基于3D打印的智能垃圾回收装置的设计

袁必康 王旭 张晨旭 施凯敏 徐志伟

摘  要：基于3D打印的智能垃圾回收装置是一种智能家居，主要由红外感应用户、单片机控制、电机和3D打印技术构成。通过装置上层红外感应重复扫描用户，传递信号给单片机，单片机控制电机，打开装置，还另有红外指示灯提示用户处理垃圾，3D打印进行独立、自由设计，为用户带来更加舒适的使用体验。整个系统的制作简便、价格便宜，为用户使用垃圾回收装置的新型体验。

关键词：智能垃圾回收装置;3D打印;红外传感器;单片机系统

中图分类号：TH164;TP23       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0178-03

Abstract：The intelligent garbage collection device based on 3D printing is a smart home，which is mainly composed of infrared sensing users，MCU control，motor and 3D printing technology. Through the infrared induction of the upper layer of the device to repeatedly scan the user，transmit the signal to the single-chip microcomputer，the single-chip microcomputer controls the motor，turns on the device，there is also an infrared indicator lamp to prompt the user to deal with the garbage，3D printing is designed independently and freely，which brings the user a more comfortable use experience. The whole system is easy to make and cheap，which provides users with a new experience of using garbage collection device.

Keywords：intelligent garbage collection device;3D printing;infrared sensor;single chip microcomputer system

0  引  言

3D打印技術自19世纪提出以来，历经百年发展，被应用于医学等领域。本项目融入3D打印技术，旨在应用技术减少和制作成本的降低。随着科技不断进步，普通垃圾回收装置已不能满足用户对于垃圾回收装置功能上的需求。项目成员查找相关垃圾回收装置的资料，并深入调研探究，发现人们对于智能垃圾回收装置还有很大的需求空间。所以本项目旨在制作出具有智能化的垃圾回收装置，改善大众周围的生活环境，提高人民生活水平。

1  系统总体构成

系统总体设计框图如图1所示。

该系统主要以红外传感器为主，单片机为核心。红外感应模块从外界感知用户，提供服务。步进电机是垃圾回收装置开合的关键，控制顶盖的开启角度和开启速度，并自动关闭。红外报警模块用来检测垃圾量，提示用户清理垃圾，垃圾预警采用LED灯显示。

2  系统的硬件设计

2.1  单片机电路设计

STC89C52RC是一种低功耗的微控制器，内有程序储存器和数据处理器，定时器采用全双工串行口。单片机程序采用C语言编写，Keil进行烧录，完成相关的功能。

2.1.1  单片机复位电路

复位电路一般分为上电复位和按键复位。项目中的按键手动复位是利用红外感应模块高电平输出，VCC电源经复位键与单片机的RST的引脚相连。其主要功能就是在产品运行出错时，可以按下按键，进行手动复位。

2.1.2  单片机时钟电路

单片机时钟系统设计图如图2所示。

单片机的时钟信号由外部晶振和电容构成，通过XTAL1和XTAL2引脚进行接入。

2.2  红外感应模块

红外感应模块是主要输入模块，本项目采用HC-SR501模块进行红外感应。主要功能参数如下：工作电压为直流电压，模块供电为蓄电池。HC-SR501红外模块主要是将电平传输给单片机。红外装置的触发方式有两种，一种是可重复触发，另一种是不可重复触发。不可重复触发原理是用户靠近，感应后输出电平，通过模块自身的时间延迟，实现智能垃圾回收装置打开并延迟一段时间后关闭，没有办法进行长时间的延迟，实用性能不强。项目基于实际的使用考察发现，只有任意控制开合时间使用才会比较方便，故采用重复触发。

HC-SR501模块延时时间可以实现在0.5 s～200.0 s可调，这样可确保在智能垃圾回收装置实现开合时做到可调控。感应区域为角度100°的锥形区域，项目将顶层布满红外感应，提高反应的灵敏度。

2.3  步进电机

步进电机的电路主要组成是驱动电路和四项电机。加入驱动模块的主要原因是，单片机无法直接驱动四项电机，项目采用ULN2003为核心，为电机提供相应的脉冲信号。四项电机的工作模式通过驱动电路提供的脉冲量，控制电机的转动角度，输出的转动角度与输入的脉冲量成正比。

2.4  红外报警模块

该项目采用的红外报警器的原理是，正常工作下的二极管，产生红外线，通过红外装置，向外发射平行的光线。光信号被接收器接收后，由接收器将其转换成电信号，经过单片机点亮LED灯。所以在该项目中需要包括三个基本的模块：红外发送电路、红外接收电路、报警电路。

