智能垃圾桶系统的设计.docx

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智能垃圾桶系统的设计

智能垃圾桶系统的设计

摘要

本篇文章针对目前我国国内目前垃圾箱发展缺陷设计了一种智能垃圾箱，这种垃圾箱的控制系统是基于89C52的。

这种以单片机、220光电传感器和超声波传感器为核心控制系统主要是由电机驱动模块、语音报警模块、光电感应模块、超声波测距电路等功能模块组成，并且该系统通过传感器来采集相关的距离信息后再由转换让单片机发出指令，垃圾箱会在设定人与垃圾箱的距离，倘若超声波传感器检测到实际距离小于设定距离时自动翻盖。

并且该控制系统会在220光电检测到垃圾箱已满的情形下进行语音提示。

通过理论与实践的结合，可知，本垃圾箱控制系统具有成本低、结构简单、智能化、操作简洁、性能稳定等优点，一定程度上弥补了我国智能垃圾箱系统的缺陷，对进一步隔开人与垃圾并防止细菌感染人类问题提供了一个可行性途径。

关键词：

单片机，超声波传感器，220光电传感器，垃圾箱

A

a89C52220.,,,.,.,.,a220.,,.a,.a,.

:

,220,

摘要I

1.绪论1

1.1选题的意义1

1.2研究现状与发展趋势1

1.2.1研究现状1

1.2.2发展趋势3

1.3课题研究的目标与内容3

1.3.1研究目标3

1.3.2研究内容4

1.4本章小结4

2.系统硬件电路5

2.1系统总体框架5

2.2单片机最小系统5

2.2.189C52单片机简介5

2.2.2复位电路7

2.2.3晶振电路8

2.3光电感应模块8

2.4电机驱动模块9

2.5超声波测距模块11

2.6语音模块11

2.7电源模块12

2.8本章小结12

3.系统软件设计14

3.1系统程序总体流程图14

3.2超声波测距模块的程序设计15

3.3控制电机正反转的程序设计17

3.4本章小结19

4.系统调试20

4.1软件调试20

4.2硬件调试20

4.3整体调试20

5.实验结果与设计总结22

5.1实验结果22

5.2设计总结24

参考文献26

致谢28

附录29

1.绪论

1.1选题的意义

众所周知，在日常的生活中,我们是大量垃圾的制造者，但同时，我们也深受其害。

倘若我们对于垃圾不作出正确的处理，任由相关负面影响滋生，那么，逐渐的垃圾所造成的危害将远远超出我们的预料。

在我们现在的社会中，垃圾同样的也成为我们社会的严重问题，是我们当下社会急需解决的艰难任务。

因此，到底如何正确的处理垃圾问题，阻断其与人们的直接接触并以此防止垃圾上附着的细菌危害人类健康是我们国家一直难以解决并在努力攻克的课题。

“垃圾箱”作为一种隔离人类与垃圾的容器，已经伴随着人们走过了一个又一个时代，在现实生活中，它被广泛地运用在酒店用品和家居用品市场，可以说它已经是一种无法代替的物品存在于我们的生活当中。

在最早，垃圾箱只是简单的“坑洞式”，而随着人类社会的不断进步与发展，垃圾箱的构造也在不断进步，到现在它的构造已经变成一个独立的个体。

但就现实情况来看，我们生活中的垃圾箱并没有实现彻底将人与垃圾隔离开来的效果，甚至说当我们有时在投放垃圾的过程中还可能与垃圾有“亲密接触”，特别是像在医院这样的病菌多的公共场所，更需要垃圾箱能够起到将垃圾中的病菌与人类相隔离的作用，但是实际当中医院中还是普通的半开放式垃圾箱或是手动翻盖式垃圾箱，根本不能严格意义上的达到隔离的作用，所以如何研究和发展多功能垃圾箱控制系统就显得至关重要。

1.2研究现状与发展趋势

1.2.1研究现状

在国外，对于垃圾箱的重要性被早早的认知，以此对于垃圾箱控制系统的设计和研究就比我国国内要早很多，因此到目前为止，世界上很多国家都已经实现了对垃圾的分类回收，更有一些通常被称为太阳能垃圾箱的垃圾箱广泛地运用太阳能设备的控制系统。

