基于太陽(yáng)能的智能垃圾分類箱設(shè)計(jì)研究

白一秀，張海燕，邵瑩，房磊

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

近年來(lái)，政府對(duì)于垃圾分類越來(lái)越重視，并出臺(tái)了一系列關(guān)于促進(jìn)垃圾分類回收的政策，號(hào)召人們養(yǎng)成垃圾分類的習(xí)慣。日常生活中產(chǎn)生的垃圾里面包含了很多可回收物，將這一部分垃圾進(jìn)行分類之后可以回收很多資源。傳統(tǒng)的回收方式需要大量的人力資源，雖然這些垃圾重新變成了資源，但是在整個(gè)過(guò)程中消耗的資源也非常多。當(dāng)前，我們處在一個(gè)傳感器技術(shù)快速革新的時(shí)代，由單片機(jī)控制的各類自動(dòng)化裝置已經(jīng)在各行各業(yè)中嶄露頭角。就在2021年的兩會(huì)上，“碳達(dá)峰”“碳中和”被首次寫(xiě)進(jìn)政府工作報(bào)告中，意味著在以后的發(fā)展中，新能源必定有著舉足輕重的地位。那么將新能源、單片機(jī)控制以及垃圾分類相結(jié)合的基于太陽(yáng)能的智能垃圾分類箱就有著很好的發(fā)展前景。

本設(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于太陽(yáng)能的智能垃圾分類箱，設(shè)計(jì)了各部分電路圖、原理圖，在Proteus軟件中做了仿真設(shè)計(jì)。它是由太陽(yáng)能供電單元，STC89C52單片機(jī)構(gòu)成的中央處理單元，各類傳感器構(gòu)成的識(shí)別單元，步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的執(zhí)行單元和LCD1602液晶及各類指示燈構(gòu)成的顯示單元所組成。當(dāng)用戶投放垃圾的時(shí)候，識(shí)別單元檢測(cè)出垃圾種類，并給單片機(jī)輸出電平信號(hào)，單片機(jī)執(zhí)行程序，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，將垃圾投入到對(duì)應(yīng)的垃圾箱中，指示燈顯示垃圾的種類，用戶在看到垃圾種類后也能增長(zhǎng)他們對(duì)于垃圾分類的知識(shí)。就此整個(gè)垃圾分類過(guò)程完成。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于太陽(yáng)能的智能垃圾分類箱主要包括以下功能：太陽(yáng)能配合蓄電池為系統(tǒng)供電、垃圾箱滿自動(dòng)報(bào)警、智能垃圾分類等。實(shí)現(xiàn)以上這些功能可以使用戶方便投放垃圾，提高垃圾回收的效率。而且是太陽(yáng)能供電對(duì)環(huán)境無(wú)污染，垃圾桶滿報(bào)警可以使垃圾得到及時(shí)的處理。

本設(shè)計(jì)使用STC89C52單片機(jī)為中央處理單元，多種傳感器組成智能識(shí)別單元，單片機(jī)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度將垃圾精確的投入與其對(duì)應(yīng)的垃圾箱。此外，超聲波測(cè)距模塊可以測(cè)量垃圾距離垃圾桶蓋之間的距離，小于10 cm報(bào)警。另外就是對(duì)供電電路和充放電電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 外觀設(shè)計(jì)

垃圾在智能垃圾桶中的走向是，用戶將垃圾投入到垃圾投放口中，經(jīng)過(guò)一個(gè)裝設(shè)了多種傳感器的通道，當(dāng)垃圾到達(dá)旋轉(zhuǎn)盤(pán)的時(shí)候，傳感器完成對(duì)垃圾的識(shí)別，單片機(jī)執(zhí)行程序控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)將垃圾運(yùn)輸?shù)綄?duì)應(yīng)垃圾桶的上方，并將垃圾投入到垃圾桶中。智能垃圾桶外觀設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 智能垃圾桶外觀設(shè)計(jì)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源電路的設(shè)計(jì)

