基于STC单片机的智能分类垃圾桶的设计

朱东南，陈育中

（南京高等职业技术学校，江苏南京 210019）

0 引言

随着城市的发展，人口的增加，消费水平逐步提高，同时伴随着大量垃圾的产生，如果垃圾不能及时分类处理，城市就会受到被垃圾包围的威胁。目前，不少城市已经推行垃圾分类，智能分类垃圾桶在垃圾分类工作中起到很重要的推动作用，经过垃圾分类投放、分类收集、分类运输、分类处理等环节将有回收价值的垃圾进行回收再利用，变废为宝。智能分类垃圾桶的使用不仅可以提高垃圾分类工作效率，还可以减少清洁工人的工作量。正确运用智能分类垃圾箱进行垃圾分类，是实现垃圾减量化和资源化的重要途径和手段，是有效处置垃圾的科学管理方法[1]。

1 系统设计

文章基于STC8A8K64D4 单片机，设计一款符合现代需求的智能分类垃圾桶。能实现自动开盖关盖、语音播报、垃圾称重、火源检测、垃圾分类提示等功能。当超声波传感器检测到自动开盖障碍物信号，系统开启语音播报并自动打开垃圾桶盖。语音播报包含障碍物距离、垃圾当前温度、垃圾重量、垃圾种类等信息。当检测到垃圾当前温度高于设置的报警温度时或检测到垃圾装满时，语音报警。当超声波传感器检测不到障碍物信号时，关闭垃圾桶盖。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2 硬件设计

本系统的硬件电路主要有：电源电路、温度检测电路、红外检测电路、称重感应电路、超声波测距模块、语音播报电路、电机驱动电路、动态显示电路等。

2.1 单片机选择

STC8A8K64D4 系列单片机是宏晶公司（STC）2021 年推出的宽电压工作范围的1T 单片机，该系列单片机工作电压为1.9～5.5V，相比STC15系列增加了I2C、LCM 接口，所有IO 口均可中断，增加了DMA 外设，且ADC 外设增加为3 个引脚（AVcc、Agnd、AVref）提高了采集精度[2]，单片机最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统

2.2 电源电路

系统中STC单片机的工作电压为5V，因此采用三端稳压器LM7805 将输入9V 电压转变为5V。同时，称重感应电路中的运算放大器需要±9V电源供电，所以采用一款电源管理芯片ICL7660S，它可以很方便地将输入的正电压转变为对应的负电压，电源电路如图3所示。

图3 电源电路

2.3 温度检测电路

NTC（Negative Temperature Coefficient）温度传感器的电阻随温度上升显著减小、是具有负温度系数特点的热敏电阻器。它是以锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)、铜(Cu)和铝(Al)等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成。

热敏电阻的阻值与温度的关系是近似符合指数函数规律的，并可做出电阻-温度特性曲线，阻值与温度成一一对应的关系，利用NTC温度传感器热敏电阻器的这一阻温特性，可由测量电阻值而推算出温度的高低[3]。

系统通过对单片机口P1.3 进行AD 采样，计算出P1.3 管脚的电压值，再根据电路原理换算成电阻值，再根据NTC 阻值温度对应关系表，得出相应温度值，温度检测电路如图4所示。

图4 温度检测电路

2.4 红外检测电路

红外检测电路主要用于检测垃圾桶是否装满。电路主要由红外传感器和电压比较器构成。调节RP101，使得红外反射传感器IR1 在没有物体挡住时，U2 的1 脚输出高电平；当红外反射传感器IR1前面有物体挡住时，U2 的1 脚输出低电平，D101 被点亮，单片机查询P1.2 管脚为低电平时，触发语音播报“垃圾已满”，红外检测电路如图5所示。

图5 红外检测电路

2.5 称重感应电路

电阻应变式称重传感器基于以下原理：弹性体（弹性元件、敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将外力变换为电信号的过程[4]。

系统通过对单片机口P1.4 进行AD 采样，计算出P1.4 管脚的电压值，并根据电压值计算出相应重量，电路中RP601 为差分信号零电位校准，VP 电压信号为增益校准。比如秤上放入50克砝码，校准VP，使得VOUT 输出信号为50mV。放入100 克砝码时，VOUT会输出100mV。称重感应电路如图6所示。

图6 称重感应电路

2.6 超声波测距模块

超声波测距原理：通过超声波发送探头发送超声波、途中遇到障碍物立即返回，根据超声波接收探头接收到超声波的时间差，计算实际障碍物距离[5]。

系统是通过与超声波测距模块进行串口通讯获取距离参数。超声波测距模块原理如下，单片机STC15W408S的管脚P3.7发送40 kHZ的脉冲信号，接收到的超声波信号经过CX20106滤波及放大，转换为单片机可识别的信号电压，并送至单片机管脚P3.2，单片机根据P3.7发送及P3.2接收信号的时间差，计算出物体距离，超声波测距模块如图7所示[6]。

图7 超声波测距模块

2.7 语音播报电路

系统通过与语音模块进行串口通讯实现语音播报功能。语音模块所采用的主CPU 为KT404C，用户通过电脑USB 口将语音文件下载进W25Q80 存储器中，并形成相应播放序号，主板通过串口将要播放的序号传入KT404C 芯片，KT404C 芯片根据序号，读取相应语音文件，并通过功放芯片HAA2018 完成语音播报功能。

2.8 电机驱动电路

系统中开关垃圾桶盖是通过电机正反转来实现，电机驱动电路采用H 桥驱动电路[7]。当控制段M1 为低电平，M2为高电平时，三极管Q501和Q504导通，电机1 号脚接正电压，电机2 号脚接地；当控制段M1 为高电平，M2为低电平时，三极管Q502和Q503导通，电机1号脚接地，电机2号脚接正电压，从而实现电机正反转控制。电机驱动电路如图8所示。

图8 电机驱动电路

3 软件设计

本系统上电后，进行硬件相关初始化，然后进入循环执行程序和中断执行程序。中断程序主要进行串口的接收和发送，按键的识别。循环执行程序主要工作：进行管脚扫描，查看红外是否触发，若有则形成语音播报串口报文，交由中断程序处理；读取管脚P2.2、P2.3、P2.4、P2.5，判断出垃圾类型；读取AD 通道值，计算温度和称重值；根据串口读取的超声波模块数据，得到障碍物距离测量值；根据中断程序识别出的按键值，执行按键处理程序，进行语音播报、数码显示（温度、距离、称重、设置参数）、电机转动等功能；根据系统运行状态，点亮或熄灭指示灯。软件设计流程图如图9所示。

图9 软件设计流程图

4 结束语

本系统设计了一款基于STC 单片机的智能分类垃圾桶，实现了自动开关盖、语音播报、垃圾称重、火源检测、垃圾分类提示等功能。在国家提倡发展循环经济的背景下，该类型的智能分类垃圾桶对于推进资源节约集约循环利用，对保障国家资源安全，推动实现碳达峰、碳中和，促进生态文明建设具有十分重要的意义。