呂德乾，李自成，張 清，張 瑞，李進(jìn)福，顧鈺弈

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院自動化工程系，四川 成都 614000）

本次設(shè)計(jì)利用步進(jìn)電機(jī)完成垃圾桶自動開關(guān)蓋，用繼電器控制對垃圾桶進(jìn)行紫外燈消毒，消毒時蜂鳴器會報警，當(dāng)垃圾已滿時LED 燈會亮起，并且有人再丟垃圾時會進(jìn)行語音提示垃圾桶已滿，而且步進(jìn)電機(jī)控制的垃圾桶不會打開，通過按鍵把垃圾清理完成后也會有相應(yīng)的語音播報。設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是以單片機(jī)為控制核心，外加其他一些硬軟件模塊，多功能智能垃圾桶系統(tǒng)由輸入、中控、輸出3 部分組成，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，功能明確，成本低廉[1]。

1 軟件介紹

Keil5 編程環(huán)境比其他編程軟件簡單易學(xué)且方便，國內(nèi)外學(xué)習(xí)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)編程的軟硬件工程師都在使用它，本設(shè)計(jì)中用到的程序編程都是用Keil5 解決的。

AD2020 擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理能力，可以把設(shè)計(jì)好的原理圖編譯，檢查沒有錯誤后將信息導(dǎo)入到印刷電路板（PCB）中，由于生成的PCB 圖比較亂，選用手動布線方式比較好，可用多種文件形式下載打印原理圖。

Proteus7.8 可以完成整個設(shè)計(jì)原理圖的繪制、PCB印刷電路板設(shè)計(jì)、單片機(jī)在線編程等全部操作，本次設(shè)計(jì)只用到了ISIS 軟件，利用ISIS 軟件繪制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖和仿真調(diào)試，把Keil 中編譯得到的HEX 文件植入51 單片機(jī)即可按開始按鈕進(jìn)行仿真。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為3 部分，即輸入部分、輸出部分及51 單片機(jī)控制的中控部分。設(shè)計(jì)以51 單片機(jī)STC89C52 為控制核心，2 個人體檢測紅外對管器件和1 個獨(dú)立按鍵作為輸入。由51 單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)處理后，由步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相互協(xié)調(diào)組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊打開或關(guān)閉垃圾桶，LCD1602 液晶顯示模塊實(shí)時顯示垃圾桶狀態(tài)，繼電器控制垃圾桶內(nèi)定時消毒殺菌模塊、語音播報模塊，用繼電器控制殺菌消毒操作時，用蜂鳴器進(jìn)行提示，垃圾桶滿時LED 指示燈燈亮，作為輸出部分，從而組成整個多功能智能垃圾桶設(shè)計(jì)系統(tǒng)。為保證整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓需穩(wěn)定在5 V，因此，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)供電的電源選用非USB 5 V 穩(wěn)壓源[2-3]。

總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[4-6]

3.1 主流程序設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，為系統(tǒng)供電后系統(tǒng)開始運(yùn)行，主程序中接收到信號后開始工作，首先把每個模塊都初始化（相當(dāng)于復(fù)位），然后進(jìn)入while 主循環(huán)。初始化后首先執(zhí)行第一個函數(shù)，判斷是否有按鍵按下。如果有按鍵按下，則垃圾桶打開，無任何操作后5 s 垃圾桶自動關(guān)閉，否則垃圾桶處于待機(jī)狀態(tài)，然后調(diào)用按鍵掃描功能獲取按鍵信息判斷紅外對管是否檢測到有人。如果有人，垃圾桶再次打開，如果無任何操作，系統(tǒng)執(zhí)行第二個顯示程序函數(shù)，在顯示屏上顯示垃圾桶的打開關(guān)閉情況、垃圾桶內(nèi)垃圾情況以及文字提示垃圾桶已滿和垃圾是否清理完成。執(zhí)行第二個程序時需要配合第三個函數(shù)程序，第一個紅外對管觸發(fā)后，檢測到有人時電機(jī)反轉(zhuǎn)，人走后5 s 電機(jī)正轉(zhuǎn)，自動關(guān)閉垃圾桶；檢測不到人時，判斷垃圾桶是否已滿，如果第二個紅外對管觸發(fā)檢測到垃圾桶已滿，則LED 燈打開，直到垃圾被清理完。

當(dāng)垃圾沒有被清理完時，第一個紅外對管觸發(fā)，電機(jī)也不會做出打開垃圾桶的操作，系統(tǒng)再次循環(huán)到最初狀態(tài)，判斷按鍵情況；如果2 個紅外對管沒有檢測到東西，則紅外對管不會被觸發(fā)，此時表示垃圾桶處于關(guān)閉狀態(tài)并且沒人使用垃圾桶，然后設(shè)置延時程序繼電器開始工作，對垃圾桶進(jìn)行消毒，每5 min 消毒一次，消毒過程中蜂鳴器被觸發(fā)，進(jìn)行報警提示。

3.2 按鍵程序設(shè)計(jì)

