新型智能垃圾桶控制系统设计

2020-11-25刘攀陆霖波赵晓艳成慧翔张虎

电子技术与软件工程 2020年17期

刘攀陆霖波赵晓艳成慧翔张虎

（1.山西农业大学信息学院山西省晋中市 030800 2.陕西武功普集街道办陕西省咸阳市 712200）

我国在加快城镇化的建设过程中，城市中垃圾的总量愈来愈多，而生活中的垃圾却没有得到合理的分类以及有效的回收，从而加剧了城镇的环境问题。本文就此问题专门设计新型智能垃圾桶的控制系统[1]。垃圾桶的智能化，使人们从身边事物感受到我国的城市化不断地向高质量提升。智能垃圾桶可以慢慢的改善用户对传统垃圾桶的脏乱差的普遍看法，从而改善垃圾桶周边的垃圾乱放的现象。同时，智能垃圾桶采用的全封闭处理和杀虫抑菌系统，可以有效的解决这一问题。于此，将垃圾桶进行升级是必要的，尤其在智能化和自动化上，这对环境的改善起到很大作用[2]。

1 系统总体方案设计

智能垃圾桶控制系统使用ST89C52RC 微控制器为主控制器，选择步进电机驱动系统、传感器系统、语言系统和超声波感应系统。超声波测距模块检测到人与垃圾桶之间的距离小于超声波测距模块设定的范围内，超声波测距模块将采集到的信号传送给单片机，然后驱动电路开始工作，并开始运转语言模块，自动翻盖和语音通报的功能由此完成；当光电传感器模块感测到物体，将采集到的信号传给单片机，单片机控制语音模块，实现垃圾桶装满检测的自动监测功能，垃圾桶内的除味和抑菌是通过接收驱动模块发出信号进行工作的，而驱动模块的控制是由一路光路耦合继电器决定的；当垃圾桶的语音芯片模块接收到相应信号时，开始语音播报，例如垃圾桶内的垃圾高度信号、人体检测信号以及按键信号，以上信号均是由单片机的处理信号；垃圾桶的气味抑制杀菌功能以及步进电机模块的电能均是由太阳能供电系统提供，以节约能源，并达到环保的效果[3]。本设计使用微控制器、太阳能供电系统、超声波感应系统、语言芯片系统、驱动系统、光电传感器系统和一路光耦隔离继电器驱动系统。本设计的总体方案如图1所示。

本设计中的各模块功能及作用：自动开关翻盖设计，在垃圾桶内装有超声波测距模块和光电传感器模块，当有人接近，驱动电路开始工作，使电机正转，打开垃圾桶一定时间内，电机受微控制器影响，开始反转，关闭垃圾桶。自动监测垃圾装满设计，当光电传感器监视到有信号发生时，SCM 控制语言将开始芯片进行广播。本文设计除臭和抑菌功能，在垃圾桶盖的顶部安装一个按钮，按下按钮后，继电器将发出相应的信号控制。本系统设计了相应的语音广播功能，当语音芯片模块收听检测到的人体感应信号时、垃圾桶内垃圾高度以及按钮按下时的处理信号时，语音芯片模块将播放提示信息[4]。

2 系统硬件部分设计

2.1 超声波测距模块

超声波感应系统的使用门槛低，在正常工作中遇到极端天气也可以正常使用。超声波感应系统中使用HC¬-SR04 芯片。HC¬-SR04 芯片有4 个引脚。1 引脚的作用是保障用电正常，所以接5V电源，4 引脚的作用是防止漏电所以接地，2 引脚的作用是将信号发生出去，所以接P3.4口，3引脚的作用是接收信号所以接P3.5口[5]。

超声波感应系统的工作原理：用微控制器的I/O 口来测距，HC¬-SR04 的输入端TRIG（2 引脚）收到10us 的高电平脉冲信号，微控制器的内部定时器开始清零工作。当微控制器的内部定时器开始工作时，HC¬-SR04的输出端ECHO（3引脚）的电平变化由低到高：当微控制器的内部当定时器停止工作时，输出端ECHO（3 引脚）的电平信号由高到低。通过定时器TO的时间，从而计算出实际距离。