電源電路使用了LM2596-5芯片進(jìn)行降壓操作。LM2596-5是一種經(jīng)常被采用的開(kāi)關(guān)電源芯片，其使用廣泛，價(jià)格便宜。12 V電壓電源通過(guò)IN端輸入芯片，輸出端有兩個(gè)電容，一個(gè)470μF的電容和一個(gè)105 μF電容。它們的作用是進(jìn)一步過(guò)濾沒(méi)用的波形，使得到的5 V電壓更加穩(wěn)定，電路中還有一個(gè)發(fā)光二極管，在電路中起指示作用。該電路轉(zhuǎn)換效率高，一般在80%～90%之間。

3.2 檢測(cè)單元的選型與設(shè)計(jì)

金屬檢測(cè)模塊的選型與設(shè)計(jì)：在我們投放垃圾的時(shí)候金屬探測(cè)器就會(huì)開(kāi)始檢測(cè)投放的垃圾中是否有金屬，如果有金屬的話金屬檢測(cè)模塊將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行程序后控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬垃圾進(jìn)行分類。選型：在本設(shè)計(jì)中選用一塊六反相器數(shù)字集成電路來(lái)檢測(cè)識(shí)別金屬垃圾。金屬物體一旦接近探頭使得信號(hào)產(chǎn)生諧波，從而導(dǎo)致振蕩電路的振幅改變，檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)振幅的變化來(lái)檢測(cè)是否為金屬垃圾。探頭的原理：通電導(dǎo)線周圍能產(chǎn)生磁場(chǎng)，被測(cè)物體通過(guò)時(shí)，若在物體之中能感應(yīng)出渦流，其中的渦流便會(huì)逆向作用于探頭。使得探頭振蕩器的振幅變小，通過(guò)對(duì)振幅的檢測(cè)就能實(shí)現(xiàn)金屬垃圾的檢測(cè)。

含水量檢測(cè)模塊的選型與設(shè)計(jì)：為了區(qū)別是否是廚余垃圾，本文采用含水量傳感器進(jìn)行識(shí)別。一般廚余垃圾含水量都比較高，所以當(dāng)含水量達(dá)到一定值時(shí)通過(guò)LM393比較器就可以進(jìn)行判斷。選型：使用Water sensor傳感器作為廚余垃圾的檢測(cè)探頭，當(dāng)有廚余垃圾接觸到濕度檢測(cè)探頭時(shí)，傳感器感應(yīng)到水分，便輸出一個(gè)信號(hào)，單片機(jī)執(zhí)行程序，將廚余垃圾進(jìn)行分類。使用LM393比較器作為含水量的檢測(cè)部分。

透明度檢測(cè)模塊的選型與設(shè)計(jì)：本次設(shè)計(jì)第三道關(guān)口是檢測(cè)垃圾的透明度，如果是透明垃圾不外乎就是塑料及玻璃，塑料及玻璃都是可回收物，單片機(jī)執(zhí)行程序?qū)⒗度肟苫厥瘴飳?duì)應(yīng)的垃圾箱中。如果不是透明的垃圾，就將此垃圾判定為其他垃圾類型，將垃圾投入其他垃圾對(duì)應(yīng)的垃圾箱。本設(shè)計(jì)選用HD-DS25-5MM型號(hào)的紅外對(duì)射式傳感器，其可以檢測(cè)25 cm以內(nèi)的物體，適合本次設(shè)計(jì)需求。

超聲波測(cè)距模塊的選型與設(shè)計(jì)：超聲波測(cè)距模塊對(duì)環(huán)境要求不高，由于超聲波裝置安裝在桶內(nèi)，所以基本不受外界環(huán)境因素干擾。選型：本次設(shè)計(jì)選擇使用一款經(jīng)典超聲波測(cè)距模塊來(lái)測(cè)量垃圾距離垃圾桶蓋的距離，它的型號(hào)為HC-SRO4。這款超聲波測(cè)距模塊有四個(gè)引腳，1引腳接直流5 V電源；2引腳接收來(lái)自單片機(jī)的“開(kāi)始測(cè)距”的信號(hào)；3引腳是輸出超聲波測(cè)距模塊狀態(tài)的引腳；4引腳接地。2引腳接單片機(jī)的P3.3引腳；3引腳接單片機(jī)的P2.2引腳。

3.3 供電電路的計(jì)算與設(shè)計(jì)

