智能垃圾桶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 李紅艷 韋繼嬌

人們?cè)絹?lái)越關(guān)注房屋中各種家用電器的智能性，因此各種垃圾桶（如推拉式垃圾桶、智能語(yǔ)音識(shí)別垃圾桶、多功能垃圾桶等）出現(xiàn)在市場(chǎng)上。垃圾桶自動(dòng)分類(lèi)功能為人們的生活帶來(lái)方便。智能語(yǔ)音識(shí)別智能垃圾桶非常方便，語(yǔ)音識(shí)別算法可識(shí)別控制語(yǔ)音命令，例如前進(jìn)、后退和打開(kāi)/關(guān)閉指令以完成垃圾箱的遠(yuǎn)程非接觸式智能打開(kāi)和關(guān)閉移動(dòng)功能。當(dāng)前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家正在開(kāi)發(fā)新的智能垃圾桶使其具有更多功能，例如可調(diào)節(jié)的垃圾桶打開(kāi)角度、自動(dòng)分類(lèi)垃圾桶和遠(yuǎn)程密封控制。

1 智能垃圾桶的發(fā)展?fàn)顩r

當(dāng)前智能垃圾桶的智能功能比不上充滿大腦的小冰、小愛(ài)和Siri。無(wú)論外觀或功能如何，智能垃圾桶仍是一個(gè)桶，只能收納垃圾。其智能就在于在原始設(shè)計(jì)中增加檢測(cè)和密封功能。第一個(gè)是紅外感應(yīng)功能。紅外傳感器檢測(cè)到人手的距離，并在人手靠近智能垃圾箱20 cm時(shí)自動(dòng)打開(kāi)垃圾箱的蓋子，這樣用戶就可以丟棄垃圾而不碰垃圾桶（與帶蓋的封閉垃圾桶相反）。第二是密封功能。智能垃圾桶可以采用完全密封的設(shè)計(jì)。垃圾蓋上有一個(gè)密封圈，合上蓋子后可以確保垃圾不會(huì)溢出。

2 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本智能垃圾箱控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有：垃圾箱蓋子的自動(dòng)翻蓋、箱滿自動(dòng)報(bào)警提醒、垃圾分類(lèi)等。這些功能讓用戶便于投放垃圾，特別是在新冠疫情傳染性極強(qiáng)的現(xiàn)在，避免用戶和垃圾桶直接接觸，會(huì)大大的降低間接傳染一些細(xì)菌性疾病。本設(shè)計(jì)使用STC89C52RC單片機(jī)為核心元件（如圖1所示）。

2.2 濕度感應(yīng)模塊

我們來(lái)分別垃圾是否是干垃圾還是濕垃圾，我們可以直接采用濕度傳感器。因?yàn)槔鴺?biāo)明如果是濕的達(dá)到一定值通過(guò)LM393比較器就可以進(jìn)行判斷。

LM393主要特點(diǎn)如下：

（1）該電路工作時(shí)電源電壓范圍跨度大，在單電源狀態(tài)和雙電源狀態(tài)下都可工作，單電源：2V～36V，雙電源：±1V～±18V；

（2）消耗電流小，Icc=0.8 mA；

（3）輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2 mV；

（4）共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～Vcc-1.5V；

圖1 設(shè)計(jì)框圖

圖2 LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

（5）輸出與TTL、DTL、MOS、CMOS等兼容；

（6）輸出可以用開(kāi)路集電極連接“或”門(mén)。

LM393引腳圖及內(nèi)部框圖如圖2所示。

LM393是一個(gè)電壓比較器，在接收光時(shí)將連接到R-Light端子的光電二極管的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并將其傳輸?shù)诫妷罕容^器的同相輸入端子INB +，比較輸入端子INA-的參考電壓。如果非反相端子INB +處的電壓大于反相端子INA-處的電壓，則電壓比較器的輸出端子OUT輸出高電壓。當(dāng)非反相端子INB+的電壓低于反相端子INA-時(shí)，電壓比較器的輸出端子OUT輸出低電壓，此時(shí)Light-LED指示燈亮。沒(méi)有光時(shí)光電二極管的電阻非常大，由電阻器R23和光電二極管形成的分壓器的電壓增加，使得非反相端子INB +處的電壓大于反相時(shí)的電壓。電壓比較器的INA端子和輸出端子OUT作為高電平電壓輸出，此時(shí)LightLED指示燈熄滅。在光的存在下光電二極管的電阻很小，由于由電阻器R23和光電二極管形成的分壓器的電壓下降，因此非反相端子INB +處的電壓低于反相端子處的電壓。 電壓比較器的輸出端子OUT為低電平并且電平電壓，此時(shí)LightLED點(diǎn)亮。連接到反相端子INA-端子的電位器VR2用于調(diào)節(jié)該端子的電位電壓，該電壓也是用于光敏度調(diào)節(jié)的電壓比較器輸入的閾值翻轉(zhuǎn)電壓。