2.2 光电感应模块

微控制器接受到光电感应系统在有效距离内采集到的信号。2 个RPR220 电路在光电感应系统中是互相并联的。LM393 芯片有2 个输入端，一个接入系统的4 脚，另一个是将滑动变阻器接到系统内。而后者所接收到的电压取决于滑动变阻器的阻值。实际上,三极管组成部件有U4、+5V 以及R4，最小应用系统由这些构成。RPR220 系统中的反射光电探测器，是减少误差的最重要原因。而塑粒透镜是RPR220 的重要组成部分，因为RPR220 有塑粒透镜，而它的灵敏度特别好，以及通过过滤器使高光对测量结果的影响降到最低。当有光线进入RPR220 的检测范围时，U4 此时相当于短路，电压为0，于LN393 的负输入端上的电压比正输入端的电压就高，LM393 的输出端的电平由高到低，微控制器开始执行程序。反之，当光线没有进入，U4 此时的电压就不为0，LM393 的正输入端电压比负输入端的电压高，输出端输出的电平由低到高，微控制器终止程序运行。

2.3 电机驱动模块

在电机正常工作的情况下，要获得脉冲信号就必须让转过让在工作的电机的步距角转动。工作中的步进电机的转角速度愈来愈高，则在系统中的脉冲信号也愈来愈高，而脉冲信号也导致了脉冲数的变化以及频率的改变。由于步进电机可以在眨眼间开始工作以及在极短时间内停止的工作优越性质，转动的脉冲信号和步距角在工作时也是相互影响。要想改变电机的转动方向，将脉冲的顺序改变就可以实现。在控制速度上最常用的办法就是通过改变旋转的方向。步进电机正常工作的前提是系统接受到了晶振电路发出的脉冲信号[6]。步进电机有合适的脉冲信号才会有合适的旋转角度。

2.4 语音模块

本系统语音模块使用的是WT588D 芯片，WT588D 的I/0 端口相对于其他系列的端口要多，它也有外置FLASH 存储器功能和控制的功能。在经济方面上讲，在引脚不直接改变的前提下，它可以用掩膜样品的，最重要的是它的价格亲民[7]。在操作软件方面，它可以将语音组合在一起，这样极大程度上把编辑语音的时间缩小，在操作上也是极其简单。

串口的在工作模式下的发码速度最低可到600us，最高速度有2000us，用芯片的发码端对循环播放、语音的开与关以及音量的大小进行控制从而达到简单快速的操作；而发码端能任意改变三线串口控制I/0 口扩展和三线串口的模式，在三线串口下，WT588D 芯片的功能和一线串口的功能是一样的，但是，三线串口控制I/0 口扩展输出却可以扩展8 位输出，比一线串口的功能更多样性。在三线串口的两种模式下切换，可以让上一个模式的最后一种状态直接进入到下一个模式并保持该状态。

2.5 太阳能供电模块

在当今世界资源日益匮乏的时代，天然气，石油，化石燃料等不可再生资源不断减少的情况下，太阳能作为一种能够长期使用且再生的能源，使人们在各个领域内不断的得到应用，因此，本文顺应时代的发展，将采用太阳能作为本控制系统的供电装置。

为了起到节能环保的作用，使用了太阳能电池作为能量供应。蓄电池的能量转换是从太阳能到热能再到机械能，最后到电能。蓄电池中的能量主要通过太阳光的直接照射到CON2 里的。微控制器在工作时的电流大约是10mA，CON2 在睡眠状态下的电流为50 μA，微控制器的电源电压和超声波供应系统的电压均为5 V。线性集成电路是由END 端和VIN 端以及VOUT 端组成，其中VOUT端的作用就是连接电容C2，VIN 端的作用就是连接电容C1。C1和C2 都是相同的电容，因此滤波的作用也是有着相同效果D。二极管D5 在蓄电池和太阳能电池的中间，而二极管的做大的作用是将接受到的能量百分百的传给下一个器件，这就和单一导向性紧密相关。

3 系统软件部分设计

开始通电时，外部设备上电稳定后，各个模块的功能初始化开始。延迟200ms，是为了使超声波感应系统可以使用，这样可以将干扰的波形排除在外。经过延时200ms 后，定时器开启计数功能，系统如果到达设定的时间，那么系统开始开启紫外线光源和高压金属片进行消毒和抑菌。在超声波感应系统和光电感应系统以及定时器同时作用下，超声波感应系统在小于0.8m 的距离下检测到东西，则自动打开桶盖以及播放提示音，例：“请把垃圾放到垃圾桶里”，延迟3 秒后电机反转。当光电感应系统检测得到信号，则语音模块播放消息“垃圾箱已满，请寻找别的垃圾桶”[8]。

超声波感应系统可以感应是不是有东西靠近还能显示出东西和垃圾桶的具体位置。微控制器的定时器的作用就是进行清零操作，而超声波模块的输入端在工作时，必须得接受到微控制器发送的高电平脉冲才能正常工作。定时器有2 种状态，一种是开始工作，一种是停止工作。前者是将工作中的ECHO 的电平发生从低到高的改变；后者是将工作中的ECHO 的电平发出由高到低的改变。