基于MCS-51內核的STC15系列單片機系統，設計了一款智能垃圾桶。其中硬件的設計部分主要有紅外傳感器、溫度、重量傳感器、語音播報功能模組以及電機驅動模塊。這一系統能夠有效地完成垃圾桶蓋的自動開關流程、垃圾桶滿提示以及相應的火災報警功能。能夠行之有效地避免火災，并且為家庭的生活安全提供相應的保障。

關鍵詞：STC15單片機;垃圾桶;研究設計

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0107-02

在當今社會生活垃圾造成的污染一直被人們認為是全球存在最嚴重的社會公共危害。我國自“改革開放”以來，城市人口顯著增加，城市規模不斷增大，城市化進程不斷加大，城市居民的生活垃圾產量日益劇增。特別是近幾年來，垃圾的日產量增加的趨勢相當顯著。隨著中國經濟的飛速發展，公共場產生的垃圾如果不能得到及時處理，將會對社會造成嚴重的垃圾污染，對城市容貌的影響愈發不可收拾。將垃圾進行合理地回收處理，對環境起到保護作用，已經成為現今社會的重要舉措。基于此，語音識別的智能分類垃圾桶應運而生。

1 設計背景

在如今社會的高速發展下，隨著科技發展的不斷進步，人們的基本生活水平一直在源源不斷的提高，人們已經開始想方設法追求更健康的生活方式，衛生問題受到了人們的高度重視。傳統垃圾桶需要用手開關垃圾桶，會近距離接觸垃圾桶口，容易讓手接觸到有害細菌，對人體健康百害而無一利。人們又發明了可以用腳踩按鈕從而達到開蓋的目的，這種垃圾桶開始很受歡迎，但由于垃圾桶的體積太小，丟垃圾時還需要彎腰和起身，對老年人和孕婦非常不方便。人們迫切希望有一種能夠移動、自動分類、自動打開閉合的垃圾桶。科技發展對垃圾分類的要求越來越多，不少城市已經實行垃圾分類。如果在家就能把垃圾分好類，將大大節省財力、人力資源。這種垃圾桶還可以朝任意指定的方向運動，極大方便了人們使用，不用走路就能把要扔的垃圾丟掉，只用一個遙控或者一個語音指令就能使垃圾桶朝著系統所識別的指定方向運動一定的距離。于是，基于STC15單片機，又兼容語音識別和語音播報智能分類的垃圾桶，就顯得有現實存在價值意義。基于語音識別的智能分類垃圾桶的出現，標志著人類對生態環境的保護意識又有了一個飛躍。

2 系統設計

本項目開發的智能垃圾桶，其功能主要有物體檢測、溫度測量、金屬探測和垃圾分類等。目標檢測用于確定對象是否接近或在傳感器檢測范圍內，然后輸出開關。智能垃圾桶可判斷傳感器旁邊是否有人存在，從而發出“打開蓋子”的命令，或檢查垃圾箱中“是否有垃圾”;金屬探測用于確定筒內、筒外是否存在金屬，如果有，則進行回收分類;通過稱重傳感器讀取上述信息后，如果出現超重，語音播放模塊則會進行報警，通過具體的數據完成下一個操作，從而完成用戶交互和環境檢查。

綜上所述，智能垃圾桶由單片機、紅外傳感器、溫度傳感器、金屬探測器、稱重傳感器、語音播放模塊和繼電器驅動模塊組成，如圖1所示。

根據具體的總體設計方案，智能分類垃圾桶功能如下：

1） 語音播報功能;2）火災預警功能;3）垃圾分類功能;4）非接觸控制垃圾桶蓋功能。

3 硬件設計

系統的電路主要有：單片機主板電路、紅外感應電路、金屬探測電路、溫度感應電路、稱重感應電路、語音芯片、繼電器驅動電路等。

3.1 單片機主板

單片機的芯片此次設計選擇了LQFP48封裝的IAP15W4K57S4單片機。這種型號的單片機，是STC公司較為成熟的技術成品，對比傳統的8051型號芯片，其擁有更加優秀的性能，它的程序空間以及內存容量都要高于后者，同時有著十分不錯的抗干擾能力和運算性能，每一個機器的周期為一個時鐘周期（1T）。

3.2 紅外感應電路設計

紅外傳感器用于探測障礙物，對非接觸式垃圾桶的桶蓋開關以及垃圾投入進行檢測，并檢查垃圾的傾倒情況。這部分軟件的邏輯很簡單，只需檢查輸出和輸入的一致性，并根據結果決定是否執行下一個程序，但是軟件也應該排除可能存在的干擾，如果有些小干擾沒有排除（比如一些意外性的遮擋，或是小型昆蟲等影響因素），則會影響垃圾桶的正常運行，垃圾箱蓋就不能正常工作，所以軟件需要進行延時算法的使用，檢測遮擋是否達到時間限制，再根據結果決定下一步操作。