該設(shè)計(jì)使用LM393電壓比較器進(jìn)行電壓比較，水位傳感器和電位器設(shè)置電壓比較，當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到水位時(shí)，LM393比較器輸出低水位，微控制器檢測(cè)到低水位以確定水位。

圖3 紅外感應(yīng)模塊電路

2.3 金屬檢測(cè)模塊

當(dāng)我們將垃圾放入垃圾桶時(shí)，紅外傳感器檢測(cè)到有人，并且金屬檢測(cè)器開(kāi)始檢測(cè)垃圾桶中是否存在金屬。如果有金屬，請(qǐng)按下按鈕以打開(kāi)特殊垃圾收集按鈕，然后在兩者之間創(chuàng)建電場(chǎng)強(qiáng)度變化，以識(shí)別是否是金屬垃圾并在模塊上發(fā)出金屬垃圾信號(hào)。探頭產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與金屬一起使用以產(chǎn)生渦流，渦流作用在探頭上以改變探頭電路的阻抗從而改變振蕩器的幅度，它被放大并變成音頻信號(hào)。

2.4 六反相器數(shù)字集成電路探測(cè)金屬

其關(guān)鍵組件是CMOS 6反相器數(shù)字集成電路a（i至vi）。在該電路中，反相器i和ii均用作放大器。金屬探測(cè)器的探頭是一個(gè)高q值電感器l，該電感器l形成了一個(gè)電容性三點(diǎn)振蕩器，它具有反相器i和振蕩頻率約為27 kHz的電容器c1至c3。調(diào)節(jié)電位器rp可使電路進(jìn)入剛啟動(dòng)狀態(tài)。通常弱振蕩信號(hào)被反相器ii和電阻r1組成的放大電路放大，然后由二極管vd1整流，因此反相器iii的輸入端子始終處于低電平并通過(guò)反相器iii，iv整形。輸出低電平，VD2正向偏置打開(kāi)，由反相器v和vi、r3、r4、c6等組成的音頻振蕩器不工作，電磁測(cè)深儀b安靜。當(dāng)金屬物體接近感應(yīng)器l時(shí)（沿感應(yīng)器線圈的軸向），l的q值下降，并且振蕩電路停止振動(dòng)。因此，反相器ii沒(méi)有振蕩信號(hào)輸出，反相器iv輸出高電平，vd2的反向偏置被關(guān)閉。由反相器v和vi組成的音頻振蕩器工作，反相器vi的輸出產(chǎn)生一個(gè)串聯(lián)。正脈沖信號(hào)為R5電流限制，vt功率放大，然后驅(qū)動(dòng)b發(fā)出“ di ----”蜂鳴聲。

2.5 紅外感應(yīng)模塊

紅外傳感器模塊的工作原理是檢測(cè)在紅外傳感器額定范圍內(nèi)是否存在物體，然后在檢測(cè)后將這些信息集成到單片機(jī)中。其模塊電路圖如圖3所示。

紅外感應(yīng)模塊的最大有效檢測(cè)距離主要由反射型紅外光電傳感器的特性決定，同時(shí)受測(cè)量對(duì)象的紅外反射特性影響很大，還可以根據(jù)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于典型的物體檢測(cè)應(yīng)用，有效檢測(cè)距離通?？梢赃_(dá)到0.1m～0.2m。通常情況下，具有光滑表面和良好反射特性的物體易于檢測(cè)，并且有效感測(cè)距離相對(duì)較大；具有較差反射特性的物體更難以檢測(cè)，并且有效感測(cè)距離相對(duì)較小。

RPR220是集成的反射紅外探測(cè)器，RPR220的塑料透鏡使這種類(lèi)型的傳感器高度敏感，并且內(nèi)置的可見(jiàn)光濾鏡還減少了不連續(xù)光對(duì)測(cè)量的影響從而大大減少了檢測(cè)誤差。最后，RPR220紅外傳感器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，并適合垃圾桶外殼的夾層。