基于单片机的智能垃圾桶设计

1前言11前言1.1研究背景与意义在公共空间或家庭等场所，垃圾的收集和储存往往是一个不容轻视的问题。例如炎热天气下的餐厅不及时处理残渣，留在垃圾桶中就会发霉发臭；而公共空间流动人员很多，垃圾更需要及时清理。虽然国家长期以来一直在建议保护环境，不乱抛垃圾，加强回收和循环利用废物资源，但仍然屡屡发生。主要还是因为垃圾桶不够干净，一般人都想离脏东西远远地，所以有些人就会随手将垃圾扔在垃圾桶盖上或垃圾桶附近，甚至造成垃圾桶内没有垃圾桶外却垃圾满地的现象，这就加重了保洁人员的负担以及回收再利用资源的难度。垃圾是细菌和各种虫子的温床，为了生活健康，就要避免垃圾聚集不及时清理的情况发生。但现在销售的大多数有桶盖的垃圾桶，打开盖子时要么需要手动要么需要脚踏的操作方式，这种传统垃圾桶工作方式正是造成上述情况的原因。为了适应科技时代的潮流，并解决上述问题，本设计力求于实现凭借传感器检测自行打开垃圾桶盖且具有语音报警功能的智能垃圾桶。1.2研究现状垃圾桶作为日常生活不可或缺的装置，按摆放地点可分为公用垃圾桶和家用垃圾桶，按制造材质可分为塑料垃圾桶和金属垃圾桶，近年来还出现桶身为透明以便于辨识桶内是否遭放置爆裂物或有毒物质的垃圾桶，也被叫做“反恐垃圾桶”。经过调研，目前生产的垃圾桶主要有下列有待改进的地方：1、垃圾桶封闭性不佳或直接没有盖，既会向四周散发味道，又容易滋长蚊虫，对环境和人的影响都不好。2、不能处理垃圾已装满的情况，即缺少报警的功能，不及时清理垃圾就会掉落在桶外，既不美观也不卫生。目前在市场上各种类垃圾桶看起来令人目不暇接，使用上却只不外乎是用脚踩或没有盖的开放式垃圾桶。在这个传感器技术快速更新的时代，各式智能仪器仪表、自动化装置迅速融入大众的生活当中。各种智能设备节省了大量人力，财1前言2力，在可见的将来，智能化和自动化技术必将得到更为广泛的应用，所以智能垃圾桶垃圾也将会是是一个发展的趋势。除了传统的垃圾桶，现今市面上还有不同类型的智能垃圾桶。现在市面上已经出现了用红外线等感应装置的解决方案的智能垃圾桶，通过集成电路处理传感器的信号并控制垃圾箱的盖开合，以此达到智能的目标。除了红外检测垃圾桶外，还有语音提示垃圾桶，垃圾桶自身配置一个用来播放语音喇叭，安装在桶底或合适的地方，并可以通过开关手动控制。垃圾桶作为人类社会不可缺少的一部分，必定会伴随着时代发展和需求向着小巧和智能的方向发展。虽然目前的垃圾桶在智能化方向已经初见端倪，但距离理想的形态还具有很长一段距离。1.3本文研究内容本设计主要使用STC89C52单片机为基础设计并开发一个智能垃圾桶系统。该系统实现智能开盖，垃圾装满语音报警的功能。设计主要以单片机为控制中心，通过红外传感器检测探测范围内有人与否，如果有，经过单片机控制启动步进电机，打开桶盖，再经过延时设定时刻后，自动关闭垃圾桶盖。步进电机通过线的正反缠绕实现桶盖的开启与关闭。通过红外对管模块，检测垃圾桶内的垃圾高度超过限定高度与否，如果装满，单片机控制语音播放芯片，喇叭播放语音提示人们处理垃圾。主要内容包括：1.人体检测功能2.步进电机驱动电路的设计3.垃圾高度检测功能4.语音播放报警功能1.4论文内容及其安排本论文主要论述了基于STC89C52单片机的智能垃圾桶系统的方案论证、硬件系统设计、软件系统设计以及软硬件联调等内容。本次设计的内容可以分为三个部分：第一部分是硬系统件设计，包含方案的论证、所需元器件的选择等。具体的硬件电路包括人体检测电路、电机驱动电路、垃圾高度检测电路、语音电路、稳1前言3压电路和单片机的最小系统设计。在各个小的电路调试好后将他们整体连接起来进行整体检查调试，符合硬件设计的要求，最后分析得出结论。第二部分是软件系统设计，软件部分全部使用C语言进行编程，合理利用了C语言的特点，贯彻了模块化设计的理念，即把各个功能分离成小的子程序，在主程序中作为子程序加以调用，在调试时就可以方便定位出现问题的地方，然后测试各项子程序和主程序，分析结果能否满足预定的功能要求，并得出结论。