新型智能垃圾桶控制系統(tǒng)設(shè)計

劉攀 陸霖波 趙曉艷 成慧翔 張虎

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西省晉中市 030800 2.陜西武功普集街道辦 陜西省咸陽市 712200）

我國在加快城鎮(zhèn)化的建設(shè)過程中，城市中垃圾的總量愈來愈多，而生活中的垃圾卻沒有得到合理的分類以及有效的回收，從而加劇了城鎮(zhèn)的環(huán)境問題。本文就此問題專門設(shè)計新型智能垃圾桶的控制系統(tǒng)[1]。垃圾桶的智能化，使人們從身邊事物感受到我國的城市化不斷地向高質(zhì)量提升。智能垃圾桶可以慢慢的改善用戶對傳統(tǒng)垃圾桶的臟亂差的普遍看法，從而改善垃圾桶周邊的垃圾亂放的現(xiàn)象。同時，智能垃圾桶采用的全封閉處理和殺蟲抑菌系統(tǒng)，可以有效的解決這一問題。于此，將垃圾桶進行升級是必要的，尤其在智能化和自動化上，這對環(huán)境的改善起到很大作用[2]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

智能垃圾桶控制系統(tǒng)使用ST89C52RC 微控制器為主控制器，選擇步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、語言系統(tǒng)和超聲波感應(yīng)系統(tǒng)。超聲波測距模塊檢測到人與垃圾桶之間的距離小于超聲波測距模塊設(shè)定的范圍內(nèi)，超聲波測距模塊將采集到的信號傳送給單片機，然后驅(qū)動電路開始工作，并開始運轉(zhuǎn)語言模塊，自動翻蓋和語音通報的功能由此完成；當(dāng)光電傳感器模塊感測到物體，將采集到的信號傳給單片機，單片機控制語音模塊，實現(xiàn)垃圾桶裝滿檢測的自動監(jiān)測功能，垃圾桶內(nèi)的除味和抑菌是通過接收驅(qū)動模塊發(fā)出信號進行工作的，而驅(qū)動模塊的控制是由一路光路耦合繼電器決定的；當(dāng)垃圾桶的語音芯片模塊接收到相應(yīng)信號時，開始語音播報，例如垃圾桶內(nèi)的垃圾高度信號、人體檢測信號以及按鍵信號，以上信號均是由單片機的處理信號；垃圾桶的氣味抑制殺菌功能以及步進電機模塊的電能均是由太陽能供電系統(tǒng)提供，以節(jié)約能源，并達到環(huán)保的效果[3]。本設(shè)計使用微控制器、太陽能供電系統(tǒng)、超聲波感應(yīng)系統(tǒng)、語言芯片系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、光電傳感器系統(tǒng)和一路光耦隔離繼電器驅(qū)動系統(tǒng)。本設(shè)計的總體方案如圖1所示。

本設(shè)計中的各模塊功能及作用：自動開關(guān)翻蓋設(shè)計，在垃圾桶內(nèi)裝有超聲波測距模塊和光電傳感器模塊，當(dāng)有人接近，驅(qū)動電路開始工作，使電機正轉(zhuǎn)，打開垃圾桶一定時間內(nèi)，電機受微控制器影響，開始反轉(zhuǎn)，關(guān)閉垃圾桶。自動監(jiān)測垃圾裝滿設(shè)計，當(dāng)光電傳感器監(jiān)視到有信號發(fā)生時，SCM 控制語言將開始芯片進行廣播。本文設(shè)計除臭和抑菌功能，在垃圾桶蓋的頂部安裝一個按鈕，按下按鈕后，繼電器將發(fā)出相應(yīng)的信號控制。本系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的語音廣播功能，當(dāng)語音芯片模塊收聽檢測到的人體感應(yīng)信號時、垃圾桶內(nèi)垃圾高度以及按鈕按下時的處理信號時，語音芯片模塊將播放提示信息[4]。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

2.1 超聲波測距模塊

超聲波感應(yīng)系統(tǒng)的使用門檻低，在正常工作中遇到極端天氣也可以正常使用。超聲波感應(yīng)系統(tǒng)中使用HC?-SR04 芯片。HC?-SR04 芯片有4 個引腳。1 引腳的作用是保障用電正常，所以接5V電源，4 引腳的作用是防止漏電所以接地，2 引腳的作用是將信號發(fā)生出去，所以接P3.4口，3引腳的作用是接收信號所以接P3.5口[5]。

