智能循跡吸塵式垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳朝詩　王艷玲

摘 要：本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控制器，設(shè)計(jì)了一款具有自動(dòng)吸塵功能的智能垃圾桶，主要包括循跡避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外感應(yīng)模塊、藍(lán)牙通信模塊、超聲波測距模塊、電源開關(guān)控制模塊等，結(jié)合吸塵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以在人們丟垃圾時(shí)自動(dòng)打開垃圾桶蓋，而且可以在復(fù)雜的辦公場所中進(jìn)行循跡避障吸塵工作，通過藍(lán)牙無線控制其運(yùn)行。在使用中可很好地提高辦公區(qū)域的智能程度，具有很好的開發(fā)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；循跡避障；藍(lán)牙；吸塵式垃圾桶

目前，在企業(yè)的辦公場所的保潔工作主要依靠清潔人員來完成，而且清潔人員主要工作是清理地面的紙屑和灰塵，用到的工具無非就是吸塵器。如果把辦公場所一定使用到的垃圾桶和吸塵器結(jié)合在一起，進(jìn)行智能化改進(jìn)，讓它不但可以作為平常的垃圾桶使用，還可以代替清潔人員進(jìn)行吸塵工作，不僅提高工具的利用率，還能降低人力，對于企業(yè)來說，這能很有效地降低人工費(fèi)支出。再從市場分析，在當(dāng)前出現(xiàn)很少有一款有這樣兩用的智能垃圾桶，而且在成本上，本作品的成本相對低廉，更符合辦公場所的建設(shè)要求，所以應(yīng)該有著很大的市場。

一、設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)思路上分為兩條線路，一條是循跡避障和吸塵控制，一條是紅外感應(yīng)加步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、灰塵盒及垃圾桶的檢測系統(tǒng)和藍(lán)牙無線控制，底座部分是由第一條線路設(shè)計(jì)的，上面部分是由第二條線路設(shè)計(jì)的，兩條線路通過藍(lán)牙控制連接。

在MCU選擇方面采用了STM32系列的芯片，它的性能較51系列芯片更強(qiáng)大，滿足項(xiàng)目對主控芯片的性能要求。具體的功能方案實(shí)現(xiàn)是：①通過藍(lán)牙控制或者直接手動(dòng)按鍵控制垃圾桶進(jìn)行的循跡吸塵工作，通過循跡模塊識別黑線進(jìn)行循跡，通過避障模塊在循跡的時(shí)候進(jìn)行有效地避開線路上的障礙物，避障之后返回到原路線繼續(xù)運(yùn)行，吸塵器的工作與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同步；②通過紅外感應(yīng)模塊識別人體，實(shí)現(xiàn)人們在丟垃圾時(shí)自動(dòng)打開垃圾蓋，通過超聲波模塊和指示燈檢測垃圾容量和灰塵容量并提示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

循跡和避障功能根據(jù)實(shí)際的辦公地形進(jìn)行分析，考慮到各種問題存在的可能，通過算法在程序中實(shí)現(xiàn)更好的循跡避障，而且還配有警報(bào)設(shè)計(jì)，如果遇到無法避開的情況可警報(bào)提醒。吸塵系統(tǒng)可控，輸入功率較低，吸塵效果設(shè)計(jì)到最佳。上面部分的紅外感應(yīng)翻蓋要滿足正常的丟垃圾行為，需要調(diào)整最佳的紅外感應(yīng)時(shí)間和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并進(jìn)行抗外部干擾處理，實(shí)現(xiàn)功能的精準(zhǔn)性。在供應(yīng)電源方面，采用可充電的移動(dòng)鋰電池，輸出功率完全滿足整個(gè)垃圾桶系統(tǒng)的供電要求，并且有足夠的續(xù)航能力。具體的系統(tǒng)框架如圖1。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）主控芯片

本項(xiàng)目采用的單片機(jī)是ST公司的STM32單片機(jī)，采用的型號是STM32f103c8t6，是一款有著64K字節(jié)的閃存、48個(gè)I/O口、2個(gè)12位ADC、7個(gè)定時(shí)器、9個(gè)通信接口以及工作頻率可達(dá)到72MHz的單片機(jī)，該單片機(jī)的功能比較強(qiáng)大，在成本上相對其他型號的單片機(jī)更低點(diǎn)，而且完全滿足項(xiàng)目要求，適合本項(xiàng)目的使用。

