鞠海翔，樊東燕

(1.江蘇省南京市第九中學(xué)，江蘇 南京 210014；2.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

公共場(chǎng)所智能垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鞠海翔1，樊東燕2

(1.江蘇省南京市第九中學(xué)，江蘇 南京 210014；2.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

本設(shè)計(jì)針對(duì)公共場(chǎng)所垃圾桶影響周圍環(huán)境的問題而設(shè)計(jì)。系統(tǒng)應(yīng)用紅外傳感器、人體檢測(cè)裝置、單片機(jī)、語音裝置、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能化，使得垃圾桶能通過感應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打開與關(guān)閉，以及夜晚的照明和語音提示功能，提升公共場(chǎng)所的環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)潔凈、環(huán)保的目的。

智能垃圾桶；人體感應(yīng)；單片機(jī)

近年來，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，人們的生活品質(zhì)得到了極大的提升，公共環(huán)境問題變成了人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，而影響公共環(huán)境的關(guān)鍵因素之一就是垃圾問題。垃圾是人們生活的廢棄物，是人們生活中無法避免的。目前在公共環(huán)境中隨處可見的垃圾桶要么是敞開式的，垃圾桶里散發(fā)著各種刺鼻的味道；要么是關(guān)閉的，但人們大都不愿意用手碰垃圾桶蓋子，垃圾就會(huì)堆滿垃圾桶周邊，這樣垃圾桶就會(huì)嚴(yán)重影響公共環(huán)境的衛(wèi)生狀況，因此研究設(shè)計(jì)一款人性化的智能垃圾桶(IntelligentTrash)非常必要[1]。通過設(shè)計(jì)使智能垃圾桶可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟和關(guān)閉，夜晚的時(shí)候提供照明功能，解決公共衛(wèi)生治理的死角，提升公共場(chǎng)所環(huán)境的舒適度，提高人們的生活質(zhì)量。

1 智能垃圾桶的整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過觀察和調(diào)研，智能垃圾桶主要設(shè)計(jì)以下功能：

1) 在一定距離內(nèi)感應(yīng)人體，垃圾桶蓋子會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)打開功能；

2) 若將垃圾放入垃圾桶中，垃圾桶蓋子會(huì)自動(dòng)關(guān)閉；

3) 語音提示垃圾桶裝滿的信息；

4) 夜晚垃圾桶自動(dòng)提供照明功能[2]。

通過上述功能的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)美化環(huán)境、方便人們生活、環(huán)保和健康的理念。

1.2 系統(tǒng)方案總述

根據(jù)功能分析，智能垃圾桶主要由人體檢測(cè)傳感器、舵機(jī)、指示燈和電池系統(tǒng)裝置等組成。系統(tǒng)電路主要由單片機(jī)主控模塊及外圍電路組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

其中：STC89C52單片機(jī)作為主控制芯片；電源電壓提供的是+5 V，為傳感器、人體檢測(cè)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)提供動(dòng)力；人體檢測(cè)模塊用來檢測(cè)人體的距離，接收信號(hào)；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)用來打開和關(guān)閉垃圾桶蓋子；紅外傳感器用來檢測(cè)垃圾桶是否裝滿。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)將主控芯片作為電路的核心單元，由它將各個(gè)接口連接起來，運(yùn)用Keil C根據(jù)相應(yīng)的功能進(jìn)行代碼編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件元器件的控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能模塊。

因此系統(tǒng)的功能模塊主要由四個(gè)部分組成：主控模塊、人體感應(yīng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及電源電路模塊。

2 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)智能垃圾桶的功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為電路的核心元件，由其控制整個(gè)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)[3]。

1) 總體控制電路設(shè)計(jì)

主控模塊的總體控制電路設(shè)計(jì)如圖2所示。總控制電路控制著電路的運(yùn)行，它的VCC端連接著電源且電源電壓為+5 V，它的RST端連接著10 μf的電容C5和10 k的電阻R1構(gòu)成的按鍵復(fù)位電路。它的引腳P18與P19共同連接著X1震蕩晶體，并分別外接著電容C3和C4，構(gòu)成晶振電路。

