王先春,汪大理, 吳云昌, 周 洲

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基于太陽能供電的自動(dòng)垃圾箱控制系統(tǒng)

王先春*,汪大理, 吳云昌, 周 洲

(湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

目前傳統(tǒng)的城市垃圾箱一般開口在側(cè)面,投放垃圾時(shí)很不方便, 同時(shí)垃圾箱敞開,桶內(nèi)的垃圾產(chǎn)生的異味容易散發(fā)出來刺鼻, 不衛(wèi)生. 為解決這個(gè)困擾市民生活已久的問題, 提升城市文明衛(wèi)生水平, 本文提出了一種基于太陽能供電的自動(dòng)垃圾箱控制系統(tǒng). 本設(shè)計(jì)通過紅外線傳感器技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、微控制器技術(shù)相結(jié)合的方式使垃圾箱實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開關(guān)門、環(huán)保等特性.

單片機(jī); 傳感器; 太陽能智能系統(tǒng); 便捷應(yīng)急充電; LED照明;

垃圾箱是城市不可或缺的衛(wèi)生助手, 目前市面上的垃圾箱一般開口在側(cè)面, 垃圾投放時(shí)很不方便, 同時(shí)垃圾箱口敞開, 垃圾在桶內(nèi)產(chǎn)生的異味容易散發(fā)出來, 不衛(wèi)生易滋生細(xì)菌傳染疾病. 為方便人們的生活, 美化城市的環(huán)境, 設(shè)計(jì)了一種基于太陽能供電的自動(dòng)垃圾箱, 它是基于紅外線技術(shù), 光伏發(fā)電技術(shù)的智能綠色環(huán)保垃圾箱. 在丟垃圾時(shí), 只需把垃圾伸到垃圾投放口的上方, 垃圾箱蓋就會(huì)自動(dòng)打開, 丟完垃圾后又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉, 另外還設(shè)計(jì)了夜間照明系統(tǒng)、便捷應(yīng)急充電器系統(tǒng)、城市廣告板的功能.

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由主控芯片、紅外線傳感器檢測模塊、機(jī)械傳送模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、便捷應(yīng)急充電模塊、LED照明及廣告模塊和光伏發(fā)電模塊組成(圖1).

圖1 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光伏發(fā)電模塊由太陽能電池板、控制器和蓄電池組成. 太陽能電池轉(zhuǎn)化的電能為系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供電能, 多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池中, 供無光照時(shí)使用; 傳感器檢測模塊將檢測到的信號(hào)及時(shí)傳送給單片機(jī), 單片機(jī)根據(jù)傳感器采集到的信號(hào)判斷有沒有人來丟垃圾; 便捷充電模塊利用太陽能電池轉(zhuǎn)化的電能經(jīng)過穩(wěn)壓等處理之后, 可以為市民隨身攜帶的移動(dòng)設(shè)備提供便捷的應(yīng)急供電; LED照明及廣告模塊在美化城市的同時(shí)為市民夜間行走提供照明.

2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源模塊

該模塊以LM317芯片、LM2596芯片及LM2940芯片為核心構(gòu)成一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路模塊, 將蓄電池的電從12 V降到5 V和7.2 V. 以LM2940線性穩(wěn)壓芯片為核心的穩(wěn)壓電路給單片機(jī)、人體釋熱紅外傳感器及各種控制芯片提供穩(wěn)定的5 V電源. 以LM317穩(wěn)壓芯片為核心的穩(wěn)壓電路為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供7.2 V電源; 以LM2596開關(guān)穩(wěn)壓芯片為核心的穩(wěn)壓電路, 為LED照明系統(tǒng)及便捷充電模塊供電[1].

2.2 主控芯片CPU和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓, 高性能CMOS微處理器, 片類帶可擦寫的程序存儲(chǔ)器, 共有4個(gè)8位I/O接口, 功能滿足系統(tǒng)要求. L298N是SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的直流電機(jī)專用控制芯片, 能產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)控制信號(hào), 帶散熱片, 輸出功率強(qiáng), 易于與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制[2].

以單片機(jī)為主控芯片, 在軟件的配合下用P1口作為傳感器信號(hào)輸入口, 掃描多點(diǎn)紅外傳感器的監(jiān)控信息, 信息經(jīng)處理運(yùn)算后, 通過P2口輸出脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn), 從而實(shí)現(xiàn)箱門的開關(guān). 電機(jī)選用大功率直流電機(jī), 每個(gè)電機(jī)用2位I/O口控制, 所以P2口的P2.0和P2.1控制第1個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向即控制垃圾箱的第1個(gè)門的打開與關(guān)閉, P2口的P2.2和P2.3控制第2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向即控制垃圾箱的第2個(gè)門的打開與關(guān)閉.

