一种基于STC15单片机的智能分类垃圾桶

郑金记　肖昌静

摘要：随着科学技术的不断进步与发展，智能家居已经逐步走入我国民众家庭生活中，该文基于MCS-51内核的STC15系列单片机系统，设计了一款智能垃圾桶。其中硬件的设计部分主要有红外传感器、温度、重量传感器、语音播报功能模组以及电机驱动模块。这一系统能够有效地完成垃圾桶盖的自动开关流程、垃圾桶满提示以及相应的火灾报警功能。能够行之有效地避免火灾，并且为家庭的生活安全提供相应的保障。

关键词：STC15单片机;垃圾桶;研究设计

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）07-0107-02

在当今社会生活垃圾造成的污染一直被人们认为是全球存在最严重的社会公共危害。我国自“改革开放”以来，城市人口显著增加，城市规模不断增大，城市化进程不断加大，城市居民的生活垃圾产量日益剧增。特别是近几年来，垃圾的日产量增加的趋势相当显著。随着中国经济的飞速发展，公共场产生的垃圾如果不能得到及时处理，将会对社会造成严重的垃圾污染，对城市容貌的影响愈发不可收拾。将垃圾进行合理地回收处理，对环境起到保护作用，已经成为现今社会的重要举措。基于此，语音识别的智能分类垃圾桶应运而生。

1 设计背景

在如今社会的高速发展下，随着科技发展的不断进步，人们的基本生活水平一直在源源不断的提高，人们已经开始想方设法追求更健康的生活方式，卫生问题受到了人们的高度重视。传统垃圾桶需要用手开关垃圾桶，会近距离接触垃圾桶口，容易让手接触到有害细菌，对人体健康百害而无一利。人们又发明了可以用脚踩按钮从而达到开盖的目的，这种垃圾桶开始很受欢迎，但由于垃圾桶的体积太小，丢垃圾时还需要弯腰和起身，对老年人和孕妇非常不方便。人们迫切希望有一种能够移动、自动分类、自动打开闭合的垃圾桶。科技发展对垃圾分类的要求越来越多，不少城市已经实行垃圾分类。如果在家就能把垃圾分好类，将大大节省财力、人力资源。这种垃圾桶还可以朝任意指定的方向运动，极大方便了人们使用，不用走路就能把要扔的垃圾丢掉，只用一个遥控或者一个语音指令就能使垃圾桶朝着系统所识别的指定方向运动一定的距离。于是，基于STC15单片机，又兼容语音识别和语音播报智能分类的垃圾桶，就显得有现实存在价值意义。基于语音识别的智能分类垃圾桶的出现，标志着人类对生态环境的保护意识又有了一个飞跃。

2 系统设计

本项目开发的智能垃圾桶，其功能主要有物体检测、温度测量、金属探测和垃圾分类等。目标检测用于确定对象是否接近或在传感器检测范围内，然后输出开关。智能垃圾桶可判断传感器旁边是否有人存在，从而发出“打开盖子”的命令，或检查垃圾箱中“是否有垃圾”;金属探测用于确定筒内、筒外是否存在金属，如果有，则进行回收分类;通过称重传感器读取上述信息后，如果出现超重，语音播放模块则会进行报警，通过具体的数据完成下一个操作，从而完成用户交互和环境检查。

综上所述，智能垃圾桶由单片机、红外传感器、温度传感器、金属探测器、称重传感器、语音播放模块和继电器驱动模块组成，如图1所示。

根据具体的总体设计方案，智能分类垃圾桶功能如下：

1） 语音播报功能;2）火灾預警功能;3）垃圾分类功能;4）非接触控制垃圾桶盖功能。

3 硬件设计

系统的电路主要有：单片机主板电路、红外感应电路、金属探测电路、温度感应电路、称重感应电路、语音芯片、继电器驱动电路等。

3.1 单片机主板

单片机的芯片此次设计选择了LQFP48封装的IAP15W4K57S4单片机。这种型号的单片机，是STC公司较为成熟的技术成品，对比传统的8051型号芯片，其拥有更加优秀的性能，它的程序空间以及内存容量都要高于后者，同时有着十分不错的抗干扰能力和运算性能，每一个机器的周期为一个时钟周期（1T）。

3.2 红外感应电路设计

红外传感器用于探测障碍物，对非接触式垃圾桶的桶盖开关以及垃圾投入进行检测，并检查垃圾的倾倒情况。这部分软件的逻辑很简单，只需检查输出和输入的一致性，并根据结果决定是否执行下一个程序，但是软件也应该排除可能存在的干扰，如果有些小干扰没有排除（比如一些意外性的遮挡，或是小型昆虫等影响因素），则会影响垃圾桶的正常运行，垃圾箱盖就不能正常工作，所以软件需要进行延时算法的使用，检测遮挡是否达到时间限制，再根据结果决定下一步操作。