在2006年08月美国纽约出现最早的拥有太阳能设备控制系统的垃圾箱，这种太阳能垃圾箱因其比传统垃圾箱可多装8倍的垃圾量而被大家称为“大胃王”。

[1]但是，“大胃王”拥有自己的学名，即太阳能压缩机，这是根据其系统具体的工作原理所起的名称，它的控制系统是运用阳光作为运作系统的能量来源，并且能够把垃圾的体积通过自动压缩处理减少到原先的八分之一，在这种的功能支撑下，这类垃圾箱就可以塞下1362升的垃圾。

环卫工人的收集垃圾的次数由于“大胃王”容量大的优点被大大减少了，但有利即有弊，“大胃王”同时也存在着缺点。

首先，它的造价非常高，再者，在“大胃王”内部由于其系统高科技部分比重占有较大，故而损坏后很难维修。

在太阳能压缩机出现之后，英国剑桥大学结合英国本土环境，并在美国对智能垃圾箱控制系统研究的基础上研发出了另一种更符合其实际需求的太阳能垃圾箱控制系统[2]。

和“大胃王”一样，箱内垃圾会被这种垃圾箱的控制系统所压缩，但是这种压缩并不需要大量的阳光供给，由于英国所建造的这类垃圾箱控制系统的动力是从一组太阳能电池里获得，使得它只需从外界得到少量的阳光便可以满足自身机器运作。

在英格兰，多雾的天气往往是家常便饭，而这样的设计使这类垃圾箱只需要少量阳光供给便能工作的工作性质恰恰满足了这样的环境要求。

此外，环卫工人可以通过手机智能地了解到垃圾箱的垃圾储存量问题，环卫工人可以提前设置垃圾预设范围，当手机的收到无线发射器发送的提醒清理垃圾箱的讯息时就说明箱内的垃圾超过预设的范围，这都是因为这种垃圾箱的控制系统中安设了一个无线发射器和智能传感器所做到的。

并且，垃圾箱被简单的编号为1或2，这样，当收到信息时，环卫工人根据数字就知道需要前往哪只垃圾箱进行清理。

而在剑桥，这种即时将信息提供给环卫工人的功能使得这类垃圾箱当地进行试验的结果令人满意。

而智能垃圾箱在我国目前来说多数的[3,4]控制系统比较简单，表现为垃圾箱功比较单一并且基本可以分为3类：

第一类智能垃圾箱是利用红外线测距技术[5,6]或是超声波感知是否有物体靠近，如感知到有物体靠近系统将拖动电机运转，并以此使得垃圾箱有自动翻盖的功能。

但是拥这类的智能垃圾箱受使用范围较小，比如办公室或是家中等私人场所，但如果是将被运用到一些公共的场所的垃圾箱，脚踏式的或是手动的这类没有任何智能控制系统的垃圾箱往往因其便捷性而受到人们的青睐，相反，多功能垃圾箱在这种环境下往往被人们认为是多此一举的。

并且，这种控制I系统的智能垃圾箱在我国国内普通商场往往不会有销售，要想购买只能通过网络购买而且价格相较较高，市场较小。

第二类的被称为太阳能垃圾箱如同“大胃王”一样，它的控制系统是其内部装有的太阳能装备，它的电源来源就是太阳能的转换。

在我国这种太阳能垃圾箱的应用中有一款太阳能自动开盖垃圾箱，这种垃圾箱曾经在第五届中国-东盟博览会高科技展厅节能减排展区展开过[7]，不过和第一类垃圾箱一样，这种太阳能垃圾箱比较适用于家里有阳光的地方或者户外，使得其应用范围和商业价值不高而不被广泛推广。

第三类垃圾箱因其系统内部也装有太阳能设备而使其控制系统与第二类很相似，但其太阳能设备却不是为处理垃圾功能所准备的，而是只为垃圾箱外的广告灯提供电源所准备的，所以虽然具有一定的商业价值，但没有真正意义上实现垃圾箱对于垃圾处理的功能。

