陳朝詩　王艷玲

摘 要：本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控制器，設(shè)計(jì)了一款具有自動吸塵功能的智能垃圾桶，主要包括循跡避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外感應(yīng)模塊、藍(lán)牙通信模塊、超聲波測距模塊、電源開關(guān)控制模塊等，結(jié)合吸塵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以在人們丟垃圾時自動打開垃圾桶蓋，而且可以在復(fù)雜的辦公場所中進(jìn)行循跡避障吸塵工作，通過藍(lán)牙無線控制其運(yùn)行。在使用中可很好地提高辦公區(qū)域的智能程度，具有很好的開發(fā)價值和實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；循跡避障；藍(lán)牙；吸塵式垃圾桶

目前，在企業(yè)的辦公場所的保潔工作主要依靠清潔人員來完成，而且清潔人員主要工作是清理地面的紙屑和灰塵，用到的工具無非就是吸塵器。如果把辦公場所一定使用到的垃圾桶和吸塵器結(jié)合在一起，進(jìn)行智能化改進(jìn)，讓它不但可以作為平常的垃圾桶使用，還可以代替清潔人員進(jìn)行吸塵工作，不僅提高工具的利用率，還能降低人力，對于企業(yè)來說，這能很有效地降低人工費(fèi)支出。再從市場分析，在當(dāng)前出現(xiàn)很少有一款有這樣兩用的智能垃圾桶，而且在成本上，本作品的成本相對低廉，更符合辦公場所的建設(shè)要求，所以應(yīng)該有著很大的市場。

一、設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)思路上分為兩條線路，一條是循跡避障和吸塵控制，一條是紅外感應(yīng)加步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、灰塵盒及垃圾桶的檢測系統(tǒng)和藍(lán)牙無線控制，底座部分是由第一條線路設(shè)計(jì)的，上面部分是由第二條線路設(shè)計(jì)的，兩條線路通過藍(lán)牙控制連接。

在MCU選擇方面采用了STM32系列的芯片，它的性能較51系列芯片更強(qiáng)大，滿足項(xiàng)目對主控芯片的性能要求。具體的功能方案實(shí)現(xiàn)是：①通過藍(lán)牙控制或者直接手動按鍵控制垃圾桶進(jìn)行的循跡吸塵工作，通過循跡模塊識別黑線進(jìn)行循跡，通過避障模塊在循跡的時候進(jìn)行有效地避開線路上的障礙物，避障之后返回到原路線繼續(xù)運(yùn)行，吸塵器的工作與電機(jī)轉(zhuǎn)動同步；②通過紅外感應(yīng)模塊識別人體，實(shí)現(xiàn)人們在丟垃圾時自動打開垃圾蓋，通過超聲波模塊和指示燈檢測垃圾容量和灰塵容量并提示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

循跡和避障功能根據(jù)實(shí)際的辦公地形進(jìn)行分析，考慮到各種問題存在的可能，通過算法在程序中實(shí)現(xiàn)更好的循跡避障，而且還配有警報(bào)設(shè)計(jì)，如果遇到無法避開的情況可警報(bào)提醒。吸塵系統(tǒng)可控，輸入功率較低，吸塵效果設(shè)計(jì)到最佳。上面部分的紅外感應(yīng)翻蓋要滿足正常的丟垃圾行為，需要調(diào)整最佳的紅外感應(yīng)時間和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，并進(jìn)行抗外部干擾處理，實(shí)現(xiàn)功能的精準(zhǔn)性。在供應(yīng)電源方面，采用可充電的移動鋰電池，輸出功率完全滿足整個垃圾桶系統(tǒng)的供電要求，并且有足夠的續(xù)航能力。具體的系統(tǒng)框架如圖1。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）主控芯片

本項(xiàng)目采用的單片機(jī)是ST公司的STM32單片機(jī)，采用的型號是STM32f103c8t6，是一款有著64K字節(jié)的閃存、48個I/O口、2個12位ADC、7個定時器、9個通信接口以及工作頻率可達(dá)到72MHz的單片機(jī)，該單片機(jī)的功能比較強(qiáng)大，在成本上相對其他型號的單片機(jī)更低點(diǎn)，而且完全滿足項(xiàng)目要求，適合本項(xiàng)目的使用。