為避免電機(jī)工作時(shí)對(duì)單片機(jī)主控芯片的干擾, 在驅(qū)動(dòng)電路中加入反相器和光耦隔離控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路, 使主控芯片單片機(jī)能穩(wěn)定可靠地工作(圖2).

圖2 主控芯片CPU 及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 傳感器檢測模塊

該模塊由2個(gè)人體釋熱紅外傳感器采集模塊構(gòu)成, 分別用來檢測2個(gè)垃圾箱是否有人需要丟垃圾(一個(gè)是可回收垃圾箱, 一個(gè)是不可回收垃圾箱). 同時(shí)這2個(gè)人體釋熱紅外傳感器采集模塊分別與單片機(jī)的P1.0和P1.1相連. 當(dāng)有人將手伸向垃圾箱準(zhǔn)備丟垃圾時(shí), 人體釋熱紅外傳感器就可以迅速的采集到人體釋放出來的紅外信號(hào), 同時(shí)向單片機(jī)對(duì)應(yīng)的端口發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào).

PIR是一種以非接觸形式檢測人體或動(dòng)物輻射的紅外線能量變化, 并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出的傳感器. BIS001是一種高性能的信號(hào)處理集成電路, 由運(yùn)算放大器、電壓比較器、延遲時(shí)間和封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成, 它與PIR和少量外接元器件可構(gòu)成被動(dòng)式的人體紅外傳感器采集電路[3—4].

人體釋熱紅外傳感器信號(hào)檢測電路中的PIR采用LH1778來監(jiān)測人體紅外信號(hào), 采集的信號(hào)經(jīng)BIS0001放大處理后以高低電平的形式輸出給單片機(jī)運(yùn)算處理, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定區(qū)域的信號(hào)采集. 在監(jiān)測電路中可通過調(diào)節(jié)精密電位器RP1對(duì)BIS0001內(nèi)部放大器放大倍數(shù)的控制, 從而增減PIR探頭探測的靈敏度, 實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)距離的控制, 調(diào)節(jié)RP3控制信號(hào)的輸出延時(shí)時(shí)間(x),x≈ 49 152 × R8RP3C5, 默認(rèn)為x≈ 1 s; 調(diào)節(jié)RP2控制信號(hào)的輸出封鎖時(shí)間(i), 監(jiān)測電路在這個(gè)時(shí)間里輸出低電平,i≈ 24 × R5RP1C7, 默認(rèn)為1.2 s, 所以結(jié)合x和i可控制監(jiān)測電路的探測周期. 實(shí)物中對(duì)PIR探頭做了兩種處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)其監(jiān)測面積的控制. 當(dāng)套用自制的金屬框時(shí)可調(diào)節(jié)到半徑為50 cm左右, 45°角的扇形區(qū)域的探測, 套用內(nèi)徑為1.5 cm的空心金屬套筒時(shí), 探測范圍變成一條長約50 cm的直線. 經(jīng)多次驗(yàn)證測試人體釋熱紅外傳感器信號(hào)檢測電路達(dá)到設(shè)計(jì)功能.

2.4 LED照明及廣告模塊

本模塊設(shè)計(jì)中, 將廣告牌安裝在垃圾箱體的上方, 廣告牌內(nèi)可以很方便的安放各種廣告, 廣告牌的4個(gè)角落每個(gè)角安裝一個(gè)1 W的LED燈, 在為市民夜間活動(dòng)提供照明的同時(shí)美化城市環(huán)境, 為城市增添夜景.

LED照明電路采用基于LM2596開關(guān)穩(wěn)壓芯片為核心的恒壓恒流電路, 當(dāng)輸出電流小于設(shè)定值時(shí),就自動(dòng)工作在恒壓輸出模式, 當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值時(shí), 就自動(dòng)工作在恒流輸出模式, 可以為LED燈提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)電源. 4個(gè)LED燈的安裝方式按照每兩個(gè)LED燈串聯(lián)之后再并聯(lián)起來的方式連接.

