郭浩巖 顧偉帆 徐佳

摘要：隨著智能化科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的垃圾桶已不能滿足人們的需求。因此，本文介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)的智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，主要通過紅外傳感器、步進(jìn)電機(jī)、語音芯片等模塊實(shí)現(xiàn)了一款新型智能垃圾桶。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了垃圾桶裝滿語音報(bào)警，垃圾桶自動(dòng)感應(yīng)開蓋，按鍵噴灑消毒劑的功能。通過對(duì)多功能新型垃圾桶的分析與設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以能提高垃圾處理的效率，為環(huán)境建設(shè)提供了一個(gè)有效解決的方法。

Abstract： With the continuous development of intelligent technology， traditional trash cans can no longer meet people's needs. Therefore， this paper introduces a design and implementation process of smart trash can based on STC89C52 single-chip microcomputer， which mainly realizes a new intelligent trash can by infrared sensor， stepping motor and voice chip. The system realizes the function that the trash can is filled with voice alarm， the trash can automatically opens the cover， and the button sprays the disinfectant. Through the analysis and design of the new multi-function trash can， it is found that the system can improve the efficiency of garbage disposal and provide an effective solution for environmental construction.

關(guān)鍵詞：STC89C52;智能垃圾桶;語音報(bào)警;感應(yīng)開蓋

Key words： STC89C52;smart trash can;voice alarm;induction cover

中圖分類號(hào)：TS959.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）21-0132-03

0? 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，電子技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)智能的不斷進(jìn)步，如今對(duì)生活各個(gè)方面的智能化發(fā)展刻不容緩?？稍诖髮W(xué)生活中如何才能讓我們大學(xué)生也感受到智能化設(shè)計(jì)呢？對(duì)于大學(xué)生來說，寢室正是我們第二個(gè)家，雖然寢室的結(jié)構(gòu)不大甚至十分拮據(jù)但是需要改進(jìn)的地方卻很多。目前寢室使用的垃圾桶，大多用全開合式的一體化回收模式。傳統(tǒng)式垃圾桶對(duì)垃圾的封存效果十分不好，極易產(chǎn)生各種細(xì)菌真菌，以及細(xì)小的害蟲，更會(huì)對(duì)寢室甚至室外產(chǎn)生極大的健康問題和環(huán)境污染。

目前市場上出現(xiàn)的智能垃圾桶的有一些弊端，因此筆者針對(duì)性的設(shè)計(jì)了這樣一款垃圾桶：

①由于垃圾桶為避免不好清潔等問題，所以基本都設(shè)計(jì)成深顏色不透明的，這樣就會(huì)偶爾注意不到垃圾桶承裝的垃圾數(shù)量，即在垃圾即將裝滿，超過一定的容量的時(shí)候，語音系統(tǒng)進(jìn)行播報(bào)，提醒人倒掉垃圾。

②傳統(tǒng)的垃圾桶采用的都是開合式或腳踩式的，十分不便捷衛(wèi)生，所以通過紅外感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成如同自動(dòng)門一樣的設(shè)計(jì)，在人體靠近垃圾桶的時(shí)候，蓋子自動(dòng)彈開，離開的時(shí)候，蓋子自動(dòng)關(guān)閉，大大的方便了生活。

③使用久的垃圾桶不免產(chǎn)生細(xì)菌滋生等一系列衛(wèi)生問題，所以為了解決這個(gè)問題，在扔掉垃圾后，手動(dòng)打開消毒液噴灑開關(guān)，循環(huán)通風(fēng)，并進(jìn)行語音播報(bào)，避免垃圾桶內(nèi)部死角等部分產(chǎn)生細(xì)菌和異味。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問題，這次寢室智能垃圾桶的控制芯片選用STC89C52單片機(jī)為主控制芯片。為了讓垃圾桶實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，選擇多個(gè)紅外傳感器監(jiān)測人體是否接近和垃圾高度變化，將檢測到的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理后，發(fā)送給其他模塊。其中，紅外感應(yīng)檢測人體的信號(hào)經(jīng)過處理后發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和語音芯片模塊，實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋的自動(dòng)開關(guān)和語音播報(bào);紅外感應(yīng)檢測垃圾高度的信號(hào)發(fā)送給語音芯片模塊發(fā)出報(bào)警信息，提示垃圾桶已經(jīng)裝滿，及時(shí)進(jìn)行處理;通過按鍵控制1路光耦隔離繼電器驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出信號(hào)噴灑消毒液;語音芯片模塊接收經(jīng)過處理的檢測人體、垃圾高度信號(hào)和按鍵信號(hào)來播放語音;電源模塊給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和單片機(jī)供電。