3.3 溫度感應電路設計

本次設計中對溫度傳感器使用的單總線協議通訊，選擇DS18B20型號芯片，實現對具體溫度數值的獲取，同時也能夠有效地對火情進行檢測，使用一種中斷的方式進行定時連續地偵測檢查。此次設計的方案為每五秒鐘進行一次檢測。除此以外，這種傳感器系統還能對溫度轉換的分辨率進行相應的設置，可以分別設置成9到12位。由于此次設計中檢測的周期性較長，所以采用9位的分辨率設計。具體溫度感應電路圖如圖2所示。

3.4 稱重感應模塊設計

在本次設計中，稱重傳感器選擇使用核心芯片（型號：HX711）對測量的物體重量值進行把控。需要對電子秤使用的AD轉換芯片HX711的具體轉換值進行讀取，并根據相應的計算得出確切的重量值。這種芯片使用了十分獨特的單總線協議和單片機進行的通訊流程，運用了兩個數量的引腳，其中一個引腳當作數據的接口（也就是DT），另一個引腳作為同步時鐘（也就是SCK），在讀取的過程中，單片機通過向HX711芯片的SCK引腳發送時鐘信號，并對數據口的電平進行相應的讀取，進行移位并讀取每一順位的數據。稱重傳感器的示意圖如圖3所示。

3.5 語音播報功能設計

在本次設計中，對于語音播放模塊的設備選擇DY-SV17F型號模組，對這一模塊的組成配置了一個約為5MB內存容量的Flash儲存器，并根據USB數據接口同上位機進行連接，將垃圾桶中需要的語音文件進行下載。在使用的過程中，可以根據串口、并口或者是單總線來完成與主控單片機的通訊。主控制模塊單片機把所需要的播放設置指令以及需要進行播放的語音內容進行編組排號，然后再進行對該模塊的輸入。如此一來，模塊就能進行相應的語音文件播放。具體的語音播報功能電路圖圖4所示。

3.6 繼電器驅動電路設計

在此次的電路設計中，繼電器電路起著不可缺少的作用，當儀器檢測到不同性質屬性的垃圾后，微控制器單片機就會給繼電器器件一個低電平，只有這時繼電器才會開始工作并完成投放各種垃圾的完美操作。繼電器器件工作的原理如下：

繼電器是由電子進行控制的元器件，擁有控制與被控制兩種系統。當系統對其輸入量的變化達到一定程度時，電路就會使被控制的量能夠根據提前預訂的要求去使波的變化達到階躍變化。繼電器具有控制系統和被控制系統，通常應用于自動化的控制電路中，用較小的電流控制較大電流的一種“自動開關”。在電路中起著安全保護、轉換電路、自動調節等作用。

電磁式的繼電器是他利用電磁鐵控制工作電路通斷的開關。

（1） 電磁式繼電器的組成：電磁式繼電器，其構成主要為電磁鐵、靜態觸點以及動態觸點和彈簧等構成。

電磁繼電器的工作電路可分為高壓工作電路和低壓控制電路。高壓工作電路主要包括電磁繼電器的動觸頭靜觸頭以及高壓電源。系統主要包括低壓電源、開關、電機和電磁繼電器線圈。

（2） 電磁式繼電器的工作原理：當電磁式繼電器閉合低壓控制的這個電路中的開關S，電路的電流就可以通過繼電器電磁鐵的線圈從而在繼電器中產生磁場。從而對電磁器中的銜鐵產生吸引力使銜鐵發生來回擺動，在靜態觸點D與靜態觸點E兩點相互接觸。使系統的工作電路達到閉合狀態，這時電路中的電機開始工作，只要電壓開關S斷開，圈中產生的電流就會迅速消失，此時銜鐵B在彈簧C的作用下發生擺動，靜觸點D、E脫開，工作電路產生斷開，電動機停止工作。

3.7 金屬檢測模塊

投放垃圾時，此時紅外線感應有人投放垃圾，金屬探測器就會檢測投放的垃圾中是否有金屬，如果有金屬，通過按鍵打開特殊垃圾回收按鍵，利用金屬物體發出的信號來改變諧振諧波場的強度。為了識別金屬物體，電路的幅值也會發生變化。

用一個金屬探頭線圈產生可變的電磁場，在被測金屬物體中產生相對渦流，這種效應會對金屬探測器線圈產生負面影響，改變儀器金屬探測器線圈的電阻，振蕩器檢測器的振蕩也應相應改變。振幅的變化被放大器處理為檢測信號，通過變換轉換成聲音信號，控制聲鏈使聲音發出，并產生隨被測金屬距離和尺寸變化的聲音信號，具體如圖6所示。

4 結束語

文章設計了一種以STC15型號單片機為核心的智能分類垃圾桶，垃圾桶的主要功能有垃圾桶自動開蓋、垃圾桶裝滿提醒、家庭火災提示、垃圾自動分類等諸多功能。在科技發展的今天，這種智能分類垃圾桶能夠有效地提高人們生活的便利性，有著十分廣闊的發展前景。

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【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2021-10-15

基金項目：大學生創新創業訓練項目：一種基于STC15單片機的智能分類垃圾桶（項目編號：202014389054）

作者簡介：鄭金記（1999—），男，四川德陽人，本科生在讀，研究方向：電子科學與技術;肖昌靜，本科生在讀。