基于STC15F2K60S2单片机的智能垃圾桶的设计与实现

孙毅敏，宋余君,2

（1.怀化学院，湖南 怀化 418000；2.武陵山片区生态农业智能控制技术湖南省重点实验室，湖南 怀化 418000）

0 引 言

随着物联网技术的迅速发展，各行各业呈现出一种智能化的趋势[1]，智能家居、智慧城市得到了快速发展。垃圾桶作为家庭生活的必备工具之一，并未随着智能家居的发展而得到快速改进，大多数家庭仍使用传统的垃圾桶。传统的垃圾桶对垃圾封存效果不好，若不及时清理垃圾，异味极易散出，细菌极易滋生，最终导致环境污染。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，并未得到真正普及[2-5]。本文设计了一款操作简便、功能齐全的新型智能垃圾桶，不仅实用，而且成本较低。

1 系统结构

智能垃圾桶主要具备垃圾存放时间统计、垃圾桶是否装满判断等功能。首先工作人员在信息系统中心（PC）存储垃圾桶的编号、位置信息。同时PC与服务器进行数据交互，服务器将数据存放在云平台，云平台通过GSM模块与单片机进行数据交互，垃圾桶自动上传信息到云服务器。用户可以通过访问PC得到垃圾桶内的情况，然后决定是否清倒垃圾。系统网络拓扑如图1所示。

2 系统硬件设计

系统硬件主要由单片机最小系统模块、红外对射管模块、称重传感器模块、GSM模块、超声波模块等构成，其框架如图2所示。垃圾桶上电后，单片机、称重传感器、红外对射管开始工作，底部蜂鸣器未发出警报，顶部的红外发射管发送38 kHz的信号，与此同时，红外接收管信号接收正常，单片机不断获取垃圾桶内垃圾的信息。随着桶内垃圾的积累，当垃圾桶内垃圾堆满后红外对射管信号发射受阻，当垃圾存放时间超过设定的时间时，蜂鸣器发出警报声提醒倒垃圾的用户此垃圾桶已装满，同时单片机通过GSM模块发送信息给PC端，提醒工作人员及时处理垃圾。

图1 系统网络拓扑图

图2 系统框架

2.1 称重传感器模块

本系统的称重传感器模块采用HX711芯片。HX711是专为高精度电子秤而设计的芯片，内部集成有放大部分和24位A/D转换部分[6]。单片机通过2个普通的I/O口与HX711的PD_SCK、DOUT引脚相连，并根据相应时序编程。通过调制电路和比较电路处理后即可获取此时物体的精确重量。图3所示为称重传感器原理。

图3 称重传感器原理

2.2 GSM模块

本系统的GSM模块采用SIM800C系列模组，该模块可以实现短信息收发、GPRS数据传输。该模块体积小、功耗低、工作所需温度范围广[7]、价格低廉，适合本设计的系统使用。

2.3 超声波模块

本系统选用HC-SR04超声波传感器。模块的发射引脚trig、接收引脚echo与单片机2个普通的I/O口分别相连，单片机的控制口发送一个10 μs以上的高电平给模块发送端引脚，然后接收端检测是否为高电平，当接收引脚echo读取高电平时打开定时器，高电平结束后关闭定时器。高电平持续的时间即为超声波的传播时间。利用发送和接收的时间差以及声波在空气中的传播速度（测量距离=（高电平时间×声速）/2）容易测得被测点到传感器间的距离[8-9]。HC-SR04测距模块实物如图4所示。

图4 HC-SR04测距模块实物

3 系统软件设计

实际生活中，垃圾桶内的情况十分复杂，例如垃圾桶内存在湿毛巾、果皮、食物残渣等湿垃圾时，会给细菌提供繁殖环境。对于这类垃圾的处理不同于其他类型垃圾的处理方式，需在软件设计部分考虑垃圾类型检测的问题。

智能垃圾桶系统通过锂电池供电，当智能垃圾桶系统上电后，系统首先进行初始化，然后分两部分进行检测：判断垃圾桶内的垃圾类型；判断垃圾桶内垃圾是否装满。系统主程序如图5所示。

图5 系统主程序

3.1 垃圾类型的判断

垃圾类型的判断依靠称重传感器检测垃圾物重量（G），并联合超声波传感器发送超声波获取垃圾物位（H）及垃圾桶内状态，若判定存在湿垃圾，则上报信息。获取垃圾信息示意图如图6所示。

图6 获取垃圾信息示意图

为了更好地提高系统的稳定性和准确性，设计了一套检测垃圾类型的算法，算法如下：

3.2 垃圾已满状态的判断

单片机接收垃圾物位和垃圾密度等信息后，判断垃圾桶内垃圾的状态，红外发射管不断发送38 kHz的信息，单片机通过采集红外接收管处的电压来判断垃圾是否达到设定的最高物位hmax，工作流程如图7所示。

图7 垃圾已满判定流程

4 结 语

本文对智能垃圾桶系统进行了全面、规范的分析，对系统软硬件进行了设计制作和调试。通过对系统的测试与调试，智能垃圾桶基本实现了监测内胆内垃圾状态、监测垃圾桶内垃圾存放时间、根据推测的垃圾是否为湿垃圾调节垃圾存放时间上限的功能，使得垃圾可以及时得到清理。但该系统还存在许多不足之处，例如未实现垃圾自动分类功能和垃圾自动打包功能。