綜上所述，本設(shè)計(jì)包括單片機(jī)模塊、紅外感應(yīng)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語音芯片模塊、電源模塊、1路光耦隔離繼電器驅(qū)動(dòng)模塊組成。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，寢室智能垃圾桶功能如下：

自動(dòng)開關(guān)蓋功能設(shè)計(jì)：在垃圾桶正面安裝一個(gè)紅外傳感器，感應(yīng)人體接近。若檢測到人體接近，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，打開垃圾桶。一定時(shí)間后，關(guān)閉垃圾桶。

垃圾高度檢測功能設(shè)計(jì)：在垃圾桶內(nèi)側(cè)均勻安放多個(gè)紅外傳感器，當(dāng)多個(gè)紅外傳感器檢測到數(shù)據(jù)，由單片機(jī)控制語音芯片播報(bào)提示信息。

噴灑消毒液功能設(shè)計(jì)：在垃圾桶蓋頂部安裝按鍵，當(dāng)按鍵按下時(shí)繼電器發(fā)出信號(hào)控制，開始噴灑消毒液。

語音播報(bào)功能設(shè)計(jì)：當(dāng)語音芯片模塊接收經(jīng)過處理的檢測人體、垃圾高度信號(hào)和按鍵信號(hào)后，語音芯片模塊來播放提示信息。

2? 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、紅外感應(yīng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、語音芯片電路、1路光耦隔離繼電器驅(qū)動(dòng)電路組成，來實(shí)現(xiàn)本次寢室智能垃圾桶的各種功能。下面將對(duì)各功能電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

在單片機(jī)系統(tǒng)中，提供電源的供電模塊是整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的重要前提，雖然STC89C52單片機(jī)在很早以前就已經(jīng)被人們廣泛應(yīng)用，但是在具體的應(yīng)用中，STC89C52單片機(jī)相對(duì)于其他系列單片機(jī)來說更容易被其他因素干擾，出現(xiàn)程序跑飛的情況，但為單片機(jī)系統(tǒng)配置一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源供電模塊能夠有效的減少這種狀況的發(fā)生。

在單片機(jī)的最小系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的USB口或外部穩(wěn)定5V電源都可以為電源供電模塊供給。

晶體振蕩器作為單片機(jī)最小系統(tǒng)的一部分，它與單片機(jī)內(nèi)部電路結(jié)合所產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率，可以改變單片機(jī)的運(yùn)行速度，即時(shí)鐘頻率越高，運(yùn)行速度越快，只有單片機(jī)晶振提供時(shí)鐘頻率，系統(tǒng)才能執(zhí)行一切指令。

選用11.0592MHz的晶體振蕩器作為STC89C52單片機(jī)的振蕩源，因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部是帶有振蕩電路的，所以還需外接一個(gè)晶振和兩個(gè)在15pF至50pF之間的電容。

復(fù)位電路是一種使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備，簡單來說就是把一個(gè)狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。

復(fù)位電路原理：上電復(fù)位是通過單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容來實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位有效的前提條件是復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上且此周期須小于復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間?？梢杂蒖C電路來計(jì)算出具體的時(shí)間常數(shù)。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

2.2 紅外感應(yīng)電路設(shè)計(jì)