圖2 總控制電路

2.2 人體感應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)

人體感應(yīng)系統(tǒng)主要是紅外測(cè)距傳感器。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，要求垃圾桶對(duì)人體有所反應(yīng)，紅外測(cè)距傳感器通過發(fā)射紅外線進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.1 人體感應(yīng)控制電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用TCRT5000紅外反射式對(duì)管作為檢測(cè)元件，它的引腳2與單片機(jī)的引腳P22相連，引腳P22控制著紅外系統(tǒng)的角度，構(gòu)成紅外感應(yīng)模塊。其功能設(shè)計(jì)為：

1) 當(dāng)前方有障礙物時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮電平，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào),該模塊檢測(cè)距離2～30 cm，檢測(cè)角度35°，檢測(cè)距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。

2) 傳感器主動(dòng)紅外線反射探測(cè),因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離最小,白色最大;小面積物體距離小,大面積距離大。

3) 傳感器模塊輸出端口OUT可直接與單片機(jī)IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)5 V繼電器；連接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。

4) 比較器采用LM393，工作穩(wěn)定；

5) 可采用3 V～5 V直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時(shí)，紅色電源指示燈點(diǎn)亮。

2.2.2 語音模塊的設(shè)計(jì)

WT588D是聲音質(zhì)量較高、擁有單片機(jī)內(nèi)核，且具有良好的可控制的語音芯片，能夠?qū)⒓虞d的音頻完美的展現(xiàn)出，不會(huì)出現(xiàn)聲音不流暢，雜音較大等系列問題，被廣泛地用于多種領(lǐng)域，如電子玩具、測(cè)速器、定時(shí)器、學(xué)習(xí)機(jī)、雷達(dá)、報(bào)警器等，因此本設(shè)計(jì)使用WT588D對(duì)語音模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

WT588D語音芯片的特征：內(nèi)嵌DSP高速音頻處置；音質(zhì)好；支持WAV音頻格式；抗干擾能力強(qiáng)，可運(yùn)用于工業(yè)；每個(gè)芯片支持外掛多個(gè)存儲(chǔ)器[4]。

WT588D的端口P00與按鍵電路的K0相連，P01與按鍵電路的K1相連,P02與按鍵電路的K2相連，P03與按鍵電路的K3口相連，形成可觸發(fā)方式，正常工作情況下，存儲(chǔ)器25PXX可以用來保存編寫好的程序。穩(wěn)壓器AM31117與單片機(jī)的VDD-SIM端相連且與存儲(chǔ)器25PXX的HOLD端連接。單片機(jī)的引腳P17連接LED燈，LED燈的亮暗由引腳P17控制。存儲(chǔ)器的VCC端與芯片的VDD端相接，能夠?qū)烧唛g的電壓起到相互制衡的作用。將按鍵電路的另一端接地，存儲(chǔ)器25PXX的GND端、穩(wěn)壓器AM31117的GND端、DAC輸出端都接地。

2.2.3 按鍵電路的設(shè)計(jì)

按鍵電路的作用是消除抖動(dòng)，在本設(shè)計(jì)中將單片機(jī)的引腳P36與S1相連，將引腳P37與手動(dòng)按鈕相連[5]。其電路連接如圖3所示。

圖3 按鍵電路

2.3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)使用的是舵機(jī)SG90，其工作原理是：脈沖寬度調(diào)制進(jìn)入解調(diào)電路，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，而電位器也會(huì)有電壓，二者的差值作為輸出電壓，使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電壓差值為0時(shí)，電機(jī)停止工作[6]。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)的連接方式為：用SG90舵機(jī)的引腳3與單片機(jī)的引腳P20相連，舵機(jī)的引腳2與電源相接，引腳1接地。