超聲波感應(yīng)系統(tǒng)的工作原理：用微控制器的I/O 口來測距，HC?-SR04 的輸入端TRIG（2 引腳）收到10us 的高電平脈沖信號，微控制器的內(nèi)部定時器開始清零工作。當(dāng)微控制器的內(nèi)部定時器開始工作時，HC?-SR04的輸出端ECHO（3引腳）的電平變化由低到高：當(dāng)微控制器的內(nèi)部當(dāng)定時器停止工作時，輸出端ECHO（3 引腳）的電平信號由高到低。通過定時器TO的時間，從而計算出實際距離。

2.2 光電感應(yīng)模塊

微控制器接受到光電感應(yīng)系統(tǒng)在有效距離內(nèi)采集到的信號。2 個RPR220 電路在光電感應(yīng)系統(tǒng)中是互相并聯(lián)的。LM393 芯片有2 個輸入端，一個接入系統(tǒng)的4 腳，另一個是將滑動變阻器接到系統(tǒng)內(nèi)。而后者所接收到的電壓取決于滑動變阻器的阻值。實際上,三極管組成部件有U4、+5V 以及R4，最小應(yīng)用系統(tǒng)由這些構(gòu)成。RPR220 系統(tǒng)中的反射光電探測器，是減少誤差的最重要原因。而塑粒透鏡是RPR220 的重要組成部分，因為RPR220 有塑粒透鏡，而它的靈敏度特別好，以及通過過濾器使高光對測量結(jié)果的影響降到最低。當(dāng)有光線進入RPR220 的檢測范圍時，U4 此時相當(dāng)于短路，電壓為0，于LN393 的負輸入端上的電壓比正輸入端的電壓就高，LM393 的輸出端的電平由高到低，微控制器開始執(zhí)行程序。反之，當(dāng)光線沒有進入，U4 此時的電壓就不為0，LM393 的正輸入端電壓比負輸入端的電壓高，輸出端輸出的電平由低到高，微控制器終止程序運行。

2.3 電機驅(qū)動模塊

在電機正常工作的情況下，要獲得脈沖信號就必須讓轉(zhuǎn)過讓在工作的電機的步距角轉(zhuǎn)動。工作中的步進電機的轉(zhuǎn)角速度愈來愈高，則在系統(tǒng)中的脈沖信號也愈來愈高，而脈沖信號也導(dǎo)致了脈沖數(shù)的變化以及頻率的改變。由于步進電機可以在眨眼間開始工作以及在極短時間內(nèi)停止的工作優(yōu)越性質(zhì)，轉(zhuǎn)動的脈沖信號和步距角在工作時也是相互影響。要想改變電機的轉(zhuǎn)動方向，將脈沖的順序改變就可以實現(xiàn)。在控制速度上最常用的辦法就是通過改變旋轉(zhuǎn)的方向。步進電機正常工作的前提是系統(tǒng)接受到了晶振電路發(fā)出的脈沖信號[6]。步進電機有合適的脈沖信號才會有合適的旋轉(zhuǎn)角度。

2.4 語音模塊

本系統(tǒng)語音模塊使用的是WT588D 芯片，WT588D 的I/0 端口相對于其他系列的端口要多，它也有外置FLASH 存儲器功能和控制的功能。在經(jīng)濟方面上講，在引腳不直接改變的前提下，它可以用掩膜樣品的，最重要的是它的價格親民[7]。在操作軟件方面，它可以將語音組合在一起，這樣極大程度上把編輯語音的時間縮小，在操作上也是極其簡單。

串口的在工作模式下的發(fā)碼速度最低可到600us，最高速度有2000us，用芯片的發(fā)碼端對循環(huán)播放、語音的開與關(guān)以及音量的大小進行控制從而達到簡單快速的操作；而發(fā)碼端能任意改變?nèi)€串口控制I/0 口擴展和三線串口的模式，在三線串口下，WT588D 芯片的功能和一線串口的功能是一樣的，但是，三線串口控制I/0 口擴展輸出卻可以擴展8 位輸出，比一線串口的功能更多樣性。在三線串口的兩種模式下切換，可以讓上一個模式的最后一種狀態(tài)直接進入到下一個模式并保持該狀態(tài)。