3.3.1 蓄電池容量計(jì)算

蓄電池容量的估算：日負(fù)載耗電量乘以連續(xù)陰雨天數(shù)就等于初步的蓄電池容量。

蓄電池在惡劣天氣情況及連續(xù)陰雨天的時(shí)候完全放電會(huì)對(duì)蓄電池產(chǎn)生致命危害，蓄電池壽命將大大縮短。所以蓄電池容量在計(jì)算時(shí)，要考慮到蓄電池的允許最大放電深度對(duì)于蓄電池容量設(shè)計(jì)計(jì)算的影響。本次設(shè)計(jì)選擇80%放電深度（DOD）。蓄電池容量的基本公式為：

計(jì)算串并聯(lián)蓄電池個(gè)數(shù)：

（1）串聯(lián)的蓄電池的個(gè)數(shù)（N）的計(jì)算：

其中U表示負(fù)載的標(biāo)稱電壓，U表示蓄電池的標(biāo)稱電壓。

（2）并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)的個(gè)數(shù)（N）的計(jì)算：

其中表示蓄電池容量，表示單獨(dú)一塊蓄電池的容量。

負(fù)載日平均工作時(shí)間為10 h，系統(tǒng)功率為50 W，計(jì)算得到日平均負(fù)載耗電量為500 Wh/天，取蘭州最長(zhǎng)陰雨天平均值10天，蓄電池輸出電壓為12 V，最大放電深度80%。

帶入本次設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)得：

選用2 V/300 Ah（）的蓄電池。并聯(lián)組數(shù)取整為2，所以，所需蓄電池個(gè)數(shù)為：

=6×2=12

3.3.2 光伏組件功率計(jì)算

光伏組件功率計(jì)算包括：

（1）光伏組件的估算。光伏組件在設(shè)計(jì)時(shí)的原則是能供給年平均負(fù)載的正常運(yùn)行，光伏組件的數(shù)量計(jì)算就是用負(fù)載每天的耗電量除以單獨(dú)一塊太陽(yáng)能電池板的日發(fā)電量，得到光伏組件并聯(lián)的數(shù)量。負(fù)載的電流供應(yīng)就是靠這些太陽(yáng)能電池板并聯(lián)運(yùn)行。光伏組件串聯(lián)的數(shù)目就是負(fù)載和光伏組件的標(biāo)稱電壓之比。

（2）設(shè)計(jì)修正。在實(shí)際工作過(guò)程中，有很多因素影響光伏發(fā)電的效率，例如太陽(yáng)輻射量、安裝方式、光伏組件的功率衰減等。所以，為了滿足負(fù)載的用電需求，將設(shè)計(jì)過(guò)程加以修正。

（3）修正后計(jì)算過(guò)程。某地區(qū)平均最低日照輻射3 kW h/m，也就是3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)峰值小時(shí)，前面說(shuō)了，對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的75 W太陽(yáng)能光伏組件來(lái)說(shuō)，每天的輸出為：

組件日輸出=3.0峰值小時(shí)×4.4 A=13.2 Ah

蓄電池庫(kù)倫效率為90%，光伏組件輸出衰減10%。

帶入數(shù)值得：

并聯(lián)組數(shù)取整為4。

帶入數(shù)值得：

所以選標(biāo)準(zhǔn)75 W的光伏組件，總共需要4塊。

3.3.3 蓄電池充放電電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的充放電電路主要由蓄電池充放電回路、充電比較電路、放電比較電路、充電控制電路、放電控制電路和穩(wěn)壓電路所組成。電路圖如圖3所示。

圖3 蓄電池充放電電路原理圖

（1）蓄電池充放電回路。蓄電池充放電回路中包含了光伏電池板、蓄電池以及繼電器。如圖3所示，當(dāng)繼電器J1得到正向電壓，則J1-1開(kāi)關(guān)連接蓄電池導(dǎo)通，光伏電池板給蓄電池充電。如果繼電器J1無(wú)正向電壓，則J1-1開(kāi)關(guān)與電阻R1及LED1導(dǎo)通，不給蓄電池充電，LED1指示燈點(diǎn)亮，表示不充電。

