基于STC單片機(jī)的智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)

朱東南，陳育中

（南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇南京 210019）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，人口的增加，消費(fèi)水平逐步提高，同時(shí)伴隨著大量垃圾的產(chǎn)生，如果垃圾不能及時(shí)分類處理，城市就會(huì)受到被垃圾包圍的威脅。目前，不少城市已經(jīng)推行垃圾分類，智能分類垃圾桶在垃圾分類工作中起到很重要的推動(dòng)作用，經(jīng)過垃圾分類投放、分類收集、分類運(yùn)輸、分類處理等環(huán)節(jié)將有回收價(jià)值的垃圾進(jìn)行回收再利用，變廢為寶。智能分類垃圾桶的使用不僅可以提高垃圾分類工作效率，還可以減少清潔工人的工作量。正確運(yùn)用智能分類垃圾箱進(jìn)行垃圾分類，是實(shí)現(xiàn)垃圾減量化和資源化的重要途徑和手段，是有效處置垃圾的科學(xué)管理方法[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章基于STC8A8K64D4 單片機(jī)，設(shè)計(jì)一款符合現(xiàn)代需求的智能分類垃圾桶。能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開蓋關(guān)蓋、語(yǔ)音播報(bào)、垃圾稱重、火源檢測(cè)、垃圾分類提示等功能。當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到自動(dòng)開蓋障礙物信號(hào)，系統(tǒng)開啟語(yǔ)音播報(bào)并自動(dòng)打開垃圾桶蓋。語(yǔ)音播報(bào)包含障礙物距離、垃圾當(dāng)前溫度、垃圾重量、垃圾種類等信息。當(dāng)檢測(cè)到垃圾當(dāng)前溫度高于設(shè)置的報(bào)警溫度時(shí)或檢測(cè)到垃圾裝滿時(shí)，語(yǔ)音報(bào)警。當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)不到障礙物信號(hào)時(shí)，關(guān)閉垃圾桶蓋。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要有：電源電路、溫度檢測(cè)電路、紅外檢測(cè)電路、稱重感應(yīng)電路、超聲波測(cè)距模塊、語(yǔ)音播報(bào)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、動(dòng)態(tài)顯示電路等。

2.1 單片機(jī)選擇

STC8A8K64D4 系列單片機(jī)是宏晶公司（STC）2021 年推出的寬電壓工作范圍的1T 單片機(jī)，該系列單片機(jī)工作電壓為1.9～5.5V，相比STC15系列增加了I2C、LCM 接口，所有IO 口均可中斷，增加了DMA 外設(shè)，且ADC 外設(shè)增加為3 個(gè)引腳（AVcc、Agnd、AVref）提高了采集精度[2]，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 電源電路

系統(tǒng)中STC單片機(jī)的工作電壓為5V，因此采用三端穩(wěn)壓器LM7805 將輸入9V 電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V。同時(shí)，稱重感應(yīng)電路中的運(yùn)算放大器需要±9V電源供電，所以采用一款電源管理芯片ICL7660S，它可以很方便地將輸入的正電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的負(fù)電壓，電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.3 溫度檢測(cè)電路

NTC（Negative Temperature Coefficient）溫度傳感器的電阻隨溫度上升顯著減小、是具有負(fù)溫度系數(shù)特點(diǎn)的熱敏電阻器。它是以錳(Mn)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、銅(Cu)和鋁(Al)等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成。

熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系是近似符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律的，并可做出電阻-溫度特性曲線，阻值與溫度成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用NTC溫度傳感器熱敏電阻器的這一阻溫特性，可由測(cè)量電阻值而推算出溫度的高低[3]。

系統(tǒng)通過對(duì)單片機(jī)口P1.3 進(jìn)行AD 采樣，計(jì)算出P1.3 管腳的電壓值，再根據(jù)電路原理?yè)Q算成電阻值，再根據(jù)NTC 阻值溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表，得出相應(yīng)溫度值，溫度檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測(cè)電路