3.3 温度感应电路设计

本次设计中对温度传感器使用的单总线协议通讯，选择DS18B20型号芯片，实现对具体温度数值的获取，同时也能够有效地对火情进行检测，使用一种中断的方式进行定时连续地侦测检查。此次设计的方案为每五秒钟进行一次检测。除此以外，这种传感器系统还能对温度转换的分辨率进行相应的设置，可以分别设置成9到12位。由于此次设计中检测的周期性较长，所以采用9位的分辨率设计。具体温度感应电路图如图2所示。

3.4 称重感应模块设计

在本次设计中，称重传感器选择使用核心芯片（型号：HX711）对测量的物体重量值进行把控。需要对电子秤使用的AD转换芯片HX711的具体转换值进行读取，并根据相应的计算得出确切的重量值。这种芯片使用了十分独特的单总线协议和单片机进行的通讯流程，运用了两个数量的引脚，其中一个引脚当作数据的接口（也就是DT），另一个引脚作为同步时钟（也就是SCK），在读取的过程中，单片机通过向HX711芯片的SCK引脚发送时钟信号，并对数据口的电平进行相应的读取，进行移位并读取每一顺位的数据。称重传感器的示意图如图3所示。

3.5 语音播报功能设计

在本次设计中，对于语音播放模块的设备选择DY-SV17F型号模组，对这一模块的组成配置了一个约为5MB内存容量的Flash储存器，并根据USB数据接口同上位机进行连接，将垃圾桶中需要的语音文件进行下载。在使用的过程中，可以根据串口、并口或者是单总线来完成与主控单片机的通讯。主控制模块单片机把所需要的播放设置指令以及需要进行播放的语音内容进行编组排号，然后再进行对该模块的输入。如此一来，模块就能进行相应的语音文件播放。具体的语音播报功能电路图图4所示。

3.6 继电器驱动电路设计

在此次的电路设计中，继电器电路起着不可缺少的作用，当仪器检测到不同性质属性的垃圾后，微控制器单片机就会给继电器器件一个低电平，只有这时继电器才会开始工作并完成投放各种垃圾的完美操作。继电器器件工作的原理如下：

继电器是由电子进行控制的元器件，拥有控制与被控制两种系统。当系统对其输入量的变化达到一定程度时，电路就会使被控制的量能够根据提前预订的要求去使波的变化达到阶跃变化。继电器具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动化的控制电路中，用较小的电流控制较大电流的一种“自动开关”。在电路中起着安全保护、转换电路、自动调节等作用。

电磁式的继电器是他利用电磁铁控制工作电路通断的开关。

（1） 电磁式继电器的组成：电磁式继电器，其构成主要为电磁铁、静态触点以及动态触点和弹簧等构成。

电磁继电器的工作电路可分为高压工作电路和低压控制电路。高压工作电路主要包括电磁继电器的动触头静触头以及高压电源。系统主要包括低压电源、开关、电机和电磁继电器线圈。

（2） 电磁式继电器的工作原理：当电磁式继电器闭合低压控制的这个电路中的开关S，电路的电流就可以通过继电器电磁铁的线圈从而在继电器中产生磁场。从而对电磁器中的衔铁产生吸引力使衔铁发生来回摆动，在静态触点D与静态触点E两点相互接触。使系统的工作电路达到闭合状态，这时电路中的电机开始工作，只要电压开关S断开，圈中产生的电流就会迅速消失，此时衔铁B在弹簧C的作用下发生摆动，静触点D、E脱开，工作电路产生断开，电动机停止工作。

3.7 金属检测模块

投放垃圾时，此时红外线感应有人投放垃圾，金属探测器就会检测投放的垃圾中是否有金属，如果有金属，通过按键打开特殊垃圾回收按键，利用金属物体发出的信号来改变谐振谐波场的强度。为了识别金属物体，电路的幅值也会发生变化。

用一个金属探头線圈产生可变的电磁场，在被测金属物体中产生相对涡流，这种效应会对金属探测器线圈产生负面影响，改变仪器金属探测器线圈的电阻，振荡器检测器的振荡也应相应改变。振幅的变化被放大器处理为检测信号，通过变换转换成声音信号，控制声链使声音发出，并产生随被测金属距离和尺寸变化的声音信号，具体如图6所示。

4 结束语

文章设计了一种以STC15型号单片机为核心的智能分类垃圾桶，垃圾桶的主要功能有垃圾桶自动开盖、垃圾桶装满提醒、家庭火灾提示、垃圾自动分类等诸多功能。在科技发展的今天，这种智能分类垃圾桶能够有效地提高人们生活的便利性，有着十分广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 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.

[2] 黄鑫磊，谭艳，赵鑫虎，等.基于STC15系列单片机的智能垃圾桶的设计[J].工业控制计算机，2020，33（12）：139-140.

[3] 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）：72.

[4] 谢振宇，赵泽华，马立丰，等.基于单片机的智能可自动分类垃圾箱[发明专利]：CN111268303A[P].20200612.

【通联编辑：唐一东】

收稿日期：2021-10-15

基金项目：大学生创新创业训练项目：一种基于STC15单片机的智能分类垃圾桶（项目编号：202014389054）

作者简介：郑金记（1999—），男，四川德阳人，本科生在读，研究方向：电子科学与技术;肖昌静，本科生在读。