1.2.2发展趋势

人们随着社会的快速发展对环保问题和产品也越来越重视，所以对于垃圾箱的选择上只会更加地注重垃圾箱的实用性和多功能性。

垃圾箱生产厂家也正是为了顺应这种需求导向型的社会发展趋势，其产品也在逐渐的向着智能化和多样化方向发展，这使得多功能垃圾箱控制系统种类也在不断增加。

在以上的需求与发展之下垃圾箱控制系统功能未来的发展将会更为丰富。

其实结合现实发展，无论国内外垃圾箱的种类发展到了哪一种程度，都还没有研制出一种垃圾箱，能够利用其多功能垃圾箱控制系统直接将垃圾自动分类，仍然需要人类对垃圾进行分类，因此需要有一个多功能控制系统的垃圾箱进一步智能化。

此外，市场上的垃圾的外观已经越来越接近环境和生活，让人们觉得垃圾箱不再是肮脏的代名词。

1.3课题研究的目标与内容

1.3.1研究目标

本次设计的多功能垃圾箱控制系统，是本着顺应时代发展，改善人们生活质量为目的的。

通过软件控制，来实现如下功能：

1.垃圾箱满报警；

2.检测是否物体靠近；

3.垃圾箱自动翻盖并伴有提示音；

4.定时自动喷洒消毒剂；

1.3.2研究内容

1.设计合适的传感器信号接收与转换电路；

2.设计蜂鸣报警电路；

3.设计自动翻盖控制电路；

4.设计自动喷洒消毒液电路；

1.4本章小结

本章节主要介绍了多功能垃圾箱的研究背景，通过其在人们生活和工作中起到的作用，明确课题研究的意义，为论文打下理论基础。

同时，通过对国外多功能垃圾箱的研究与目前国内外发展现状的关注，使得对我国现使用的多功能垃圾箱有了一个比较清晰的了解，确定了系统所要实现的主要研究内容和设计优点，为后续工作的进行做足了准备。

2.系统硬件电路

2.1系统总体框架

剂垃圾箱的自动翻盖、定时喷洒消毒等功能是本次的实际中其控制系统所要主要实现的功能。

垃圾箱和垃圾间的隔离、垃圾投放的简易度以与隔离垃圾细菌等功能都将在以上这些功能实现的情况下被实现。

设计使用89C52单片机为核心元件。

图2-1为系统整体框图。

图2-1系统整体框图

2.2单片机最小系统

2.2.189C52单片机简介

如图2-2为89C51单片机的管脚图。

图2-289C52管脚图

89C52单片机在本次设计主要被采用[10]，它具有内部128字节;全双工串行通信口1个；16位定时器2个；闪速存储—4K字节；可编程口线32个；时钟电路以与计数器片内振荡器；5向量两级中断结构1个。

本系统的中央处理器将会在该控制系统处于空闲模式下时停止工作，但此时并不是所有部件都停止工作，如随机存储器、串行通信口定时/计数器和中断系统是被允许继续工作的。

而当控制系统处于掉电的状态下，其振荡器将被停止工作，其他的所有部件也会被禁止工作，直至下一个硬件复位，但是随机存储器里面的内容将会被保存。

89C52引脚功能简介：

P0口：

因其只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作，故而通称为数据总线口，是三态双向口。

此外，外部存储器的低8位地图1址也可以利用P0口输出。

其外部因其是分时输出而须加锁存器对于这个地址数据进行地址锁存,采用信号。

P1口：

8位准双向口线。

口专门供用户使用。

P2口：

8位准双向口线。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址；在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变；在对编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

