基于STC89C52 的家用智能垃圾桶设计

白桂峰

（1.山西省信息产业技术研究院有限公司，太原030012；2.中北大学 信息与通信工程学院，太原030051）

垃圾桶作为家庭生活中必备工具之一，在给人们生活带来便利的同时，也给使用者造成了一定的危害。现有的家用垃圾桶对垃圾封存效果不好，若不及时清理垃圾，极易造成异味散出和细菌滋生，导致家庭环境污染。但随着人们生活水平的提高，环保意识也有所加强，大家逐渐将周身垃圾与自身健康紧密联系在一起，智能垃圾桶应时而生。目前市面上出现的智能垃圾桶，如自动翻盖垃圾桶、语音播报垃圾桶、自动报满垃圾桶等，不仅功能单一，而且价格昂贵，并没有得到真正的普及[1-2]。因此，本文拟设计一款集多功能为一体的智能垃圾桶，不仅实用，而且成本较低，可广泛用于人们的家庭生活。

1 设计目标

首先，现在多数家庭使用的垃圾桶是无盖型或人工翻盖型，无盖型垃圾桶经常造成垃圾溢出或异味快速扩散，人工翻盖垃圾桶则存在使用不便等弊端。为了解决以上弊端，拟设计具有自动开关盖功能的垃圾桶，当有人扔垃圾时，垃圾桶自动开盖，人离开自动关闭。其次，为垃圾桶加上盖子避免了桶内异味的迅速扩散，但将垃圾与外界隔绝，导致人们不能直观看到桶内垃圾的高度。虽然人在扔垃圾时，盖被打开，可以看到垃圾状况，但是人不可能一直守在垃圾桶旁扔垃圾，因此，为了方便考虑，拟为垃圾桶设计高度检测功能，用来提醒主人垃圾溢出状况，以待主人及时处理垃圾。最后，封闭型垃圾桶会导致桶内空气流动性差，细菌极易滋生并产生有害气体，故设计异味监测功能，提醒用户垃圾桶内异味浓度情况，便于用户作相应的处理。若垃圾接近装满且有异味时，则及时进行换袋处理；垃圾未满但有异味时，则可以采取放置干燥剂、喷洒异味去除剂等措施处理。

综上所述，本设计拟采用STC89C52 为主控制芯片，选用合适的传感器件及驱动模块，通过软硬件的合理设计，进而实现垃圾桶的智能化功能。该垃圾桶主要实现以下功能：①具有自动开关盖功能；②可对垃圾桶内垃圾进行高度检测；③可对垃圾桶内垃圾进行异味监测，实时监测桶内异味浓度情况。

2 系统设计

2.1 方案设计

针对以上分析，该款垃圾桶以STC89C52 单片机作为主控制芯片。为了实现自动开关盖功能，引入红外感应模块感应是否有人扔垃圾，通过测距模块检测桶内垃圾是否已满，通过异味检测模块检测桶内异味气体的浓度情况。以上三大模块将检测到的信号传送给单片机，单片机经过处理后，再将信号发送出去。其中，经处理后的红外感应模块信号传送给电机驱动模块，执行开关盖功能；显示模块和报警模块用于接收经处理后的测距信号和异味浓度信号。另外，通过电源模块给单片机和电机驱动模块供电。

综上所述，该系统具有主控模块 （单片机模块）、红外感应模块、测距模块、异味检测模块、电机驱动模块、显示模块、报警模块，总体方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案Fig.1 Overall design scheme of the system

根据系统总体设计方案，完成家用智能垃圾桶的功能设计，具体设计如下：

自动开关盖功能设计垃圾桶沿外侧安装一个红外线传感器，用来感应人体。如果有人来到垃圾桶扔垃圾时，传感器感应，触发电机正转，实现开盖，当人离开后，电机反转实现闭盖。

垃圾高度检测功能设计沿垃圾桶盖内侧均匀安装5 个测距传感器，当传感器检测到的数据小于或等于设定值，且超过3 个传感器满足要求（注：任意3 个传感器即可），则单片机触发蜂鸣器报警1 次。

异味检测功能设计桶盖内侧安装1 个异味传感器，用来检测桶内的异味气体浓度，将传感器检测到的数据实时传到显示屏上，且浓度达到50 ppm 以上报警。

2.2 硬件设计

系统硬件电路由单片机最小系统及其外围电路（人体感应电路、电机驱动电路、光电开关测距电路、异味检测电路等）构成，实现垃圾桶的功能。下面对核心功能模块的设计进行详细介绍。

