周朝霞

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 361305)

0 引言

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越追求舒適、安全、節(jié)能、智能化的家居生活，而垃圾桶作為日常生活的必需品，越來(lái)越受到大眾關(guān)注[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙智能垃圾桶，以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，外圍包括超聲波傳感器、紅外接收傳感器、HC05藍(lán)牙通信模塊、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、RGB燈。系統(tǒng)整體硬件框架如圖1所示[2-4]。

圖1 整體硬件框

2 系統(tǒng)功能和特色

(1)自動(dòng)開關(guān)桶蓋功能：當(dāng)扔垃圾時(shí)，無(wú)需接觸，超聲波傳感器自動(dòng)感應(yīng)人手，電機(jī)快速反應(yīng)，迅速打開垃圾桶蓋；人手離開，延時(shí)20 s，垃圾桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。

(2)垃圾桶容量提醒功能：RGB三色顯示垃圾桶容量，當(dāng)垃圾桶未滿30%時(shí)，顯示綠燈；當(dāng)30%～70%時(shí)，顯示藍(lán)燈；當(dāng)超過(guò)70%時(shí)，顯示紅燈。

(3)紅外遙控功能：用戶通過(guò)紅外遙控器控制垃圾桶的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、開蓋、關(guān)蓋。

(4)手機(jī)藍(lán)牙控制功能：系統(tǒng)里嵌入HC05藍(lán)牙模塊，可遠(yuǎn)程控制垃圾桶的移動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、自動(dòng)開關(guān)蓋等功能，同時(shí)手機(jī)端也可顯示桶內(nèi)垃圾容量。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32單片機(jī)

智能藍(lán)牙垃圾桶采用意法半導(dǎo)體(ST Microelect ronics)開發(fā)的增強(qiáng)型微控芯片STM32F103C8T6為主控器，是ARM Cortex-M3的內(nèi)核，具有32位CPU、64 K的存儲(chǔ)器容量、72 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘、10×12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，片內(nèi)外設(shè)主要有存儲(chǔ)器(DMA)、電機(jī)控制脈沖寬度調(diào)制(PWM)和溫度傳感器[5]。最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)電路

3.2 超聲波模塊

設(shè)計(jì)選用HS-SR04超聲波模塊實(shí)現(xiàn)桶蓋和物體的測(cè)距及桶蓋到桶底的測(cè)距，HS-SR04型超聲波模塊的工作原理是發(fā)送端發(fā)出超聲波信號(hào)后，以340 m/s的聲速向前面的目標(biāo)定向發(fā)射，遇到障礙物后立刻反射回來(lái)，被HS-SR04型超聲波模塊的接收模塊接收。通過(guò)STM32單片機(jī)快速計(jì)算，按照“距離=時(shí)間×聲速”的計(jì)算公式，得出桶蓋與桶底之間的距離，實(shí)現(xiàn)垃圾桶容量的檢測(cè)。

3.3 藍(lán)牙模塊

本次設(shè)計(jì)使用HC-05無(wú)線藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和手機(jī)的無(wú)線通信，將其正常工作的頻段2.4 GHz ISM，GFSK作為它的調(diào)制方式。主控芯片STM32F103 C8T6單片機(jī)通過(guò)串口連接HC-05，安卓手機(jī)端自帶藍(lán)牙，通過(guò)手機(jī)App與單片機(jī)藍(lán)牙設(shè)備建立配對(duì)，藍(lán)牙模塊將接收的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理后控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和桶蓋的開關(guān)[7]。工作原理如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙工作原理

3.4 電機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)選用L293D驅(qū)動(dòng)芯片控制兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的直流電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)芯片采用單H橋集成電路，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和工作電壓高、輸出電流大、響應(yīng)頻率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，一個(gè)L293D芯片有4個(gè)輸出端，能夠同時(shí)控制兩直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止[8]。

3.5 電源模塊

電源是整個(gè)硬件電路的重要組成部分,它為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓。如圖4所示，使用兩節(jié)3.7 V充電鋰電池串聯(lián)給系統(tǒng)供電，供電電壓為7.4 V，因STM32外圍硬件模塊的工作電壓是5 V。為保證電源正常運(yùn)行，選用LM7805穩(wěn)壓芯片對(duì)7.4 V的電壓進(jìn)行降壓處理，將7.4 V電源電壓穩(wěn)定到5 V。電源模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電源模塊

3.6 手機(jī)藍(lán)牙App

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)初始化設(shè)定參數(shù)，超聲波測(cè)距檢測(cè)垃圾桶用量并用不同顏色RGB燈指示，超聲波測(cè)距判斷是否需打開桶蓋和是否有紅外遙控信號(hào)或手機(jī)藍(lán)牙指令，單片機(jī)接收到指令做相應(yīng)處理并控制執(zhí)行元器件做出反應(yīng)。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙智能垃圾桶實(shí)物如圖6所示，4輪驅(qū)動(dòng)小車安裝在桶底，4個(gè)電機(jī)的正負(fù)極銅片通過(guò)杜邦線和桶內(nèi)底部的2個(gè)L293D驅(qū)動(dòng)板連接，桶蓋下有1個(gè)超聲波傳感器，與主控單片機(jī)STM32F103C8T6相連，以測(cè)量垃圾桶的容量。垃圾桶的桶口安裝另一超聲波傳感器、紅外接收傳感器和1個(gè)RGB燈，該超聲波傳感器用來(lái)測(cè)量桶蓋上方物體距離，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開蓋功能，紅外接收傳感器用來(lái)接收來(lái)自紅外遙控器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)紅外控制桶蓋的開啟與閉合、垃圾桶的前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎，RGB燈用來(lái)提醒用戶垃圾容量。

圖6 自動(dòng)開蓋