目錄目錄基于STM單片機(jī)的智能垃圾桶設(shè)計(jì)摘要由于人們在每天扔垃圾時都需要將垃圾進(jìn)行分類,這在無形中為倒垃圾這件事增添了許多麻煩，因此老百姓都期待著一種更加高效便捷的新型垃圾回收辦法。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103C8T6的多功能垃圾收容系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)組成模塊包括濕度檢測模塊、金屬檢測模塊、紅外感應(yīng)模塊、繼電器驅(qū)動電路等，系統(tǒng)控制核心為單片機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程中，距離信息采集由系統(tǒng)中的傳感器完成，通過LCD1602對垃圾桶狀態(tài)進(jìn)行顯示，如向其投放垃圾，則系統(tǒng)紅外感應(yīng)就能夠感知，并經(jīng)由檢查，關(guān)鍵詞：金屬檢測；紅外傳感器；垃圾桶；超聲波目錄TOC\o"1-2"\h\u1引言 11.1目的與意義 11.2研究概況及發(fā)展趨勢 11.3設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 22系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn) 22.1設(shè)計(jì)方案 22.2系統(tǒng)元器件選型 32.2.1單片機(jī)主控芯片 32.2.2濕度感應(yīng)模塊 32.2.3紅外感應(yīng)模塊 42.2.4繼電器驅(qū)動模塊 52.2.5金屬檢測模塊 52.2.6電源模塊 72.2.7超聲波檢測模塊 72.2.8液晶顯示模塊 83軟件設(shè)計(jì) 83.1主程序設(shè)計(jì) 83.2液晶顯示程序設(shè)計(jì) 93.3超聲波測距模塊的程序設(shè)計(jì) 104測試與調(diào)試 124.1軟件調(diào)試 124.2硬件調(diào)試 125結(jié)論 13參考文獻(xiàn) 14附錄一：電路原理圖 16附錄二：主程序 171引言1.1目的與意義在公共空間或家庭等場所,垃圾的收集一直是一個有待處理問題。例如,在天氣炎熱的情況下,如果餐廳的廢物殘?jiān)鼪]有得到及時處,就會發(fā)酵發(fā)臭。并且公共空間的人員流動量很大,這樣情況下的垃圾更需及時得到清理。主要因?yàn)槔安粔蚋蓛?，人們都想遠(yuǎn)離臟東西,所以就會有人隨意丟棄垃圾，進(jìn)而使得垃圾桶附近以及桶蓋筒身附有垃圾，容易造成一定程度的環(huán)境破壞，加重了工作人員的負(fù)擔(dān)。智能垃圾桶可避免人們因?yàn)槿永稚险成霞?xì)菌，系統(tǒng)檢測到有人靠近，且只要傳感區(qū)域附近有物體,桶蓋就會自動打開,當(dāng)物體離開感應(yīng)區(qū)幾秒后桶蓋就會自動關(guān)閉。結(jié)合紅外感應(yīng)的翻蓋設(shè)計(jì),且不需要外接電源,靠電池供電,所以具有功耗低、衛(wèi)生方便的優(yōu)點(diǎn),無需手動或腳踏即可輕松扔垃圾等優(yōu)點(diǎn)。1.2研究概況及發(fā)展趨勢垃圾桶在人人們的生產(chǎn)生活中非常重要，不可缺少，基于不同位置以及使用環(huán)境，可將其分為生活垃圾桶和公共垃圾桶，按其材質(zhì)可分為干垃圾、濕垃圾、金屬垃圾和其他垃圾。近年來,垃圾桶也以透明垃圾桶的形式出現(xiàn),以識別其中是否放置了爆炸物或有毒物質(zhì)。這種垃圾桶也被稱為反恐垃圾桶［1］。通過在線實(shí)踐研究,目前市場上的垃圾桶主要有以下方面需要改進(jìn):（1）垃圾桶密封性差或沒有蓋子,不僅會將垃圾的氣味散發(fā)到周圍,而且容易滋生細(xì)菌和蚊子,對環(huán)境和人類健康有害。（2）垃圾已滿的狀態(tài)無法及時處理,即缺乏提醒功能。如果不及時清理垃圾,則容易導(dǎo)致垃圾成堆，既不美觀也不衛(wèi)生。目前,市場上有很多種垃圾桶,但都是有腳或無蓋的敞開式垃圾桶。在這個科學(xué)技術(shù)迅速更新的時代,許多不同的智能儀器和自動裝置逐漸進(jìn)入大眾視野中，為人們的生活帶來了很大的便利。隨著自動化、智能化技術(shù)的發(fā)展，其運(yùn)用范圍也越來越廣，因此智能垃圾收容器也將是一個新的發(fā)展趨勢。目前市場上的垃圾桶類型包括智能垃圾桶、傳統(tǒng)垃圾桶。垃圾桶作為人類社會生活中不可或缺的一部分,隨著時代的進(jìn)步和需要,將朝著簡單化、智能化的方向發(fā)展［2］。