8位准双向口线。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口位拉倒高电位，这时可用做输入口。

在对编程和程序校验时，P3还接收一些控制信号。

此外，P3口还有其他一些复用功能，如下表2-1所示。

表2-1P3口替代功能

引脚

替代功能

说明

P3.0

串行数据输入

P3.1

串行数据输出

P3.2

0

外部中断0输入

P3.3

1

外部中断1输入

P3.4

T0

定时器0外部计数输入

P3.5

T1

定时器1外部计数输入

P3.6

外部写选通输出

P3.7

外部读选通输出

2.2.2复位电路

在单片机开始启动时需复位。

常见的复位方式有2种：

手动复位和上电复位。

本次设计的系统是使用了上电复位的方式。

复位电路图如图2-3所示。

图2-3复位电路图

如图所示，将电容器添加到侧的一个短信号，由于瞬时电容器的功率充电电流最大，所以电容相当于短路，也就是说，关断一个高信号。

电容两端的电压一旦达到与电源相同的电压值时，电流对电容的电荷减小到零，即停止对电容充电，电容相当于打开，端为低电平，程序可以正常运行。

2.2.3晶振电路

本次设计采用的是给系统提供基本的时钟信号的晶振电路来实现同步的。

晶振电路如图2-4所示。

图2-4晶振电路

如图，在本次的设计中，20的12晶振1个和负载电容2个共同构成本次的晶振电路，其两端为1端口和2端口，主要被用来连接单片机。

晶振电路的重要组成部分是晶振，其作用是为系统频率提供依据。

晶振频率受单片机运行速度的影响，一般情况下晶振频率随之变得越来越高。

如图2-4中C2和C3成为负载电容。

要使C2和C3特性和大小相同，20至30的电容一般会被采用，而在本设计中选择的是20。

选择晶振的范围通常在1.212之内。

本系统采用的12的晶振是在89C52单片机实际正常的运作情况下运用电路分析、模电等理论计算出来的。

为了减少寄生电容、稳定振荡，晶振电路和单片机在最后硬件焊接的过程中会靠近安装。

2.3光电感应模块

在有效范围内，光电传感器会检测到有无物体，并且将检测到的信息再传给单片机，如图2-5所示。

图2-5光电感应模块电路

该传感器包含三个互惠的220传感器电路。

[11]。

220的4脚连接到393的正极。

393的负输入连接到滑动变阻器。

当220检测到光注入时，393正输入电压为0.因此393负输入电压大于正输入，单片机执行程序。

相反，当没有检测到光线射入时，不执行程序。

220是集成反射式光电探测器。

220塑料镜片使这些传感器具有较高的灵敏度，而其内置的可见光滤光片也可以减少离散光对测量的影响。

2.4电机驱动模块

步进机[12]是一个开环控制元件，将电脉冲信号转换为竖向位移或行位移。

在步进电机正常工作的情况下，电机的转速仅与电机的脉冲信号的频率和脉冲数有关，电机转动后会发生转角。

由于步进电机的步进角度与脉冲信号呈线性关系，而且具有优异的瞬时启动和快速停止特性，因此只需要改变脉冲的顺序即可改变旋转方向。

旋转方向广泛应用于速度控制领域。

步进电机正常运行只能使用脉冲信号作为驱动信号。

无脉冲信号，步进电机不工作，已处于静止状态;如果电机遵循一定的操作角度，则必须给步进电机一个合适的脉冲信号，电机的运行速度和脉冲频率。

电机驱动电路如图2-6所示。

图2-6电机驱动电路图

电机驱动器的设计是2003[13]芯片。

2003高压，可以与高负载电流并联运行，而且在关断50V电压的同时，其电流大，吸收电流可达500。

2003芯片和电路之间的接口比较简单，只有2003芯片是4,5,6,7引脚，而微控制器P2.3，P2.2，P2.1，P2.0端口连接为微型和电机驱动器分别连接到步进电机的1,2,3和4，以控制步进电机的正向和反向。