（二）驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)采用的是12v直流電機(jī)，它的負(fù)載能力為60KG，滿足垃圾重量要求，采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，L298N芯片具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

（三）傳感器模塊

本項(xiàng)目采用的傳感器有US-016超聲波、TCRT5000循跡模塊、E18-D80NK紅外光電開關(guān)、HC-05藍(lán)牙模塊等。US-016超聲波具有很高的識別精度，識別范圍為2cm-300cm，精度達(dá)到0.3cm +1%，在項(xiàng)目中采用兩個(gè)超聲波模塊加兩組指示燈來用于檢測垃圾容量和灰塵容量并進(jìn)行提示。TCRT5000循跡模塊的信號處理干凈，檢測反射距離最小為1mm，可很好地用于短距離識別，項(xiàng)目中用5個(gè)TCRT5000循跡模塊進(jìn)行循跡工作，提高精確度。E18-D80NK紅外光電開關(guān)識別距離較長、抗干擾能力較強(qiáng)，5v供電，因?yàn)橛糜诶把E中的避障，所以運(yùn)用到6個(gè)紅外開關(guān)，前面兩個(gè)，兩側(cè)各有兩個(gè)，實(shí)現(xiàn)有效避障。HC-05藍(lán)牙模塊用于通過手機(jī)無線控制垃圾桶循跡吸塵工作的啟動(dòng)及停止，方便人們使用。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）循跡避障算法設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目實(shí)物底座的循跡避障模塊分布圖如圖2所示：

中間為5個(gè)循跡模塊，實(shí)現(xiàn)循跡功能，HW_L、HW_M、HW_R、HW_L_B、HW_R_B分別代表左、中、右、左后、右后的循跡模塊。

垃圾桶運(yùn)行到終點(diǎn)停止是根據(jù)一條橫著的黑線進(jìn)行識別實(shí)現(xiàn)，程序的前面有一個(gè)直行兩秒的設(shè)置，在垃圾桶啟動(dòng)吸塵循跡工作前先通過這條停止線，再進(jìn)行循跡避障的功能。

兩邊為避障模塊，實(shí)現(xiàn)循跡工作中的避障功能，BZ_L、BZ_L_S、BZ_L_B、BZ_R、BZ_R_S、BZ_R_B分別代表左前、左邊、左后、右前、右邊、右后的紅外開關(guān)，前面兩個(gè)紅外開關(guān)觸發(fā)距離設(shè)定為40cm，兩側(cè)的四個(gè)紅外開關(guān)觸發(fā)距離設(shè)定為25cm，最低限度地降低可能存在的誤判問題。

（二）檢測模塊的算法設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目采用超聲波模塊進(jìn)行垃圾容量和灰塵容量的檢測，通過綠、黃、紅指示燈提示，在程序中通過AD轉(zhuǎn)化讀取超聲波檢測到的距離值，根據(jù)距離值進(jìn)行判斷容量，表1為具體算法（可根據(jù)不同垃圾桶大小設(shè)定，本項(xiàng)目用的是小型垃圾桶）。

四、結(jié)束語

本項(xiàng)目是主要定位于辦公場所，以及娛樂場所、會(huì)議場所等，目的是提高日常生活用具的智能化，解放勞動(dòng)力，降低成本。垃圾桶結(jié)合吸塵器是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)思路，而且設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品很有市場競爭性，本項(xiàng)目也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)思的功能，只是目前還處于前期研發(fā)階段，后期繼續(xù)改進(jìn)，提高穩(wěn)定性，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

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作者簡介：陳朝詩（1995—），男，廣東湛江人，本科。

王艷玲（1982—），女，山東淄博人，碩士，副教授，主要研究方向：自動(dòng)控制。

注：本文系齊魯理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“基于單片機(jī)的智能垃圾桶”階段性研究成果，項(xiàng)目編號201713998008。

（通訊作者：王艷玲）