雖然目前的垃圾桶已經(jīng)開始出現(xiàn)在智能方面技術(shù)上,它離理想的形式還有很長的路要走。盛慧龍和其他人設(shè)計(jì)了一個STM32是主控板上的智能垃圾桶,語音識別模塊LD3320用于接收垃圾溢出信息,JQ8400語音廣播模塊用于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的垃圾分類廣播,L298N電機(jī)驅(qū)動模塊用于控制垃圾桶蓋的開閉,紅外傳感器用于檢測是否有物體接近該裝置。通過對各個模塊和整體的測試,確保了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性［3］。馬浚剛等人以STM32F103C8T6為基地,在其研究中，運(yùn)用了SG90模擬舵機(jī)、WT2003S-16、ASR-M08B、語音識別模塊，針對性的設(shè)計(jì)了垃圾桶的音廣播,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互［4］。沙文馨在其研究中，針對性的運(yùn)用了Nb位置傳感器、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，針對性的設(shè)計(jì)出能夠進(jìn)行火災(zāi)危險監(jiān)控、桶內(nèi)消毒、自動投放、自動分揀垃圾的智能垃圾桶［5］方法,我的設(shè)計(jì)方法和想法如下:1.3設(shè)計(jì)主要內(nèi)容本文針對智能垃圾桶進(jìn)行設(shè)計(jì)，以STM32單片機(jī)作為其系統(tǒng)控制核心，在此基礎(chǔ)上，針對性的對繼電器驅(qū)動、智能感應(yīng)以及垃圾分類進(jìn)行研究。針對垃圾進(jìn)行分類采集迎合了當(dāng)代環(huán)保理念，一定程度降低了環(huán)境污染破壞，同時，能夠促進(jìn)垃圾分類回收和處理，系統(tǒng)顯示模塊為LCD顯示，基于設(shè)計(jì)要求，需滿足：（1）基于濕度檢測傳感器和金屬檢測傳感器的功能，將所采集數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，并實(shí)現(xiàn)垃圾分類管理；（2）通過三極管放大電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)繼電器的驅(qū)動，針對不同類別垃圾進(jìn)行智能投放；（3）如有人靠近垃圾桶并滿足預(yù)設(shè)距離要求，則紅外線感應(yīng)模塊將感應(yīng)信息傳輸至單片機(jī)；（4）顯示模塊的LCD液晶顯示可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息顯示；（5）通過超聲波測距,顯示當(dāng)前垃圾桶滿溢狀態(tài)。2系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)2.1設(shè)計(jì)方案多功能垃圾箱控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)收容器桶蓋自動翻轉(zhuǎn)、滿箱自動提醒、垃圾分類等功能,幫助公眾更方便地放置垃圾和回收資源。此外,該容器可對不同垃圾進(jìn)行分類存放,有效防止容器內(nèi)細(xì)菌滋生。本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心部件,設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1設(shè)計(jì)框圖2.2系統(tǒng)元器件選型2.2.1單片機(jī)主控芯片智能垃圾收容器設(shè)計(jì)主控芯片為STM32F103C8T6單片機(jī)［6］,具備了37個I/O口,是一款具有32位處理器的單片機(jī),能夠儲蓄64KB大小的數(shù)據(jù),具有160KB的及時儲存空間RAM。本設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)核心處理器為STM32103C8T6單片機(jī)，為32位處理器。每個設(shè)備都可以請求向DMA控制器發(fā)送或接收數(shù)據(jù)?；赟TM32內(nèi)部總線矩陣以及總線仲裁器，能夠針對性有效簡化CPU的DMA和數(shù)據(jù)接口的連接，這表明DMA的通道單元非常靈活,使用簡單,完全可以滿足微控制器應(yīng)用中的通用數(shù)據(jù)傳輸要求。2.2.2濕度感應(yīng)模塊在本設(shè)計(jì)中,濕度傳感器用于確定廢物是干廢物還是濕廢物,因?yàn)閺U物的濕度達(dá)到一定值,可由LM393的比較者來判斷［7］。采用雙列直插式8針?biāo)芰戏庋b（DIP8）。如圖2即為其內(nèi)部框圖和引腳圖。圖2

LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖據(jù)圖2可知，在LM393境內(nèi)LM393設(shè)備具有寬帶和高增益。相比于傳統(tǒng)比較器，如果該設(shè)備運(yùn)行進(jìn)程中，存在寄生電容且在輸入與輸出間，則運(yùn)行穩(wěn)定性降低，輸出電壓轉(zhuǎn)換時刻易產(chǎn)生振蕩。針對這一問題，無法通過將濾波電容器配置在電源旁路的方法進(jìn)行處理，如設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)PC板，能夠有效降低寄生電容耦合發(fā)生率。如果輸入電阻小于10k，則檢測精度大大降低，系統(tǒng)反饋信號較弱，并且容易導(dǎo)正反饋的產(chǎn)生，增加了系統(tǒng)的時滯性（滯后1.0~10mV）,基于此情況，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換加快，并且基于寄生電容的振蕩不易產(chǎn)生。對于此情況，可使用磁帶，這種方法相對落后，可插入IC，同時將電阻配置于引腳處，通過這種方法，可實(shí)現(xiàn)短轉(zhuǎn)換周期振蕩。如為PWM激勵，并且伴隨著較短的下降和上升，則無需滯后。另外，針對比較器進(jìn)行接線設(shè)計(jì)時，應(yīng)將未使用引腳與大地相接。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的393電壓比較器,主要作用就是用來比較電壓值。當(dāng)水位傳感器模塊檢測到水位時，此時，低水位將由393比較器輸出，信息傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)基于對應(yīng)水位給出命令信號。2.2.3紅外感應(yīng)模塊該模塊依靠紅外傳感器探測設(shè)定范圍內(nèi)是否有物體,然后將探測信息傳輸給單片機(jī)。紅外感應(yīng)模塊電路圖如圖3所示。圖3紅外感應(yīng)模塊電路兩個RPR220傳感器通過并聯(lián)的方式接入，并作為該模塊的主要組成部分。如連接393，則設(shè)計(jì)過程中，LM393正極輸入端則連接RPR220四個引腳，與此同時，需配置滑動變阻器并連擊至LM393負(fù)極輸入端，可通過改變接入電路中的電阻值來調(diào)節(jié)負(fù)極輸入端電壓。U4和R4基于+5V電壓即可完成三極管應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，它的工作原理是當(dāng)RPR220檢測到有光源的時候,U4電壓幾乎為0,這和LM393正輸入時的0時的狀態(tài)一樣。然而當(dāng)LM393的負(fù)輸入電壓大于正輸入電壓,LM393的輸出結(jié)果就會顯示為低電平,這種狀態(tài)下單片機(jī)可以執(zhí)行該程序。相反,如果沒有檢測到光,則相比于負(fù)輸入端電壓，LM393正輸入端電壓較大，因此，可實(shí)現(xiàn)高電平輸出,MCU將無法執(zhí)行程序。此外,RPR220是一種集成反射式紅外探測器。由于RPR220的塑料透鏡,因此靈敏度極高，另外，由于測量精度易受雜散光影響，因此可通過可見光濾光片內(nèi)置來進(jìn)行規(guī)避，RPR220優(yōu)點(diǎn)顯著，結(jié)構(gòu)節(jié)湊、輕小靈活，適合放置在接收器殼體的夾層中［8］。2.2.4繼電器驅(qū)動模塊本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的繼電器模塊的主要功能原理為，針對不同類別不同屬性垃圾，基于不同特性，檢測后單片機(jī)會接收到相應(yīng)的檢測結(jié)果，此時會向繼電器輸出低電平，進(jìn)而操控桶蓋，完成垃圾投放［9］。如下圖4即為對應(yīng)的電路圖。圖4電機(jī)驅(qū)動電路圖2.2.5金屬檢測模塊如果有人來投放垃圾且有金屬，則金屬探測器可感知到，系統(tǒng)會經(jīng)由紅外感應(yīng)通知控制中心，如果有金屬的話我們通過按鍵來打開特殊垃圾回收按鍵,此模塊運(yùn)用的是電磁感應(yīng)的原理,探測器的探盤發(fā)出一個磁場,探頭線圈產(chǎn)生渦流,當(dāng)探測到金屬目標(biāo)后,原來的磁場會發(fā)生變化,產(chǎn)生信號差。