照明控制電路采用以NE555芯片加光敏電阻為核心的光控開關(guān)對(duì)4個(gè)LED燈控制亮與滅, 每當(dāng)夜幕降臨時(shí)光線降到一定的暗度光控開關(guān)便會(huì)控制4個(gè)LED燈發(fā)光. 當(dāng)光線恢復(fù)到一定的強(qiáng)度時(shí)光控開關(guān)便會(huì)控制4個(gè)LED燈熄滅停止工作. 閾值光線值可以通過調(diào)節(jié)電位器R20的值來改變.

2.5 便捷充電模塊

該模塊采用的是TP4056構(gòu)成的充電器. 該充電器可以為外接設(shè)備提供一個(gè)充電電源. 通過一個(gè)十合一萬用充電轉(zhuǎn)接線可以很方便的為各種型號(hào)的手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備提供應(yīng)急充電.

TP4056是一款完整的恒流/恒壓的線性充電器, 底部帶有散熱片, 外部元件數(shù)目較少, 是便攜式應(yīng)用充電器的理想選擇. TP4056 可以適合USB電源和其他適配器電源工作, 廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、PDA、MP3、MP4播放器、數(shù)碼相機(jī)、GPS、便攜式設(shè)備等各種充電器.

由于內(nèi)部采用了PMOSFET 架構(gòu), 加上防倒充電路, 所以不需要外部隔離二極管. 熱反饋可對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié), 在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對(duì)芯片溫度加以限制. 充電電壓固定于4.2 V, 通過一個(gè)可變電阻器調(diào)節(jié)充電電流. 在達(dá)到最終浮充電壓之后, 充電電流降至設(shè)定值1/10時(shí), TP4056將自動(dòng)終止充電循環(huán). 當(dāng)輸入電壓(交流適配器或USB電源)被拿掉時(shí), TP4056自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài), 將電池漏電流降至2 μA以下. TP4056在有電源時(shí)也可置于停機(jī)模式, 以而將供電電流降至55 μA. TP4056的其他特點(diǎn)包括電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于指示充電、結(jié)束的LED狀態(tài)引腳.

2.6 光伏供電模塊

2.6.1 材料配件的選配

主要零配件有太陽能電池板、太陽能蓄電池、太陽能控制器、太陽能支架等, 其中最需要配套的是太陽能蓄電池和太陽能電池板. 如果太陽能電池板的功率偏大, 蓄電池的容量偏小, 就會(huì)浪費(fèi)資源, 而且發(fā)揮不出最大的實(shí)際使用功率; 如果太陽能蓄電池容量偏大, 太陽能電池板功率偏小, 就會(huì)導(dǎo)致蓄電池充電不滿.

本模塊設(shè)計(jì)中, 選用的是單晶硅太陽能電池板, 單晶硅太陽能電池相對(duì)與多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜電池具有效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn), 當(dāng)然成本也稍高, 綜合考慮各方面的因素選用了單晶硅太陽能電池板, 選用全密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池, 它具有價(jià)格低、電壓穩(wěn)定、無污染、整個(gè)使用周期內(nèi)無需維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn). 選用長沙光合公司生產(chǎn)的12/24 V-10 A的智能型太陽能光電控制器, 它具有智能優(yōu)化SOC控制、高精度穩(wěn)定補(bǔ)償、防過充、過放、點(diǎn)短路、防反接保護(hù)等全自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn).

2.6.2 太陽能電池板與蓄電池配置計(jì)算公式

① 根據(jù)以下公式計(jì)算出電流. 電流=功率÷電壓.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了12 V蓄電池系統(tǒng). 設(shè)計(jì)功率: 1 W的LED燈4只以及單片機(jī)、2個(gè)直流電機(jī)等, 一天內(nèi)的平均功率約為3 W. 所以: 電流=3 W ÷ 12 V = 0.25 A.

② 計(jì)算出蓄電池容量需求: 蓄電池容量＝電流×工作時(shí)間×連續(xù)陰雨天數(shù). 設(shè)計(jì)需要滿足連續(xù)陰雨天3天的照明需求. 所以: 蓄電池容量= 0.25 A × 24 h × 3 d = 18 Ah. 留有一點(diǎn)盈余所以最終選用20 Ah的蓄電池[5].

③ 計(jì)算出電池板的需求峰值(P):P÷ 電壓= (電流× 工作時(shí)間× 120%) ÷ 有效光照時(shí)間. 系統(tǒng)每天累計(jì)工作時(shí)間為24h; 考慮到垂直光照時(shí)間短, 電池板平均每天接受有效光照時(shí)間設(shè)為4h, 需要最少放寬對(duì)電池板需求20%的預(yù)留額. 所以:P÷ 17.6 V = (0.25 A × 24 h × 120%) ÷ 4 hP= 31.68 W. 考慮理論與實(shí)際的差值及預(yù)留所以我們選用40 W的太陽能電池板.