步进电机的5针连接连接到电源输入和8针接地线

2003的输入端驱动端口为P2.0（A），P2.1（B），P2.2（C），P2.3（D）。

控制步进电机正转次序：

组—组—组—组；反转次序：

组组组组，脉冲正向旋转5.625度。

其中高电平持续时间越长，占空比越大，电机的速度越高。

2.5超声波测距模块

超声波测距[14,15]环境要求不高，因为雨天和雾天的穿透力很强，正常工作。

所以超声波电路的设计使用了04超声波测距模块。

超声距离测量模块的工作原理是：

使用单片机I/O端口触发范围，即当微控制器向超声波模块的输入端发送10高脉冲时，微控制器内部定时器清零。

当输出端子为高电平时，当输出端子变低时，定时器开始工作，定时器停止工作，读取定时器T0时间，计算距离超声波距离测量模块电路图的距离，如图2-7所示。

图2-7超声波测距模块电路图

2.6语音模块

语音模块使用588D[16]语音模块。

588D不但能做单片机，另外还能当作普通的语音芯片作为从片发声。

更重要的是，在完全不改变管脚的情况下，可以掩膜样品，价格也就少了一半。

588D语音芯片是强大的可重复擦除写入的语音单片机芯片。

串口控制模式可以控制语音播放，停止，循环和音量大小，或直接触发0〜219任意语音的地址，发送速度为600〜2000；可以控制语音播放，停止，回路和音量，或直接触发0〜219任何语音地址，三线串口控制O端口扩展输出可扩展输出8位，在两种模式下切换，允许最后一个状态的最后一个模式保持下一个模式。

语音音模块的电路图如图2-8所示。

图2-8语音模块电路图

2.7电源模块

稳定电压是一个平衡值，高了可能损坏电路或者电路起保护；低了电路不能正常工作，因此需要稳压电路来保证电路正常工作。

稳压电路如图2-9所示。

图2-9稳压电路

电源模块主要用了芯片L7805[17]。

外部电源连接后9V电压从1脚进入稳压器，从3脚输出5V电压。

L7805还特别适用于过载情况，因为它具有内部电流限制和热关断特性。

无需外接元件；内部热过载保护；输出电流可以达到100；内部短路电流限制就是L7805的四大特点。

2.8本章小结

本章节是对多功能垃圾箱的控制系统的各个模块的硬件设计，结合自身所学的基础知识和实践操作，对本次设计的硬件电路提出较为明确的要求和实施的流程，查阅各种相关文献资料，逐步构建出各个模块的框架结构，最后作出原理图。

一个硬件模块设计的成功与否并不是只体现在各个模块的功能是否分别实现了，而是要看各个模块是否能够搭配起来一起实现硬件的整体功能。

经过了硬件的设计，对本次设计的总体框架和流程目的更加清晰明确，为接下来软件设计的顺利进行打下一定的基础。

3.系统软件设计

3.1系统程序总体流程图

通电时，系统程序将首先初始化每个模块。

为了使超声波模块能够正常测距，设置了200的延迟。

定时器开始计数，如果时间已过，系统开始喷洒消毒剂。

同时，超声波测量模块和光电传感器模块开始工作。

如果超声波测量模块检测到人与料斗之间的距离小于80厘米的距离，则步进电机运行并附有语音广播“垃圾放置请分类”，电机反转后延迟3秒。

如果光电传感器模块感测到物体，则会语音传递消息“1号垃圾箱已满”或者“2号垃圾箱已满”。

系统程序总体流程图如图3-1所示。

图3-1系统程序总体流程图

3.2超声波测距模块的程序设计

超声波距离测量模块除了检测物体是否接近的能力外，还可以在一定范围内测量物体附近与其距离。

当微控制器向超声波模块的输入端发送10秒的高脉冲时，微控制器内部定时器被清零。

超声波传感器的工作原理如图3-2所示。

图3-2超声波测距子程序流程图

本系统超声波测距子程序如下：

（）

{=1;10的高电平触发

（）;

=0;

0=0;给定时器0清零

0=0;

0=0;关定时器0定时

=0;

（）;当为零时等待

0=1;

（）当为1计数并等待

{0=0*256+0;

（（>1）（0>65000））当超声波超过测量范围时，显示3个888

{0=0;

=2;

=888;

=0;

;}

{=1;

}}

（1）

{0=0;关定时器0定时

=0;读出定时器0的时间

=*256+0;

