公共场所智能垃圾桶系统的设计

鞠海翔，樊东燕

(1.江苏省南京市第九中学，江苏 南京 210014；2.山西大学商务学院，山西 太原 030031)

公共场所智能垃圾桶系统的设计

鞠海翔1，樊东燕2

(1.江苏省南京市第九中学，江苏 南京 210014；2.山西大学商务学院，山西 太原 030031)

本设计针对公共场所垃圾桶影响周围环境的问题而设计。系统应用红外传感器、人体检测装置、单片机、语音装置、舵机驱动设计实现垃圾桶的智能化，使得垃圾桶能通过感应实现自动打开与关闭，以及夜晚的照明和语音提示功能，提升公共场所的环境质量，实现洁净、环保的目的。

智能垃圾桶；人体感应；单片机

近年来，中国经济发展态势迅猛，人们的生活品质得到了极大的提升，公共环境问题变成了人们所关注的焦点，而影响公共环境的关键因素之一就是垃圾问题。垃圾是人们生活的废弃物，是人们生活中无法避免的。目前在公共环境中随处可见的垃圾桶要么是敞开式的，垃圾桶里散发着各种刺鼻的味道；要么是关闭的，但人们大都不愿意用手碰垃圾桶盖子，垃圾就会堆满垃圾桶周边，这样垃圾桶就会严重影响公共环境的卫生状况，因此研究设计一款人性化的智能垃圾桶(IntelligentTrash)非常必要[1]。通过设计使智能垃圾桶可以实现自动开启和关闭，夜晚的时候提供照明功能，解决公共卫生治理的死角，提升公共场所环境的舒适度，提高人们的生活质量。

1 智能垃圾桶的整体设计

1.1 系统功能设计

通过观察和调研，智能垃圾桶主要设计以下功能：

1) 在一定距离内感应人体，垃圾桶盖子会自动实现打开功能；

2) 若将垃圾放入垃圾桶中，垃圾桶盖子会自动关闭；

3) 语音提示垃圾桶装满的信息；

4) 夜晚垃圾桶自动提供照明功能[2]。

通过上述功能的设计，实现美化环境、方便人们生活、环保和健康的理念。

1.2 系统方案总述

根据功能分析，智能垃圾桶主要由人体检测传感器、舵机、指示灯和电池系统装置等组成。系统电路主要由单片机主控模块及外围电路组成，如图1所示。

图1 系统框图

其中：STC89C52单片机作为主控制芯片；电源电压提供的是+5 V，为传感器、人体检测、舵机驱动、单片机提供动力；人体检测模块用来检测人体的距离，接收信号；舵机驱动用来打开和关闭垃圾桶盖子；红外传感器用来检测垃圾桶是否装满。

1.3 系统功能模块设计

系统的硬件设计将主控芯片作为电路的核心单元，由它将各个接口连接起来，运用Keil C根据相应的功能进行代码编写，实现对硬件元器件的控制，实现相应的功能模块。

因此系统的功能模块主要由四个部分组成：主控模块、人体感应模块、舵机驱动模块及电源电路模块。

2 系统功能模块的设计

2.1 主控模块的设计

根据智能垃圾桶的功能设计，系统选用STC89C52单片机作为电路的核心元件，由其控制整个系统的逻辑结构[3]。

1) 总体控制电路设计

主控模块的总体控制电路设计如图2所示。总控制电路控制着电路的运行，它的VCC端连接着电源且电源电压为+5 V，它的RST端连接着10 μf的电容C5和10 k的电阻R1构成的按键复位电路。它的引脚P18与P19共同连接着X1震荡晶体，并分别外接着电容C3和C4，构成晶振电路。

图2 总控制电路

2.2 人体感应模块的设计

人体感应系统主要是红外测距传感器。在进行系统设计的过程中，要求垃圾桶对人体有所反应，红外测距传感器通过发射红外线进行检测。

2.2.1 人体感应控制电路的设计

本设计使用TCRT5000红外反射式对管作为检测元件，它的引脚2与单片机的引脚P22相连，引脚P22控制着红外系统的角度，构成红外感应模块。其功能设计为：

1) 当前方有障碍物时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2～30 cm，检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。

2) 传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。

3) 传感器模块输出端口OUT可直接与单片机IO口连接即可，也可以直接驱动一个5 V继电器；连接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。

4) 比较器采用LM393，工作稳定；

5) 可采用3 V～5 V直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点亮。

2.2.2 语音模块的设计

WT588D是声音质量较高、拥有单片机内核，且具有良好的可控制的语音芯片，能够将加载的音频完美的展现出，不会出现声音不流畅，杂音较大等系列问题，被广泛地用于多种领域，如电子玩具、测速器、定时器、学习机、雷达、报警器等，因此本设计使用WT588D对语音模块进行设计。

WT588D语音芯片的特征：内嵌DSP高速音频处置；音质好；支持WAV音频格式；抗干扰能力强，可运用于工业；每个芯片支持外挂多个存储器[4]。

WT588D的端口P00与按键电路的K0相连，P01与按键电路的K1相连,P02与按键电路的K2相连，P03与按键电路的K3口相连，形成可触发方式，正常工作情况下，存储器25PXX可以用来保存编写好的程序。稳压器AM31117与单片机的VDD-SIM端相连且与存储器25PXX的HOLD端连接。单片机的引脚P17连接LED灯，LED灯的亮暗由引脚P17控制。存储器的VCC端与芯片的VDD端相接，能够对两者间的电压起到相互制衡的作用。将按键电路的另一端接地，存储器25PXX的GND端、稳压器AM31117的GND端、DAC输出端都接地。