3 軟件設(shè)計(jì)

控制部分軟件采用C語言在Keil環(huán)境下編寫(圖3).

圖3 程序流程圖

初始化主要是針對(duì)單片機(jī)內(nèi)部變量的賦值及輸入端、輸出端的清零、定時(shí)器中斷初始化等. 在無人進(jìn)入垃圾投放檢測區(qū)域時(shí), 傳感器輸入到單片機(jī)的信號(hào)一直為低, 當(dāng)將垃圾袋伸進(jìn)垃圾投放檢測區(qū)域時(shí), 相對(duì)應(yīng)的傳感器會(huì)輸出高電平, 單片機(jī)開始從P1.0至P1.3逐位掃描進(jìn)行信號(hào)檢測, 當(dāng)檢測到P1.0或P1.1中某位為高電平時(shí), 相對(duì)應(yīng)的電機(jī)立即響應(yīng), 實(shí)現(xiàn)箱門的打開, 同時(shí)對(duì)應(yīng)的定時(shí)器中斷初始化開始工作. 當(dāng)檢測到P1.2或P1.3中某位為高電平時(shí), 說明對(duì)應(yīng)的箱門已經(jīng)完全打開, 相應(yīng)的電機(jī)立即停止工作. 當(dāng)定時(shí)器中斷溢出時(shí), 說明垃圾已經(jīng)投放完畢, 電機(jī)反轉(zhuǎn)箱門關(guān)閉.

4 機(jī)械及外型設(shè)計(jì)

垃圾箱分為上下2部分, 上面為廣告板部分, 主要包括廣告板、頂棚、太陽能電池板. 下面為垃圾箱體, 采用封閉設(shè)計(jì), 分為2個(gè)倉, 一個(gè)為可回收倉, 另一個(gè)為不可回收倉. 垃圾投放口在正上方, 左右各一個(gè), 中間為便捷應(yīng)急充電盒. 指示燈及紅外傳感器處于垃圾投放口的正前方. 垃圾投放口處箱門設(shè)計(jì)采用前后滑動(dòng)式.

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)使用太陽能電池為整個(gè)系統(tǒng)提供電能, 以單片機(jī)為控制核心, 結(jié)合人體釋熱紅外傳感器組成的信號(hào)采集電路和L298N驅(qū)動(dòng)電路去控制垃圾箱門, 以TP4056為核心的便捷應(yīng)急充電模塊為市民隨身攜帶的移動(dòng)設(shè)備提供方便快捷的應(yīng)急充電, 以LED照明技術(shù)為核心的夜間照明及廣告模塊提供照明, 發(fā)布廣告, 增添夜景. 該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)垃圾箱垃圾投放不方便, 氣味容易散發(fā)出來的問題, 能方便市民生活, 在提升城市市容和城市品位方面具有重要意義.

[1] 康華光, 鄒壽彬. 電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[2] 謝維成, 楊加國. 單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

[3] 張佳一. 釋熱紅外傳感器放大電路的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J]. 廣西通信技術(shù), 2010(3): 24—25.

[4] 宋文緒, 楊帆. 傳感器與檢測技術(shù)[M]: 2版. 北京: 高等教育出版社, 2009: 11.

[5] 周志敏, 紀(jì)愛華, 周紀(jì)海. LED照明技術(shù)與應(yīng)用電路[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 5.

Automatic trash control system based on solar power

WANG XianChun, WANG DaLi,WU YunChang, ZHOU Zhou

(Department of Physics and Electronic Science, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The traditional city dustbin is not convenient and not health because of design of the entrancehe of garbage box,which cause people feel uncomfortable. An automatic trash control system was proposed based on solar power in order to solve the problem. The design of the infrared sensor technology combined with photovoltaic technology and micro-controller technology realized the automatic trash control system.

single chip computer; sensor; solar intelligent system; convenient emergency charging; LED lighting;

TP 23

1672-6146(2014)02-0070-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.015

通訊作者：email: wxc2129@163.com.

2014-05-05

湖南省“大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”基金, 湖南文理學(xué)院“校企聯(lián)合人才培養(yǎng)基地”基金, 湖南 文理學(xué)院教研教改項(xiàng)目, 光電信息集成與光學(xué)制造技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目, 湖南文理學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科建設(shè) 項(xiàng)目.

(責(zé)任編校:劉剛毅)