（*65536）单位是：

—超声波测距的时间

*=0.017;0.017=340M/2=170M=0.017M算出来是米

（>350）距离=速度*时间

{=888;如果大于3.8m就超出超声波的量程

}

}

}

3.3控制电机正反转的程序设计

控制电机正在扭转这部分自动翻盖的设计。

系统开始工作后，要确定电机是否需要向前转，必要时要将，，，电源实现正转，延时3m电机正转之后正转反转，即为，，，充电。

如图3-3所示。

图3-3电机驱动子程序流程图

本系统的电机驱动子程序如下：

（q）

{

（）;}

（）步进电机函数

{（0）

{

（1）开

{;

（>=127）

{=0;

P2=P2&00;让4个口都不输出

}}

（2）关

{（<=1）

{=0;

=1;

P2=P2&00;让4个口都不输出

}

;

}

（0<4）4相

{

（2）关

P2[i];

（1）开

P2[i];

（700）;改变这个参数可以调整电机转速

}}}

3.4本章小结

主程序总体流程的设计是软件编程的最主要组成部分，它以流程框架的形式，从某种意义上说，它决定了软件系统的质量与性能，使编程者对整个软件的编写条理更加清晰。

同时剖析主程序，对各个子程序进行必要的文字说明和阐述，在脑海中形成清晰的编译思路。

本章通过对软件系统的分析，化整为零，在一定程度上，降低了软件编程的难度，同时也提高了我完成此次系统设计的信心。

4.系统调试

软件和硬件设计完成之后，就要进行的最后一步工作-对系统的整体进行调试。

制作硬件时可能留有的故障和系统里面软件编制的错误只有通过调试才能得以排除和更正,任何一个系统只有在经过了较为全面的调试之后才能算是真正的完成。

4.1软件调试

系统软件是担当整个系统中各个独立硬件的管理，使得它们能够协调工作，即系统究竟实现什么功能是由软件来决定的，所以软件调试就变得尤为重要。

本次软件设计所用的语言是C语言[18]，由于设计的系统涉与到几个部分，为了避免编程混乱产生偏差，我采用分模编写程序。

按照各个模块所要实现的功能分别来编写，确定正确后再将几部分组合起来，开始整体编写。

即使这样，调试的时候也出现了以下的问题：

（1）发现程序会在进入的调试环境以后报错。

程序报错是常见的问题，一般都会在错误位置有提示。

在进入调试环境以后，发现“=0;”系统显示有错，可是反复检查后觉得语句并没有错误，后来才知道是因为标点没有在全英文环境下输入。

解决方法：

编辑的时候尽量在同一种语言状态下，一些中文的注解可以先用拼音代替，或者在写完一个整体模块程序后，再切换语言模式，这样就能够避免犯错。

（2）编译时出现数字、字母的混淆。

由于因为打字速度快很容易按错键，因此在编写程序时，最常见的是混淆字母是“O”和数字“0”。

它们俩因为外形很相似，所以在快速打字的时候就很容易打错，而这个问题又是用肉眼很难发现的错误，只有当调试环境中程序报错之后才可以进行修改。

这也是在本次程序编写过程中总是遇到的一个问题。

4.2硬件调试

硬件的调试工作主要就是检查其线路板看看有没有有无断线、错线或者是短路的地方，还有就是接电源端和接地端有没有弄错，电路板里所使用芯片和元器件有无损坏，最后在对各个主要部分分别进行调试先用电流表对其各个原件两端进行测试，若有电流通过则电路正常，之后在以单元电路为单位进行调试。

4.3整体调试

整合调试要在当系统软件和硬件均正常后进行。

使用软件虽然说可以仿真，但毕竟不是真实的环境，只有把软件程序烧入到单片机中，上电，检测功能，看是否达到所预期的效果才是最真实的检测调试。

因为一些硬件测试需要在软件下才会更好的发现问题，软件的测试也需要硬件的配合才能更好的完善。

各单元模块电路能独立工作正常，整合调试的时候并不代表就能实现整体功能，要针对其中出现的问题，完善调试。

所以我采取的方式是功能模块逐个整合，虽然所花费的时间和精力会比较久一点，但是认真仔细地对待，实现最后的功能目标才是最重要的，所以我觉得为了保险起见也是值得的。

我在整合调试的时候，因为一开始没有计算好电机的转速和电机转动的时间，所以在这方面出现了一些小问题，在经过核对电路图、确保