第三部分是进行软、硬件联调，这是整个设计的汇总整合也是整个设计的收尾，目标是要协调好硬件和软件之间的关系，得到正确的结果。论文具体内容安排如下：第一部分简明扼要的介绍了本设计的研究背景与意义、研究现状、说明本设计研究的内容、论文内容及结构安排；第二部分是本设计系统的硬件方案和软件方案阐述；第三部分主要叙述了硬件部分的系统设计，内容有单片机最小系统设计、人体检测电路设计、超限检测电路设计、语音播放电路设计、步进电机驱动电路设计以及稳压电路设计；第四部分说明了软件设计部分的系统设计，内容有主程序设计、自动翻盖程序设计、检测电路程序设计；第五部分则对硬件调试、软件调试和软硬件一起调试的过程和结果进行具体阐述与解释并列举实验过程中遇到的问题和解决办法。2总体设计42.总体设计2.1总体方案设计本方案由单片机系统、红外对管传感器模块、电机驱动模块、语音报警模块、稳压模块组成。两个红外对管传感器模块作为单片机主要的信号输入源，单片机处理输入信号后，将控制信号输出到电机驱动模块和语音模块，完成本系统的设计功能。稳压模块则是在使用非USB供电时，使系统的输入电压保持在5V，是保证工作时系统的稳定性所必须的模块。通过人体检测模块中的红外对管传感器检测出有人，把此信号传输给单片机，单片机收到该信号处理后控制电机驱动模块进行开盖，人离开后经延时一段时间后自动关盖。当垃圾高度达到设定高度时，垃圾检测模块中的红外对管传感器发送信号至单片机，单片机接收处理后控制语音模块播放语音报警。结构框图如图2.1所示。电机驱动模块语音模块人体检测传感器模块垃圾超限检测传感器模块单片机系统图2.1结构框图2.2硬件方案设计1.传感器模块常用的用于检测判断移动物体的传感器有热释电传感器、红外对管传感器和超声波传感器。热释电传感器广泛应用人体检测，比如楼道感应灯，但对人体的移动方向有要求，平行于传感器方向移动灵敏度最高。和热释电红外传感器对比，红外对管传感器能够检测的最小距离相对小，反应灵敏，且不易受环境光干扰而产生误输出。而超声波测距模块价格较高且感应角度不大于15度，使用条件非2总体设计5常有限。本设计使用MH-B型红外距离传感器模块，额定工作电压3.3V~5V。该模块有一个红外发射管和一个接收管组成，发射管向外发射波长在850～940nm的红外线，当有效检测范围内遇到障碍物时，红外线反射后被接收管接收，经模块比较处理后，模块OUT引脚输出低电平信号。模块自带一个电位器，可以用来调节检测距离，有效检测距离范围2~20cm。该传感器具有调节检测距离快捷、抗噪声、安装使用便利等优点，普遍使用于智能设备循迹，装配线计数等许多场景。所以红外对管传感器最适合本设计的使用环境。2.语音模块语音模块常用ISD系列产品，比如ISD1820和ISD4004。ISD4004模块需要扩展很多外围电路并需要使用额外单片机进行语音录制存储，增加了电路的复杂度。ISD1820是美国ISD公司推出一种单片8～20秒语音录制兼播放芯片，它的基本结构与1110、1420系列完全相同，只能录放一段语音。芯片采用互补金属氧化物半导体技术，内置振荡器、话筒前置放大器、自动增益控制、防混淆滤波器、扬声器驱动以及存储阵列，并可方便的使用LM386等芯片实现功率放大功能。相比ISD4004模块，ISD1820结构简单，配套软件程序编写也很容易，不用复杂的寻址功能，对于本设计的单条语音播放相当合适，且具有自动节电功能，非常适合智能垃圾桶的使用条件。3.电机及其驱动模块由于本次设计需要控制垃圾桶的开盖及开盖角度，直流电机只能通过通电时间和电流极性来控制其工作，不适合搭配单片机使用，而步进电机可以很简单精确地控制其输出轴旋转角度以及方向。步进电机可分反应式、永磁式和混合式三种，永磁式步进电机输出力矩足够本设计所需且动态性能较好。所以本设计使用反应式来驱动垃圾桶开盖。驱动模块ULN2003是由七个硅NPNDarlington晶体管组成的具有耐高压、耐大电流特点的Darlington系列产品。