（二）驅(qū)動模塊

驅(qū)動采用的是12v直流電機(jī)，它的負(fù)載能力為60KG，滿足垃圾重量要求，采用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊，L298N芯片具有驅(qū)動能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

（三）傳感器模塊

本項(xiàng)目采用的傳感器有US-016超聲波、TCRT5000循跡模塊、E18-D80NK紅外光電開關(guān)、HC-05藍(lán)牙模塊等。US-016超聲波具有很高的識別精度，識別范圍為2cm-300cm，精度達(dá)到0.3cm +1%，在項(xiàng)目中采用兩個超聲波模塊加兩組指示燈來用于檢測垃圾容量和灰塵容量并進(jìn)行提示。TCRT5000循跡模塊的信號處理干凈，檢測反射距離最小為1mm，可很好地用于短距離識別，項(xiàng)目中用5個TCRT5000循跡模塊進(jìn)行循跡工作，提高精確度。E18-D80NK紅外光電開關(guān)識別距離較長、抗干擾能力較強(qiáng)，5v供電，因?yàn)橛糜诶把E中的避障，所以運(yùn)用到6個紅外開關(guān)，前面兩個，兩側(cè)各有兩個，實(shí)現(xiàn)有效避障。HC-05藍(lán)牙模塊用于通過手機(jī)無線控制垃圾桶循跡吸塵工作的啟動及停止，方便人們使用。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）循跡避障算法設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目實(shí)物底座的循跡避障模塊分布圖如圖2所示：

中間為5個循跡模塊，實(shí)現(xiàn)循跡功能，HW_L、HW_M、HW_R、HW_L_B、HW_R_B分別代表左、中、右、左后、右后的循跡模塊。

垃圾桶運(yùn)行到終點(diǎn)停止是根據(jù)一條橫著的黑線進(jìn)行識別實(shí)現(xiàn)，程序的前面有一個直行兩秒的設(shè)置，在垃圾桶啟動吸塵循跡工作前先通過這條停止線，再進(jìn)行循跡避障的功能。

兩邊為避障模塊，實(shí)現(xiàn)循跡工作中的避障功能，BZ_L、BZ_L_S、BZ_L_B、BZ_R、BZ_R_S、BZ_R_B分別代表左前、左邊、左后、右前、右邊、右后的紅外開關(guān)，前面兩個紅外開關(guān)觸發(fā)距離設(shè)定為40cm，兩側(cè)的四個紅外開關(guān)觸發(fā)距離設(shè)定為25cm，最低限度地降低可能存在的誤判問題。

（二）檢測模塊的算法設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目采用超聲波模塊進(jìn)行垃圾容量和灰塵容量的檢測，通過綠、黃、紅指示燈提示，在程序中通過AD轉(zhuǎn)化讀取超聲波檢測到的距離值，根據(jù)距離值進(jìn)行判斷容量，表1為具體算法（可根據(jù)不同垃圾桶大小設(shè)定，本項(xiàng)目用的是小型垃圾桶）。

四、結(jié)束語

本項(xiàng)目是主要定位于辦公場所，以及娛樂場所、會議場所等，目的是提高日常生活用具的智能化，解放勞動力，降低成本。垃圾桶結(jié)合吸塵器是一個很好的設(shè)計(jì)思路，而且設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品很有市場競爭性，本項(xiàng)目也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)思的功能，只是目前還處于前期研發(fā)階段，后期繼續(xù)改進(jìn)，提高穩(wěn)定性，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

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作者簡介：陳朝詩（1995—），男，廣東湛江人，本科。

王艷玲（1982—），女，山東淄博人，碩士，副教授，主要研究方向：自動控制。

注：本文系齊魯理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“基于單片機(jī)的智能垃圾桶”階段性研究成果，項(xiàng)目編號201713998008。

（通訊作者：王艷玲）