渦流作用在探頭上,改變探頭線圈的阻抗,從而改變探測器的振幅。距離磁感應(yīng)線圈越遠(yuǎn),磁場衰減幅度就會越大。該變化被用作檢測信號,經(jīng)由系統(tǒng)中的放大器放大，再經(jīng)由信號轉(zhuǎn)換，即得到對應(yīng)的音頻信號,此時音頻電路則會發(fā)聲，同時，根據(jù)被測物距離以及體積而實(shí)時變化,原理框圖如圖5所示。圖5金屬檢測原理框圖金屬探測器的構(gòu)成包括數(shù)字集成電路、反相器、CMOS。其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電路詳見圖6。圖6金屬檢測原理電路圖直流電源欠壓報警電路的工作原理:當(dāng)電池電壓為Vt從-12V變?yōu)?6.5V,使三端電壓調(diào)節(jié)器輸出如果出現(xiàn)偏差,最好的方法是更換電池［11］,因此使用檢測和報警電路來提醒用戶。報警電路如圖7所示。報警電路能夠?yàn)槲覀兲峁└啾憷D7電源欠壓報警電路圖電阻電容元件、時基電路、CMOS等共同構(gòu)成了系統(tǒng)中的多諧振蕩器，其運(yùn)行電壓為5V。當(dāng)VT降至-6.5V時,此時系統(tǒng)運(yùn)行電壓過低，則電路將振動并發(fā)出報警信號。振蕩器工作進(jìn)程中，其頻率值一定，為f=4.9khz,并且該值比檢測信號頻率要高，所以二者彼此互不影響［12］,圖8即為其所對應(yīng)的實(shí)物圖。圖8金屬檢測模塊實(shí)物圖2.2.6電源模塊如圖6為本控制系統(tǒng)中單品季供電電源，可滿足單片機(jī)工作電壓所需。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各功能組件工作電壓均為5V，基于此，可選擇充電寶、電池、電腦，接入方式為USB連接，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，一些芯片標(biāo)識的額定電壓為5V，但是工作過程中的實(shí)際功耗較高，如風(fēng)扇、驅(qū)動電機(jī)、加熱幫等的電路設(shè)計(jì)就需考慮此類問題［13］。圖9電源電路圖2.2.7超聲波檢測模塊該模塊的重要功能為實(shí)現(xiàn)超聲波測距，該模塊的一大優(yōu)點(diǎn)是不易受工作環(huán)境限制，可運(yùn)用于惡劣環(huán)境中。本設(shè)計(jì)選擇HC-SR04-超聲波測距模塊［14］。系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程中，測距方式為I/O端口觸發(fā)方式，Trig引腳為超聲波模塊的組成部分，可接收到單片機(jī)發(fā)出的持續(xù)高電平（10μs），在此基礎(chǔ)上，可自動清除內(nèi)部誤差，此時，超聲波模塊開始工作,高電平持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回時間。當(dāng)輸出ECHO變?yōu)榈碗娖綍r,內(nèi)部定時器停止工作,讀取定時器時間T0,并通過相應(yīng)的公式計(jì)算距離［15］。超聲波測距模塊的電路圖如圖10所示。圖10超聲波檢測模塊電路圖2.2.8液晶顯示模塊考慮到要顯示的是垃圾的滿溢程度和時間這些數(shù)據(jù),因此,需要選擇的顯示器可以顯示一或兩行，基于此要求，本設(shè)計(jì)選擇LCD1602液晶顯示器，該顯示器可顯示數(shù)字和字母，每行為16字符數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)為顯示效果較優(yōu)、低成本、低功耗、輕小。是一種非常實(shí)用的液晶顯示設(shè)備。3軟件設(shè)計(jì)3.1主程序設(shè)計(jì)基于上述功能要求以及軟硬件設(shè)計(jì)，得到如圖所示的主程序設(shè)計(jì)圖。圖11軟件整體流程圖3.2液晶顯示程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選擇的液晶顯示為1602LCD顯示，引腳數(shù)為16，并且單片機(jī)可對RW、RS進(jìn)行控制［16］:表1LCD工作狀態(tài)介紹RSRW操作命令00寫入指令寄存器（清清屏等）01讀busy(DB7)，針對位址計(jì)數(shù)器（DB0—DB6）進(jìn)行讀取10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字符等）11讀取數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)其忙標(biāo)志位較低時,它才指示指令開始執(zhí)行。