LM393作為本次設(shè)計(jì)的紅外避障傳感器模塊。此模塊不僅擁有紅外線發(fā)射管和接收管，而且還對(duì)光線有較強(qiáng)的適應(yīng)力，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向上出現(xiàn)障礙物（反射面）時(shí)，反射回來的紅外線被接收管接收，通過比較器電路的處理過后，綠色指示燈就會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)，即一個(gè)低電平信號(hào)，電位器旋鈕可以在2～30cm內(nèi)進(jìn)行檢測距離的調(diào)節(jié)，該傳感器具有裝配簡單、干擾小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以通過電位器來調(diào)節(jié)探測距離。

LM393紅外避障傳感器模塊原理圖如圖3所示，其中三個(gè)引腳分別連接+5V電源、單片機(jī)的I/O口、接地。

2.3 語音播報(bào)功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是JQ6500語音芯片，在其他模塊的功能實(shí)現(xiàn)時(shí)進(jìn)行語音播報(bào)，讓人們了解垃圾桶當(dāng)前所處的狀態(tài)和所實(shí)現(xiàn)的功能。JQ6500語音模塊是一個(gè)能提供串口的MP3芯片，能夠支持TF卡驅(qū)動(dòng)，也支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)和32G的U盤。在單片機(jī)中可以通過串口來對(duì)指定音樂進(jìn)行控制和播放。它有多種控制模式，包括AD按鍵控制模式、串口模式等。支持的采樣頻率范圍也很廣。它最大的優(yōu)勢就是沒有繁瑣的底層操作，非常的方便、穩(wěn)定和可靠，另外它是固定語音播放領(lǐng)域成本較低的芯片。

語音芯片模塊電路圖如圖4所示，中間為語音芯片，其中兩個(gè)引腳分別連接+5V電源和接地，其輸入接口TX、RX連接單片機(jī)I/O口P3.0和P3.1，SPK+和SPK-引腳連接喇叭播放聲音。

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

此電路設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊選用28BYJ-48型四相八拍步進(jìn)電機(jī)，工作電壓在5V至12V。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要功能是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移和線位移，不僅可以用于需要精確進(jìn)給量的控制系統(tǒng)，而且可以通過控制脈沖頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，以達(dá)到調(diào)速的目的。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加連續(xù)不斷的脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度。當(dāng)改變完成通電狀態(tài)的一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。模塊電路圖如圖5所示。

2.5 噴灑消毒液功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過繼電器來實(shí)現(xiàn)噴灑消毒液功能，由于單片機(jī)輸出功率不夠，要通過繼電器來實(shí)現(xiàn)噴灑消毒液功能。模塊電路圖如圖6所示。

3? 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能垃圾桶軟件部分的流程圖如圖7所示。

①檢測是否有人接近垃圾桶，判斷為是，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，打開垃圾桶蓋，同時(shí)播放語音進(jìn)行提示，一定延時(shí)紅步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)閉垃圾桶，同時(shí)播放語音進(jìn)行提示;判斷為否，不進(jìn)行操作。

②判斷了解垃圾高度是否達(dá)到預(yù)定高度，判斷為是，播報(bào)語音進(jìn)行提示;判斷為否，不進(jìn)行操作。

③檢測噴灑消毒液按鍵是否按下，判斷為是，噴灑消毒液;判斷為否，不進(jìn)行操作。

④判斷開蓋按鍵是否按下，判斷為是，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，打開垃圾桶蓋，同時(shí)播放語音進(jìn)行提示，一定延時(shí)紅步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)閉垃圾桶，同時(shí)播放語音進(jìn)行提示;判斷為否，不進(jìn)行操作。

4? 結(jié)語

本文介紹了基于STC89C52單片機(jī)的智能垃圾桶的設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶自動(dòng)開關(guān)蓋，垃圾高度提示，語音提示，噴灑消毒液等功能，這款新型智能垃圾桶方便了人們的生活，降低了細(xì)菌滋生的問題，具有不錯(cuò)的發(fā)展前景。

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