鞠海翔，樊東燕

(1.江蘇省南京市第九中學，江蘇 南京 210014；2.山西大學商務學院，山西 太原 030031)

公共場所智能垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計

鞠海翔1，樊東燕2

(1.江蘇省南京市第九中學，江蘇 南京 210014；2.山西大學商務學院，山西 太原 030031)

本設(shè)計針對公共場所垃圾桶影響周圍環(huán)境的問題而設(shè)計。系統(tǒng)應用紅外傳感器、人體檢測裝置、單片機、語音裝置、舵機驅(qū)動設(shè)計實現(xiàn)垃圾桶的智能化，使得垃圾桶能通過感應實現(xiàn)自動打開與關(guān)閉，以及夜晚的照明和語音提示功能，提升公共場所的環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)潔凈、環(huán)保的目的。

智能垃圾桶；人體感應；單片機

近年來，中國經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢迅猛，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，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，垃圾就會堆滿垃圾桶周邊，這樣垃圾桶就會嚴重影響公共環(huán)境的衛(wèi)生狀況，因此研究設(shè)計一款人性化的智能垃圾桶(IntelligentTrash)非常必要[1]。通過設(shè)計使智能垃圾桶可以實現(xiàn)自動開啟和關(guān)閉，夜晚的時候提供照明功能，解決公共衛(wèi)生治理的死角，提升公共場所環(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

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

通過觀察和調(diào)研，智能垃圾桶主要設(shè)計以下功能：

1) 在一定距離內(nèi)感應人體，垃圾桶蓋子會自動實現(xiàn)打開功能；

2) 若將垃圾放入垃圾桶中，垃圾桶蓋子會自動關(guān)閉；

3) 語音提示垃圾桶裝滿的信息；

4) 夜晚垃圾桶自動提供照明功能[2]。

通過上述功能的設(shè)計，實現(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傳感器、舵機、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、舵機驅(qū)動、單片機提供動力；人體檢測模塊用來檢測人體的距離，接收信號；舵機驅(qū)動用來打開和關(guān)閉垃圾桶蓋子；紅外傳感器用來檢測垃圾桶是否裝滿。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計將主控芯片作為電路的核心單元，由它將各個接口連接起來，運用Keil C根據(jù)相應的功能進行代碼編寫，實現(xiàn)對硬件元器件的控制，實現(xiàn)相應的功能模塊。

因此系統(tǒng)的功能模塊主要由四個部分組成：主控模塊、人體感應模塊、舵機驅(qū)動模塊及電源電路模塊。

2 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計

2.1 主控模塊的設(shè)計

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

1) 總體控制電路設(shè)計

主控模塊的總體控制電路設(shè)計如圖2所示?？偪刂齐娐房刂浦娐返倪\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 人體感應模塊的設(shè)計

人體感應系統(tǒng)主要是紅外測距傳感器。在進行系統(tǒng)設(shè)計的過程中，要求垃圾桶對人體有所反應，紅外測距傳感器通過發(fā)射紅外線進行檢測。

2.2.1 人體感應控制電路的設(shè)計

本設(shè)計使用TCRT5000紅外反射式對管作為檢測元件，它的引腳2與單片機的引腳P22相連，引腳P22控制著紅外系統(tǒng)的角度，構(gòu)成紅外感應模塊。其功能設(shè)計為：

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

2) 傳感器主動紅外線反射探測,因此目標的反射率和形狀是探測距離的關(guān)鍵。其中黑色探測距離最小,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IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動一個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直流電源對模塊進行供電。當電源接通時，紅色電源指示燈點亮。

2.2.2 語音模塊的設(shè)計

WT588D是聲音質(zhì)量較高、擁有單片機內(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、測速器、定時器、學習機、雷達、報警器等，因此本設(shè)計使用WT588D對語音模塊進行設(shè)計。

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，可運用于工業(yè)；每個芯片支持外掛多個存儲器[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，存儲器25PXX可以用來保存編寫好的程序。穩(wěn)壓器AM31117與單片機的VDD-SIM端相連且與存儲器25PXX的HOLD端連接。單片機的引腳P17連接LED燈，LED燈的亮暗由引腳P17控制。存儲器的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

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

圖3 按鍵電路

2.3 舵機驅(qū)動電路

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

2.4 輸出指示電路

本設(shè)計運用了4個LED燈，其中D1與R2串聯(lián)并與單片機的引腳P16相連，實現(xiàn)了垃圾桶的打開。D2與R3串聯(lián)再與單片機的引腳P15相連，實現(xiàn)垃圾桶的關(guān)閉。D3與R4串聯(lián)實現(xiàn)對人體的感應，D4與R5串聯(lián)再與單片機的引腳P13相連實現(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

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

為了節(jié)能環(huán)保，設(shè)計使用太陽能電池，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

本系統(tǒng)在Keil uVision4中進行C語言編程實現(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)板上進行燒錄，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

圖6 總流程圖

4 系統(tǒng)測試

設(shè)計完成后對系統(tǒng)進行了測試，主要檢測當手距離垃圾桶多遠才會實現(xiàn)垃圾桶蓋子的自動打開。通電10 s后進行測試，根據(jù)數(shù)十次的測試統(tǒng)計，當且僅當測試距離<3 cm時，紅外傳感器能夠響應[8]。

因此依據(jù)測試結(jié)果，只有當人的手遮擋傳感器時才會實現(xiàn)蓋子的自動打開；打開之后會有語音提示，指示燈會亮，從而實現(xiàn)了預設(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)代人的生活習慣，有助于人們保護環(huán)境，實現(xiàn)對公共場所垃圾的智能處理，所以對它進行研究設(shè)計非常有必要。

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

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

[2] 林琳,管鋒,張飛,等.自翻蓋壓縮式多功能智能垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計及機構(gòu)分析[J].機械工程師,2016(4):98-100.

[3] 陳中躍,劉鵬,孫玲.基于STC15F2K61S2單片機的智能垃圾桶設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015(17):103.

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[6] 陳世夏,丁國臣,吳凌燕.基于89S52智能小車的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2013,32(9):52-54，58.

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[8] 卓可強,王鵬程,左開中.基于ZigBee的煙霧檢測火災報警傳感節(jié)點設(shè)計[J].現(xiàn)代計算機,2013(8):78-80.

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，高三學生，主要研究應用電子技術(shù)。

1674- 4578(2017)06- 0028- 04

TP273.5

A