當(dāng)LCD1602被要求顯示一個角色時,需要獲得該角色的實(shí)際RAM地址。光標(biāo)移動、清屏等均為其內(nèi)部控制寄存器中的控制指令，總計(jì)有11條。液晶顯示程序流程圖12所示。圖12液晶顯示流程圖3.3超聲波測距模塊的程序設(shè)計(jì)基于該模塊功能，可對接近物體進(jìn)行感應(yīng)，另外，可對模塊與物體的間距進(jìn)行測量，系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程中，如單片機(jī)向該模塊輸出10μs高電平脈沖信號時,單片機(jī)內(nèi)部信號將立即自動清除。當(dāng)超聲波傳感器輸出的ECHO是高電平時,MCU內(nèi)的定時器開始計(jì)時［17］。當(dāng)超聲波完成信號接收時，立即停止，針對間隔時間t進(jìn)行計(jì)算，通過公式計(jì)算出待測距離是多少。圖13超聲波測距流程圖圖13超聲波測距流程圖如下為超聲波測距子程序:voidsend_wave(){c_send=1; delay(); c_send=0; TH0=0; TL0=0; TR0=0; flag_hc_value=0; while(!c_recive); TR0=1; while(c_recive) {flag_time0=TH0*256+TL0; if((flag_hc_value>1)||(flag_time0>65000)) {TR0=0; flag_csb_juli=2; distance=888; flag_hc_value=0; break;} else {flag_csb_juli=1; }} if(flag_csb_juli==1) { TR0=0; distance=TH0; distance=distance*256+TL0; distance+=(flag_hc_value*65536);distance*=0.017; if(distance>350) {distance=888; } }}4測試與調(diào)試4.1軟件調(diào)試按照設(shè)計(jì)的需求,選擇適合設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。其次，基于已完成設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)代碼，代碼編寫可選擇不同的方式，如基于硬件模塊劃分開發(fā)、基于功能模塊劃分開發(fā)，編寫過程中，各個模塊依次進(jìn)行編寫，彼此之間互不影響，即便局部出現(xiàn)問題，亦可針對性的進(jìn)行解決，不會對其他模塊產(chǎn)生影響。這種各個模塊單獨(dú)進(jìn)行代碼編寫的方法，具有很強(qiáng)的適用性和可操作性。最后，運(yùn)用Keil軟件編譯,編譯結(jié)果是0Error以及0warning即可。4.2硬件調(diào)試編譯成功后，接下來進(jìn)行焊接，焊接的實(shí)物圖如圖14所示。圖14實(shí)物圖首先是對設(shè)備通電,如果設(shè)備可以通電,那就說明電源正常,通電后,電源正常單片機(jī)指示燈會亮。圖15為通電后實(shí)物圖。圖15通電后實(shí)物圖進(jìn)入系統(tǒng)初始化，如圖16所示。5結(jié)論本設(shè)計(jì)主要使用STM32為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并開發(fā)的一個智能垃圾桶系統(tǒng)。分為硬件部分和軟件部分，首先，此設(shè)計(jì)通過DXP繪圖軟件進(jìn)行電路原理圖繪制，然后通過原理圖將實(shí)物焊接出來，單片機(jī)軟件部分則利用C語言在Keil軟件上進(jìn)行編程，編譯無誤后下載到單片機(jī)內(nèi)部，最終進(jìn)行軟件與硬件的調(diào)試，最后通過超聲波傳感器檢查垃圾的容量會顯示在LCD1602顯示器上，通過紅外傳感器檢查是否有人，如果有人就會進(jìn)行通過直流電機(jī)打開垃圾桶蓋，并進(jìn)行倒計(jì)時5s后自動關(guān)閉桶蓋。通過以上方法，設(shè)計(jì)可以基本實(shí)現(xiàn)全部功能，使用起來方便衛(wèi)生，性能可靠，從而有效預(yù)防接觸性感染。參考文獻(xiàn)[1]范元濤.

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