利用按鍵子程序首先初始化系統(tǒng)，通過按鍵掃描功能獲取按鍵值，然后判斷按鍵是否按下，如果按鍵K1 按下，電機(jī)獲取到按鍵值為1，電機(jī)反轉(zhuǎn)，垃圾桶打開，5 s 后電機(jī)獲取按鍵值為0 時，電機(jī)正轉(zhuǎn)垃圾桶關(guān)閉，否則判斷紅外對管是否檢測到人手，如果檢測到人手，電機(jī)反轉(zhuǎn)垃圾桶打開，5 s 后垃圾桶關(guān)閉，否則垃圾桶不打開，此時垃圾桶已滿，按下按鍵后開始清理垃圾。

3.3 處理程序設(shè)計(jì)

處理程序設(shè)計(jì)就是執(zhí)行垃圾桶打開關(guān)閉的操作，首先對系統(tǒng)供電并初始化，然后判斷2 個紅外對管觸發(fā)情況。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到第一個紅外對管觸發(fā)，第二個沒觸發(fā)，表示檢測到有人扔垃圾，電機(jī)反轉(zhuǎn)垃圾桶自動，5 s 后電機(jī)正轉(zhuǎn)垃圾桶自動關(guān)閉；當(dāng)系統(tǒng)檢測到第二個與第一個紅外對管都觸發(fā)時，表示垃圾桶已滿，此時LED 燈亮并有語音播報垃圾桶已滿，垃圾桶不會打開；按下按鍵開始清理垃圾，再按一下垃圾清理完成，此時LED 燈熄滅并語音播報垃圾已清理完成；當(dāng)系統(tǒng)沒有檢測到2 個紅外被觸發(fā)時，繼電器控制殺菌消毒裝置開始工作，每間隔5 min 消毒一次，并且蜂鳴器開始報警。

3.4 軟件仿真

軟件仿真圖如圖2 所示。

圖2 軟件仿真圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試指調(diào)試設(shè)計(jì)的硬件部分、軟件部分及軟硬件結(jié)合進(jìn)行的調(diào)試過程。

首先調(diào)試系統(tǒng)軟件，檢查各部分子程序是否存在問題并及時排除，使系統(tǒng)各部分能正常編譯，然后再調(diào)試。

4.1 軟件調(diào)試

由于本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)多個功能，所以采用分模塊編寫系統(tǒng)程序，最后再用一個主程序把各個分模塊程序整合在一起。

4.2 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試就是檢查設(shè)計(jì)的電路能否正常導(dǎo)通，要實(shí)現(xiàn)的功能和軟件配合后能不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

實(shí)物制作：將事先設(shè)計(jì)好的電子元器件分類準(zhǔn)備好后進(jìn)行安裝焊接，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 電子元器件

整體調(diào)試：整體調(diào)試就是讓軟件和硬件設(shè)計(jì)互相協(xié)同配合檢測設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)，并找出軟硬件之間的差別。為了能在后期檢測調(diào)試中快速找到出現(xiàn)的問題，軟件設(shè)計(jì)采用分模塊設(shè)計(jì)，然后對各分支模塊進(jìn)行整合。

本實(shí)物可以實(shí)現(xiàn)以下功能：①垃圾桶可以自動打開、關(guān)閉，也可以按鍵打開。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制垃圾桶，有人或者按鍵時步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動垃圾桶打開，人走后5 s 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動垃圾桶自動關(guān)閉。②語音播報功能。當(dāng)垃圾桶已滿時，語音播報“垃圾桶已滿”；按下按鍵清理完垃圾后，語音播報“垃圾已清理完成”，清理完成后，可正常運(yùn)行。③對垃圾桶進(jìn)行定時殺菌消毒。當(dāng)垃圾桶未檢測到有人且垃圾桶未滿時，通過繼電器控制可實(shí)現(xiàn)定時殺菌消毒，消毒時蜂鳴器報警。④LCD1602 液晶顯示。實(shí)時顯示垃圾桶內(nèi)垃圾的狀態(tài)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)首先利用一個紅外對管檢測垃圾桶周邊是否有人，若有人紅外對管被觸發(fā)，將電信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)再控制電機(jī)驅(qū)動器ULN2003 驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)使垃圾桶打開，5 s 后單片機(jī)再次驅(qū)動垃圾桶關(guān)閉；當(dāng)另一個紅外對管被觸發(fā)后，表示垃圾桶已滿，此時垃圾桶不再被打開，語音播報通過串口將文字轉(zhuǎn)化為語音操作開始播報垃圾桶已滿；同時本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個重要功能，即定時對垃圾桶進(jìn)行殺菌消毒，消毒時裝配蜂鳴器報警，這項(xiàng)功能有利于在當(dāng)前（新冠疫情）使用，定時對垃圾桶殺菌消毒可以有效防止因垃圾問題引起的病毒交叉感染。

6 結(jié)束語

通過研究國內(nèi)外垃圾桶的發(fā)展現(xiàn)狀，了解到國外垃圾桶的設(shè)計(jì)比中國的種類更豐富、功能更多，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)了一款可以殺菌消毒、自動開關(guān)的語音垃圾桶。多功能智能垃圾桶目前在中國還沒有被普及，只在一些大城市被使用，但是相信憑借當(dāng)前雄厚的科技實(shí)力，并不斷創(chuàng)新，多功能智能垃圾桶將會快速進(jìn)入人們的生活[7]。