2.4 輸出指示電路

本設(shè)計(jì)運(yùn)用了4個(gè)LED燈，其中D1與R2串聯(lián)并與單片機(jī)的引腳P16相連，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶的打開。D2與R3串聯(lián)再與單片機(jī)的引腳P15相連，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的關(guān)閉。D3與R4串聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的感應(yīng)，D4與R5串聯(lián)再與單片機(jī)的引腳P13相連實(shí)現(xiàn)桶滿的提示。電路如圖4左所示。語音系統(tǒng)是由三極管、蜂鳴器、電阻構(gòu)成的整體。電路結(jié)構(gòu)如圖4右所示。

圖4 輸出指示電路圖

2.5 電源電路的原理

單片機(jī)工作電流接近10 mA，舵機(jī)工作電流為200 mA,休眠狀態(tài)下的電流為50 μA，單片機(jī)電源電壓和人體感應(yīng)模塊電壓以及舵機(jī)工作電壓均為5 V。

為了節(jié)能環(huán)保，設(shè)計(jì)使用太陽能電池，蓄電池的電量來自于CON2，CON2的能量是太陽的光照提供的，在太陽能電池和蓄電池之間有一個(gè)二極管D5，它主要是規(guī)定放電的方向，節(jié)約能量。線性穩(wěn)壓集成電路的VIN端和VOUT端分別連接的是電容C1、C2，兩者電容量相同，都起到濾波的效果[7]。具體的電路連接方式如圖5所示。

圖5 電源電路

3 控制系統(tǒng)的軟件編程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在Keil uVision4中進(jìn)行C語言編程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)總流程圖如圖6所示。

最后將編寫的程序錄入到開發(fā)板上進(jìn)行燒錄，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

圖6 總流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)計(jì)完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，主要檢測(cè)當(dāng)手距離垃圾桶多遠(yuǎn)才會(huì)實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋子的自動(dòng)打開。通電10 s后進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)數(shù)十次的測(cè)試統(tǒng)計(jì)，當(dāng)且僅當(dāng)測(cè)試距離<3 cm時(shí)，紅外傳感器能夠響應(yīng)[8]。

因此依據(jù)測(cè)試結(jié)果，只有當(dāng)人的手遮擋傳感器時(shí)才會(huì)實(shí)現(xiàn)蓋子的自動(dòng)打開；打開之后會(huì)有語音提示，指示燈會(huì)亮，從而實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的功能。

5 結(jié)論

由于智能垃圾桶系統(tǒng)隔離了垃圾與人體的接觸，并且具有照明及語音提示功能，符合現(xiàn)代人的生活習(xí)慣，有助于人們保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)公共場(chǎng)所垃圾的智能處理，所以對(duì)它進(jìn)行研究設(shè)計(jì)非常有必要。

綜上所述，本設(shè)計(jì)具有環(huán)保、節(jié)能、衛(wèi)生、便捷等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)潛力巨大，具有一定的使用、推廣價(jià)值。

[1] 崔明珠,董玉華,陳冰.景區(qū)智能垃圾桶的設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2016,6(6):124-126.

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DesignofIntelligentWastebinSysteminPublic

Ju Haixiang1, Fan Dongyan2

(1.NanjingNo. 9MiddleSchool,NanjingJiangsu210014,China;2.BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

The project is about the design and implementation of intelligent wastebin. The infrared sensors, the human body detection device, single chip microcomputer, phonetic device and servo driven are used in this system to implement the intelligent of wastebin. The intelligent wastebin can open and close automatically, automatic light at night and send text messages when wastebin is filling. The application of intelligent wastebin can improves the environmental quality of public places and realizes the purpose of clean and environmental protection.

intelligent wastebin; induced human body; single chip microcomputer

2017-10-11

鞠海翔(2000- )，男，江蘇南京人，高三學(xué)生，主要研究應(yīng)用電子技術(shù)。

1674- 4578(2017)06- 0028- 04

TP273.5

A