该模块的每两个Darlington晶体管都在基极串接一个2.7K欧姆的电阻，在5V的工作电压下它能与晶体管-晶体管逻辑电路或互补型金属氧化物半导体电路直接相连，无需标准逻辑缓冲器就能处理单片机发送的脉冲信号，配合单片机能够方便的控制步进电机的工作。使用单片机来控制步进电机，可以充分表现步进电机优良的可控特性，而且单片机的可扩展性强，比如通过使用键盘或串行口输入，后续可以实现手动控制步进电机调速、正反转等功能。2总体设计64.稳压模块本次设计中单片机所工作电压为5V，其他模块也均可以在5V电压下运行，即需要将7.5V直流电源降压为5V输入电压。由于本次设计供电电源为7.5V，LM78系列压差不能小于3V，而且经查资料发现，AMS1117-5.0型号稳压芯片与LM7805相比在发热量上相比有很好的降低，所以本次设计选用AMS1117-5.0型号稳压模块。5.单片机DSP适用于有大量数据需要快速处理的环境，且芯片成本略高，开发软件需要学习相应的语法，而单片机则廉价且性能对于处理智能垃圾桶信号流绰绰有余。本设计采用的STC89C52RC是深圳宏晶科技有限公司设计的具有高速度、低能耗、抗干扰特点的51单片机，具有8KByte可反复擦写的Flash存储器。STC89C52沿用了经典的MCS-51架构，系统指令集完整兼容传统8051单片机，但在结构上进行了一些的改良使得它具有一些传统51单片机缺少的功能。该单片机结构经典，相关开发资料丰富，使用它设计最小系统方案成熟稳定，而且烧录程序方便，不需要专用的烧录器，是理想的单片机选择。单片机内部各部分的运行全部是靠时钟信号作为同步，时钟频率决定了单片机的运行速度，所以时钟电路的可靠性就直接决定单片机系统的可靠性。常用的单片机时钟电路有内部时钟方式和外部时钟方式两种。由于外部时钟信号源不方便使用，本设计使用内部时钟方式作为时钟电路。由于调试时需要频繁的下载程序，按键电平复位电路非常适合这种情况。脉冲复位电路复杂，元器件较多；上电复位则没有按键复位快捷，所以本设计使用按键电平复位电路。2.3软件方案设计本设计软件部分程序全部由C语言编写，C是一种通用的编程语言，具有效率高、使用灵活、功能强大、可阅读性强和较高的可移植性等特点。使用标准C语言的程序，对于单片机等微控制芯片，属于标准C语言编写的部分也很少需要改动。汇编语言是硬件底层的语言，需要结合相应芯片的说明书或文档才能使用汇编语言进行程序开发，所以很难读懂，后期维护和调整难度大。汇编语言能够直接操控寄存器的工作状态，但是代码移植复杂，更不能进行结构化编程。本设计子程序较多，所以采用C语言编写，可使代码简洁易懂，方便调试。2总体设计7程序工作流程如下：红外传感器检测到有人时，单片机控制步进电机打开桶盖，传感器模块感应到人离开后，经延时后垃圾箱盖将自动关闭。当红外对管传感器检测到垃圾高度超过设定时单片机控制语音模块播放语音报警，当垃圾被清理后停止报警，也可手动关闭。程序流程如图2.2所示。开始系统初始化是否有人扔垃圾垃圾箱盖打开垃圾是否装满语音报警垃圾箱盖关闭是否是否延时延时图2.2程序流程框图3硬件系统设计83硬件系统设计3.1单片机最小系统设计STC89C52使用8位微处理器并具有在线系统可编程Flash，使得它可以应用在很多嵌入式环境中，并提供简单灵动的解决方案。它具有以下基本功能和参数：512Byte数据存储器，32bitI/O口线，硬件看门狗，内置8KByteFlash程序存储器，三个16bit定时器/计数器，五个外部中断，全双工串行端口。最高时钟频率80MHz，6T/12T可选。STC89C52RC的PDIP封装引脚图如图3.1所示。图3.1STC89C52引脚图想要使单片机运行起来，必须具备两个个最基本的外围电路：时钟电路和复位电路，以及电源。只要具备这三个条件，就可以向单片机中下载和运行程序。时钟电路所使用的石英晶振的振荡频率直接决定单片机的