多功能智能户外垃圾桶系统的设计

罗丽娜

（惠州市技师学院，广东 惠州 516001）

0 引言

垃圾桶作为我们生活中的必需品，在我们身边随处可见。户外垃圾桶的地方，在人们的印像中是又脏又乱、看到就绕道走的地方。随着人们的生活水平不断地提高，人们的环保意识和审美水平也相应地提高。科学技术的发展，智能垃圾桶的出现，人们不再需要直接接触垃圾桶任何部位就可倒垃圾，避免了交叉感染，环保又卫生。如今，户外智能垃圾桶只用在发达的大城市，在其他地方的普及性还不广，这给我们带来了很大的设计空间和发展前景。设计一款实用的多功能智能户外垃圾桶，也将成了我们的科学技术发展的需要[1-2]。

户外智能垃圾桶的设计不仅是要从材料、外观、尺寸、成本等方面来设计，最重要的是智能控制系统的设计。本文将从户外智能垃圾桶的智能控制系统设计的角度，来介绍一种多功能智能户外垃圾桶的设计。

1 智能垃圾桶功能设计

本文的多功能智能户外垃圾桶系统的设计，是为了满足户外垃圾桶的基本用途，比如开盖、合盖、语言提示垃圾桶情况和垃圾桶满后自锁等。

1.1 盖子开合

垃圾桶盖的开合方式有自动模式和手动模式，自动模式是为了避免直接接触，在人靠近时，自动感应开盖，并在人离开3S后合上盖子。手动模式是为了在自动模式无法启动时，能供大家临时使用。

1.2 语言提示

当人靠近垃圾桶时，语音播报“欢迎投放垃圾，请爱护我们的环境，谢谢！”，当垃圾桶满时，语音播报“垃圾桶已满，请及时清运”。当然，我们在做单片机编程设计时，语言播放的内容是可以修改播放的提示语的[3]。

1.3 桶满锁定

为了避免垃圾桶满时，还被装入更多的垃圾，导致舵机转动不灵，或者出现控制系统故障的问题。在设计中，设计了桶满锁定功能，这个功能可由环保工人按专用隐闭按键开启，用于清理垃圾。桶满锁定功能为当垃圾桶满时，垃圾桶自动关盖并锁死，无论是自动模式还是手动模式都无法开启盖子，并开启语音播报提示与点阵提示[4]。

2 硬件电路设计

本文将采用模拟电子技术、数字电路技术及单片机技术，对系统进行设计。通过对比数据选择，本系统将以单片机主控制技术为核心，配合人体检测、红外距离检测、报警、语言播放和舵机等模块，设计多功能智能户外垃圾桶。整机的电路组成框图如图1所示。

图1 智能垃圾桶系统框图Fig.1 System block diagram of intelligent trash bin

2.1 单片机控制模块

对比多种单片机，STC89系列的单片机具有低功耗、低成本、易于编程扩展等优点。由于单片机STC89C52RC芯片具有加密性强、超强抗干扰、三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施、超低功耗、在系统可编程等特点，因此本设计选用它作为单片机主控芯片。

单片机实现系统功能，要在它的最小系统上进行扩展。单片机最小系统包括电源、时钟、复位三个电路。

2.2 人体检测模块

当要丢垃圾的人靠近垃圾桶时，垃圾桶要自动开盖，人离开时，自动合上盖子。这就需要对人靠近进行检测，再把检测的信号发送到主控芯片，根据编写程序实现，自动翻盖的功能。这种检测可以选择测距检测模块，测距检测模块主要有超声波检测和红外线检测两种[5]。

智能户外垃圾桶在设计检测人体时，需要检测是否有人靠近，因此检测距离不需要太大；另外环保事业的成本不高，智能垃圾桶的设计成本应选择比较低的方式。超声波检测模块和红外线检测模块都可应用于短距离检测的智能户外垃圾桶的设计，但是红外线检测模块的成本相对更低一点。因此，本设计方案将采用红外线测距模块。

MH-B型光电传感器模块是由一对有很强的光线适应能力的红外线发射管和接收管组成的红外线测距模块。当红外线检测模块遇到有障碍物信号时，LED指示灯会点亮，然后检测模块会把检测反射的红外线信号的强弱与比较器比较之后，反馈给单片机，然后驱动舵机的运行。

2.3 垃圾容量检测模块

垃圾是否装满，这个信息由垃圾容量检测模块才检测。从设计功能和成本出发，本设计采用TCRT5000红外传感器模块作为垃圾容量检测模块。当TCRT5000红外模块检测到发光二极管发射出去的信号反射回一个比较强的信号，即可判断垃圾桶里的垃圾超过了设置的最大容量。检测出的垃圾容量信息反馈给单片机，由单片机控制舵机的运转，实现垃圾桶满了时，可以锁定垃圾桶盖。

2.4 语言播放模块

本设计的智能垃圾桶可以根据不同场合发出不同的语音提示。WT588D语音芯片是一款具有单片机内核的语音模块，它的音质较好，控制比较灵活，性价比比较高，是本设计的最佳选择。

2.5 舵机模块

舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于一些需要角度不断变化但可以保持的控制系统。它的工作原理是控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为0.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

舵机的PWM信号由单片机提供，受外界的干扰小。单片机用定时器的编程方法，使输出值舵机的PWM信号是一个占空比可以调整的周期信号，实现对舵机的控制。这样，能节省硬件电路，又能提高抗干扰能力，减少电路设计成本，是一个非常好的设计选择。

2.6 电源模块

给电路系统提供一个稳定的工作电压，是电路模块正常工作的保证。本设计采用了5V的三端稳压芯片LM2940和3.3V的三端稳压芯片AMS1117。LM294-5.0内部设有静态电流降低电路、限流、过热保护、电池反接保护等功能电路，适用于低功耗的5V稳压电路。AMS1117-3.3是一种常用于低压降输出为3.3V的稳压器。

3 软件设计

多功能智能户外垃圾桶系统的程序总体流程图如图2所示。系统先对每个模块进行初始化，接着开始检查桶满情况，检测到垃圾桶满了，就执行“垃圾桶满了”的语言提示，并锁定桶盖；然后检测是否有人靠近，有人靠近自动打开桶盖，人离开3s后关闭桶盖；最后检测手工按键是否被按下，如果检测到启动按键按下就打开桶盖，如果是关闭按键按下就关闭桶盖[6]。

图2 系统流程图Fig.2 System flow chart

4 系统调试

在软硬件设计完成后，装配好系统，对系统进行调试。在调试过程中遇到问题，及时给予故障排除，实现完整的系统。

经过调试后，本系统能够按照设计的目标功能正常运行。

5 结论

在经济越来越发达的情况下，人们对技术的要求会越来越高。在本设计的基础上，我们还可以对系统的功能进行进一步地扩展。比如，扩展分类垃圾功能、定时自动杀菌消毒功能、紧急报警功能、桶满短信通知环卫局功能、自动寻迹上下垃圾车功能、自动清洗功能和太阳能充电供电功能等。