2.5 太陽能供電模塊

在當(dāng)今世界資源日益匱乏的時代，天然氣，石油，化石燃料等不可再生資源不斷減少的情況下，太陽能作為一種能夠長期使用且再生的能源，使人們在各個領(lǐng)域內(nèi)不斷的得到應(yīng)用，因此，本文順應(yīng)時代的發(fā)展，將采用太陽能作為本控制系統(tǒng)的供電裝置。

為了起到節(jié)能環(huán)保的作用，使用了太陽能電池作為能量供應(yīng)。蓄電池的能量轉(zhuǎn)換是從太陽能到熱能再到機械能，最后到電能。蓄電池中的能量主要通過太陽光的直接照射到CON2 里的。微控制器在工作時的電流大約是10mA，CON2 在睡眠狀態(tài)下的電流為50 μA，微控制器的電源電壓和超聲波供應(yīng)系統(tǒng)的電壓均為5 V。線性集成電路是由END 端和VIN 端以及VOUT 端組成，其中VOUT端的作用就是連接電容C2，VIN 端的作用就是連接電容C1。C1和C2 都是相同的電容，因此濾波的作用也是有著相同效果D。二極管D5 在蓄電池和太陽能電池的中間，而二極管的做大的作用是將接受到的能量百分百的傳給下一個器件，這就和單一導(dǎo)向性緊密相關(guān)。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

開始通電時，外部設(shè)備上電穩(wěn)定后，各個模塊的功能初始化開始。延遲200ms，是為了使超聲波感應(yīng)系統(tǒng)可以使用，這樣可以將干擾的波形排除在外。經(jīng)過延時200ms 后，定時器開啟計數(shù)功能，系統(tǒng)如果到達設(shè)定的時間，那么系統(tǒng)開始開啟紫外線光源和高壓金屬片進行消毒和抑菌。在超聲波感應(yīng)系統(tǒng)和光電感應(yīng)系統(tǒng)以及定時器同時作用下，超聲波感應(yīng)系統(tǒng)在小于0.8m 的距離下檢測到東西，則自動打開桶蓋以及播放提示音，例：“請把垃圾放到垃圾桶里”，延遲3 秒后電機反轉(zhuǎn)。當(dāng)光電感應(yīng)系統(tǒng)檢測得到信號，則語音模塊播放消息“垃圾箱已滿，請尋找別的垃圾桶”[8]。

超聲波感應(yīng)系統(tǒng)可以感應(yīng)是不是有東西靠近還能顯示出東西和垃圾桶的具體位置。微控制器的定時器的作用就是進行清零操作，而超聲波模塊的輸入端在工作時，必須得接受到微控制器發(fā)送的高電平脈沖才能正常工作。定時器有2 種狀態(tài)，一種是開始工作，一種是停止工作。前者是將工作中的ECHO 的電平發(fā)生從低到高的改變；后者是將工作中的ECHO 的電平發(fā)出由高到低的改變。

4 結(jié)束語

本設(shè)計使用了 STC89C52RC 微控制器，控制系統(tǒng)由電機驅(qū)動電路系統(tǒng)、光電感應(yīng)系統(tǒng)、超聲波感應(yīng)系統(tǒng)和語言通報系統(tǒng)五個部分組成。垃圾桶的功能尤其在紅外線感應(yīng)開蓋以及語音系統(tǒng)的方面做的比較成熟。本設(shè)計采用太陽能這一新型能源作為供電系，實現(xiàn)智能垃圾桶的控制系統(tǒng)功能，具備以下特點：

（1）自動開關(guān)蓋功能：這個功能使用起來十分方便，在使用時，桶蓋打開，使用完了將自己關(guān)上，對保護環(huán)境起到了一定的引導(dǎo)作用。

（2）自動檢測功能：聽到提示音“垃圾桶已滿，請再找垃圾桶”，就表明此垃圾桶的已不能再使用。

（3）除味抑菌功能：垃圾桶的周圍，異味蠅蟲是常有的，系統(tǒng)具有紫外線光源和高壓金屬片正是為此解決異味蠅蟲的辦法。本設(shè)計最核心的要求就是使得垃圾桶更加的智能化、自動化和更加符合人們現(xiàn)在日常生活的需求，使人們生活的更加的方便。