2.2.1 热释电人体感应电路设计

热释电红外传感器作为本设计关键的感应模块，它是用高热电系数材料制成，用于探测红外辐射，其本身是不带红外辐射源的，所以称之为被迫式红外反应器。而通常的红外感应器由红外发射管和红外接收管组成，它是一类反射式传感器。两种传感器的主要区别是执行原理有别，前者是强迫式地对红外线辐射进行测量，后者是主动发射红外线，再经接收器接收变化的光强度来完成检测任务。并且热释电传感器灵敏度好且可靠。所以，选取热释电红外传感器较为合适[3]。

热释电红外传感器采用HC-SR501 传感器，主要由传感器探测元件、菲涅尔透镜、干涉滤光片等组成，其外接示意图如图2 所示。人体感应电路的设计如图3 所示，左侧部分表示HC-SR501 传感器模块，其3 个引脚分别接+5 V 电源、接地、接PNP型三极管的基极，集电极接地，发射极接单片机的I/O 口（P1.0）。

图2 热释电红外传感器外接示意Fig.2 Schematic diagram of external connection of pyroelectric infrared sensor

图3 热释电红外传感器电路设计Fig.3 Design of pyroelectric infrared sensorcircuit

2.2.2 电机驱动电路设计

本设计采用ULN2003 型号的步进电机作为驱动模块[4]。步进电机的启动是切换各组线圈中电流的顺序实现的，且作分步转动，其中切换过程是由单片机输出脉冲信号实现的，电机的旋转方向是通过改变各相脉冲的先后顺序实现，具体电机驱动电路如图4 所示。

图4 电机驱动电路设计Fig.4 Design of motor drive circuit

该模块采用1-2 相励磁的方法，其输入接口IN1～IN4 与单片机I/O 口P2.0～P2，3 连接，输出与步进电机相连。电机的启动方式是线圈换相励磁，4 相按A→AB→B→BC→C→CD→D→DA 方式换相，进而实现电机正转； 按AD→D→DC→C→CB→B→BA→A 方式换相，实现电机反转。

2.2.3 光电开关测距电路设计

为了实现对垃圾桶内垃圾高度的监测，本设计采用E18-D80NK 不规则反射型光电传感器。其发射器对准目标连续地发射红外线光束，接收器把检测物反射回来的光束转换为电流传输给后面的集成电路，通过内部电路处理后，再由放大器放大、输出。它是一类既能发射光信号，又能接收到光信息的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节（调节器顺时针加大，逆时针减小）。接触方式是正极接电源、 负极接地、 黑色信号输出线接I/O 口（P1.1、P1.3、P1.4、P1.5、P1.7、P3.2），其中光电开关电路如图5 所示。

图5 光电开关电路设计图Fig.5 Design of photoelectric switch circuit

2.2.4 异味检测电路设计

本设计采用KQM2800A 型空气质量传感器，该器件具有有功耗低、寿命长；实时零点标定、自动温湿度补偿；多种数据方式输出、应用简单；响应时间迅速、恢复时间短暂；高度的一致性及灵敏度；自适应环境变化等特点。KQM2800A 传感器的数据输出接口采用IO 分四级输出，硬件接口使用XH2.54 排座，通信口接单片机引脚P3.0，该模块电路如图6所示。

图6 异味检测电路设计图Fig.6 Design ofodor detection circuit

2.3 软件设计

垃圾桶的系统程序采用C 语言实现。当垃圾桶系统启用时，首先对系统进行初始化，然后分三部分进行检测：①判断是否有人扔垃圾，判断为是，则电机正转，垃圾桶盖打开；判断为否，则返回。②判断垃圾桶是否装满，判断为是，则蜂鸣器报警；判断为否，则返回。③判断垃圾桶是否有异味，判断为是则显示屏显示异味浓度值，此外，如果异味气体浓度达到50 ppm 以上时，蜂鸣器发出报警声；判断为否，则返回。

3 结语

本文从环保、廉价、方便、智能的角度出发，以STC89C52 单片机为控制核心，结合相应的外围电路，设计了一款多功能智能垃圾桶，实现垃圾桶自动开盖、垃圾高度检测和异味检测等功能。整个设计过程简单，功能可靠，价格客观，可用于家庭、办公等场所，具有一定的实用价值。