2.2.3 按键电路的设计

按键电路的作用是消除抖动，在本设计中将单片机的引脚P36与S1相连，将引脚P37与手动按钮相连[5]。其电路连接如图3所示。

图3 按键电路

2.3 舵机驱动电路

本设计使用的是舵机SG90，其工作原理是：脉冲宽度调制进入解调电路，会产生一个电压，而电位器也会有电压，二者的差值作为输出电压，使电机开始转动。如果电压差值为0时，电机停止工作[6]。舵机驱动电路与单片机的连接方式为：用SG90舵机的引脚3与单片机的引脚P20相连，舵机的引脚2与电源相接，引脚1接地。

2.4 输出指示电路

本设计运用了4个LED灯，其中D1与R2串联并与单片机的引脚P16相连，实现了垃圾桶的打开。D2与R3串联再与单片机的引脚P15相连，实现垃圾桶的关闭。D3与R4串联实现对人体的感应，D4与R5串联再与单片机的引脚P13相连实现桶满的提示。电路如图4左所示。语音系统是由三极管、蜂鸣器、电阻构成的整体。电路结构如图4右所示。

图4 输出指示电路图

2.5 电源电路的原理

单片机工作电流接近10 mA，舵机工作电流为200 mA,休眠状态下的电流为50 μA，单片机电源电压和人体感应模块电压以及舵机工作电压均为5 V。

为了节能环保，设计使用太阳能电池，蓄电池的电量来自于CON2，CON2的能量是太阳的光照提供的，在太阳能电池和蓄电池之间有一个二极管D5，它主要是规定放电的方向，节约能量。线性稳压集成电路的VIN端和VOUT端分别连接的是电容C1、C2，两者电容量相同，都起到滤波的效果[7]。具体的电路连接方式如图5所示。

图5 电源电路

3 控制系统的软件编程设计

本系统在Keil uVision4中进行C语言编程实现，系统总流程图如图6所示。

最后将编写的程序录入到开发板上进行烧录，实现系统的控制。

图6 总流程图

4 系统测试

设计完成后对系统进行了测试，主要检测当手距离垃圾桶多远才会实现垃圾桶盖子的自动打开。通电10 s后进行测试，根据数十次的测试统计，当且仅当测试距离<3 cm时，红外传感器能够响应[8]。

因此依据测试结果，只有当人的手遮挡传感器时才会实现盖子的自动打开；打开之后会有语音提示，指示灯会亮，从而实现了预设的功能。

5 结论

由于智能垃圾桶系统隔离了垃圾与人体的接触，并且具有照明及语音提示功能，符合现代人的生活习惯，有助于人们保护环境，实现对公共场所垃圾的智能处理，所以对它进行研究设计非常有必要。

综上所述，本设计具有环保、节能、卫生、便捷等优点，市场潜力巨大，具有一定的使用、推广价值。

[1] 崔明珠,董玉华,陈冰.景区智能垃圾桶的设计[J].智能计算机与应用,2016,6(6):124-126.

[2] 林琳,管锋,张飞,等.自翻盖压缩式多功能智能垃圾桶结构设计及机构分析[J].机械工程师,2016(4):98-100.

[3] 陈中跃,刘鹏,孙玲.基于STC15F2K61S2单片机的智能垃圾桶设计[J].电子技术与软件工程,2015(17):103.

[4] 何侃,田亚清,李强,等.基于LD3320的语音识别智能垃圾桶设计[J].国外电子测量技术,2015,34(6):85-88.

[5] 蔡宇,洪缨,原建平,等.语音系统中的子带自适应回声消除技术[J].仪器仪表学报,2013,34(7):9-14.

[6] 陈世夏,丁国臣,吴凌燕.基于89S52智能小车的设计[J].国外电子测量技术,2013,32(9):52-54，58.

[7] 戴礼骁,蒋陈苗,薛兵兵,等.太阳能智能垃圾桶的设计[J].电子技术,2013,42(12):33-34.

[8] 卓可强,王鹏程,左开中.基于ZigBee的烟雾检测火灾报警传感节点设计[J].现代计算机,2013(8):78-80.

DesignofIntelligentWastebinSysteminPublic

Ju Haixiang1, Fan Dongyan2

(1.NanjingNo. 9MiddleSchool,NanjingJiangsu210014,China;2.BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

The project is about the design and implementation of intelligent wastebin. The infrared sensors, the human body detection device, single chip microcomputer, phonetic device and servo driven are used in this system to implement the intelligent of wastebin. The intelligent wastebin can open and close automatically, automatic light at night and send text messages when wastebin is filling. The application of intelligent wastebin can improves the environmental quality of public places and realizes the purpose of clean and environmental protection.

intelligent wastebin; induced human body; single chip microcomputer

2017-10-11

鞠海翔(2000- )，男，江苏南京人，高三学生，主要研究应用电子技术。

1674- 4578(2017)06- 0028- 04

TP273.5

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