（2）充電比較電路。采集電路得到的信息經(jīng)過(guò)電阻R2輸入比較器同向端中，基準(zhǔn)電壓輸入比較器反向端。比較器將該信息與基準(zhǔn)電壓相比較。

當(dāng)電池電壓大于13.5 V時(shí)，比較器輸出高電平信號(hào)。充電控制電路接收到高電平信號(hào)后，控制充電回路斷開(kāi)。

當(dāng)電池電壓小于13.1 V時(shí)，比較器輸出低電平信號(hào)。充電控制電路接收到低電平信號(hào)后，控制充電回路閉合。

（3）放電比較電路。采集電路得到的信息經(jīng)過(guò)電阻R3輸入比較器同向端中，基準(zhǔn)電壓輸入比較器反向端。比較器將該信息與基準(zhǔn)電壓相比較。

當(dāng)電池電壓小于10.8時(shí)，比較器輸出低電平信號(hào)。放電控制電路接收到低電平信號(hào)后，器控制放電回路斷開(kāi)。當(dāng)電池電壓大于12.1時(shí)，比較器輸出高電平信號(hào)。放電控制電路接收到高電平信號(hào)后，其控制放電回路閉合。

3.3.4 顯示電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選擇的是一款制作各類單片機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)常會(huì)用到的顯示屏LCD1602。它是一種專門用于顯示各類字母、符號(hào)及數(shù)字的顯示屏。型號(hào)中的1 602代表的就是它能顯示的字符量，即顯示兩行字符，且每行能顯示16個(gè)字符，很適合本次設(shè)計(jì)。

4 步進(jìn)電機(jī)控制策略設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制主要是由于傳感器判斷識(shí)別垃圾種類之后，給予單片機(jī)一個(gè)對(duì)應(yīng)垃圾種類的電平信號(hào)。有了這個(gè)電平信號(hào)之后，單片機(jī)執(zhí)行程序，輸出對(duì)應(yīng)垃圾種類的脈沖數(shù)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收方波數(shù)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)此垃圾對(duì)應(yīng)的角度，完成垃圾分類任務(wù)。

需要判定四種垃圾種類，所以產(chǎn)生的方波數(shù)有四種，計(jì)算過(guò)程為：

選擇步距為1.8°的電機(jī)，采用1/4步驅(qū)動(dòng)，得：

其中，為需要電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，為需要的脈沖數(shù)。

我們需要步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度分別是60°、120°、160°和240°。代入上式得到我們的脈沖數(shù)為：旋轉(zhuǎn)60°需要133個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)120°需要266個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)160°需要355個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)240°需要533個(gè)脈沖，只要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器收到對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，就能對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

4.2 控制電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用的是用L297和L298組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。其原理圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

從上圖中可以看出，L297與單片機(jī)之間只有兩處連接，CCW和CLOCK。其中單片機(jī)通過(guò)CCW控制步進(jìn)電機(jī)方向，通過(guò)CLOCK的時(shí)鐘信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的速度。

5 系統(tǒng)仿真

仿真總圖如圖5所示。

圖5 仿真總圖

總仿真圖基本實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的大部分功能。分別是傳感器模塊、超聲波測(cè)距模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊以及LCD1602液晶顯示器仿真模塊。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能供電電路及蓄電池充放電電路，并對(duì)光伏組件及蓄電池容量進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。在智能識(shí)別單元中，設(shè)計(jì)了多種傳感器的硬件電路，通過(guò)傳感器檢測(cè)垃圾的濕度，金屬性和透明度等信息來(lái)識(shí)別垃圾的種類。在中央處理單元中，選擇了STC89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，復(fù)位電路及晶振電路。由于本設(shè)計(jì)處于垃圾桶內(nèi)部，所以選擇了上電復(fù)位。通過(guò)軟件Keil4設(shè)計(jì)了各類元器件的程序，包括單片機(jī)、超聲波、LCD1602液晶顯示和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在Proteus中完成了整個(gè)系統(tǒng)的仿真搭建，由于部分傳感器在仿真元件庫(kù)中沒(méi)有，所以就用開(kāi)關(guān)代替這部分傳感器。通過(guò)觀察步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，證明本次仿真電路搭建及程序設(shè)計(jì)運(yùn)行良好。