2.4.1  红外发送电路的设计

P10为单片机的P1.0口，低电平有效。当P1.0=0时，有红外发送，反之没有红外发送。红外发送电路设计图如图3所示。

2.4.2  红外接收电路的设计

P11为单片机的P1.1口，低电平有效。当P1.1=0时，表示接收到了红外，反之没有接收到红外。红外接收电路设计图如图4所示。

2.4.3  报警电路的设计

报警电路我们通过一个LED灯来显示，不同的颜色表示不同的状态。通过可视化的二极管對垃圾回收装置进行实时的了解和控制。

3  系统软件设计

3.1  主程序的设计

本系统代码的设计思路是：系统上电启动后，进行初始化，通过红外感应模块进行检测，判断红外检测模块的检测范围内是否有用户使用，红外模块检测到之后输出电压，单片机检测到之后控制步进电机，进行垃圾回收装置的开合。延迟5 s后，产品红外感应模块进行检测，检测到用户没有离开，装置保持开启状态，若检测到用户离开检测区域，垃圾回收装置会自动关闭。垃圾报警装置通过红外检测，红外检测器检测到之后，输出信号给单片机，然后单片机控制LED灯进行提示，用户通过LED灯颜色的不同，来进行垃圾的后续处理。如图5主系统的流程框图所示。

3.2  自动开合程序设计

本项目采用的是四项五线的步进电机和以ULN2003为核心设计的驱动电路。步进电机是将脉冲信号变为角位移或是线位移的开环控制电机。该电机的精度为步进角的3%～5%，力矩随转速的升高而下降，低速时能够正常运行。加入驱动模块后，若没有检测到驱动信号，步进电机保持静止;若检测到适应的驱动信号，就会以相应角度进行转动，转动的速度和脉冲的频率成正比。如果检测到有用户丢垃圾，红外感应模块产生信号给单片机，单片机给予驱动电路信号，最后电机转动，垃圾回收装置开启，开启之后延迟5 s，检测之后再进行判断。红外检测流程框图如图6所示。

3.3  红外报警程序设计

本项目中在设计红外报警一共有三个位置，分别为垃圾回收装置的50%、75%、100%。只要检测不到红外信号，垃圾回收装置的顶端会有灯电亮，不同位置灯不同，其余两个灯也会相应地熄灭。通过灯的指示，为用户提供一个倒垃圾的警告。

4  组装和调试

在硬件电路的设计和搭建之后，软件进行编程和调试，3D打印外观设计与安装。通过产品最终的运行情况进行调试，检测是否达到预定的目标，调试中会有诸如以下的几个问题：代码的逻辑错误、硬件电路连接稳定等。在以后的调解中，详细地记录并进行后期的讨论和解决。

4.1  系统硬件调试

使用台式万用表检测焊点的牢固性以及电路是否导通，这是第一阶段的检测。第二步就是通过数字双踪示波器测试输出波形的正确性，可以检测模块是否能够使用。

4.2  系统软件调试

单片机代码通过Keil软件进行检测，错误会进行提示，需要进行通过修改程序来改正错误。如未检测到错误，下载到单片机进行测试，如有问题再进行修改。

4.3  3D打印垃圾桶外壳

3D打印技术是通过计算机进行设计，将模型的整体结构和相应的外观设计，然后软件将其切片进行，最后打印机通过热熔粘合材料进行堆积，制造出完美的产品。本项目利用SolidWorks软件对我们所构想的形状进行建模，我们选择了圆柱形，方便耐用。把红外感应模块设计在顶部，使反应速度更加敏捷。3D模型设计图如图7所示。

5  结  论

本装置利用红外感应、单片机和3D打印技术，为用户打造了一个可以智能控制的垃圾回收装置，红外感应不断地反复扫描外界用户，扫描后单片机驱动电机打开垃圾桶盖，这就是完整的系统。红外感应灯给用户指示，为用户的清理提供警告，能够更好地保持卫生。3D打印的融入为用户提供了更加满意的产品。这一产品为用户提供了一个更加好的垃圾回收装置，为生活带来便捷。

参考文献：

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[2] 王玥，刘苇，崔昊.基于STC89C52单片机的智能分类垃圾桶的设计 [J].科技经济导刊，2019，27（16）：66.

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[4] 周强，管锋，林琳，等.一种自翻盖可压缩多功能智能垃圾桶的设计 [J].机械，2016，43（5）：51-54.