2.4 紅外檢測(cè)電路

紅外檢測(cè)電路主要用于檢測(cè)垃圾桶是否裝滿。電路主要由紅外傳感器和電壓比較器構(gòu)成。調(diào)節(jié)RP101，使得紅外反射傳感器IR1 在沒有物體擋住時(shí)，U2 的1 腳輸出高電平；當(dāng)紅外反射傳感器IR1前面有物體擋住時(shí)，U2 的1 腳輸出低電平，D101 被點(diǎn)亮，單片機(jī)查詢P1.2 管腳為低電平時(shí)，觸發(fā)語(yǔ)音播報(bào)“垃圾已滿”，紅外檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 紅外檢測(cè)電路

2.5 稱重感應(yīng)電路

電阻應(yīng)變式稱重傳感器基于以下原理：彈性體（彈性元件、敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程[4]。

系統(tǒng)通過對(duì)單片機(jī)口P1.4 進(jìn)行AD 采樣，計(jì)算出P1.4 管腳的電壓值，并根據(jù)電壓值計(jì)算出相應(yīng)重量，電路中RP601 為差分信號(hào)零電位校準(zhǔn)，VP 電壓信號(hào)為增益校準(zhǔn)。比如秤上放入50克砝碼，校準(zhǔn)VP，使得VOUT 輸出信號(hào)為50mV。放入100 克砝碼時(shí)，VOUT會(huì)輸出100mV。稱重感應(yīng)電路如圖6所示。

圖6 稱重感應(yīng)電路

2.6 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距原理：通過超聲波發(fā)送探頭發(fā)送超聲波、途中遇到障礙物立即返回，根據(jù)超聲波接收探頭接收到超聲波的時(shí)間差，計(jì)算實(shí)際障礙物距離[5]。

系統(tǒng)是通過與超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行串口通訊獲取距離參數(shù)。超聲波測(cè)距模塊原理如下，單片機(jī)STC15W408S的管腳P3.7發(fā)送40 kHZ的脈沖信號(hào)，接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過CX20106濾波及放大，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的信號(hào)電壓，并送至單片機(jī)管腳P3.2，單片機(jī)根據(jù)P3.7發(fā)送及P3.2接收信號(hào)的時(shí)間差，計(jì)算出物體距離，超聲波測(cè)距模塊如圖7所示[6]。

圖7 超聲波測(cè)距模塊

2.7 語(yǔ)音播報(bào)電路

系統(tǒng)通過與語(yǔ)音模塊進(jìn)行串口通訊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。語(yǔ)音模塊所采用的主CPU 為KT404C，用戶通過電腦USB 口將語(yǔ)音文件下載進(jìn)W25Q80 存儲(chǔ)器中，并形成相應(yīng)播放序號(hào)，主板通過串口將要播放的序號(hào)傳入KT404C 芯片，KT404C 芯片根據(jù)序號(hào)，讀取相應(yīng)語(yǔ)音文件，并通過功放芯片HAA2018 完成語(yǔ)音播報(bào)功能。

2.8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)中開關(guān)垃圾桶蓋是通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H 橋驅(qū)動(dòng)電路[7]。當(dāng)控制段M1 為低電平，M2為高電平時(shí)，三極管Q501和Q504導(dǎo)通，電機(jī)1 號(hào)腳接正電壓，電機(jī)2 號(hào)腳接地；當(dāng)控制段M1 為高電平，M2為低電平時(shí)，三極管Q502和Q503導(dǎo)通，電機(jī)1號(hào)腳接地，電機(jī)2號(hào)腳接正電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上電后，進(jìn)行硬件相關(guān)初始化，然后進(jìn)入循環(huán)執(zhí)行程序和中斷執(zhí)行程序。中斷程序主要進(jìn)行串口的接收和發(fā)送，按鍵的識(shí)別。循環(huán)執(zhí)行程序主要工作：進(jìn)行管腳掃描，查看紅外是否觸發(fā)，若有則形成語(yǔ)音播報(bào)串口報(bào)文，交由中斷程序處理；讀取管腳P2.2、P2.3、P2.4、P2.5，判斷出垃圾類型；讀取AD 通道值，計(jì)算溫度和稱重值；根據(jù)串口讀取的超聲波模塊數(shù)據(jù)，得到障礙物距離測(cè)量值；根據(jù)中斷程序識(shí)別出的按鍵值，執(zhí)行按鍵處理程序，進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)、數(shù)碼顯示（溫度、距離、稱重、設(shè)置參數(shù)）、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等功能；根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，點(diǎn)亮或熄滅指示燈。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款基于STC 單片機(jī)的智能分類垃圾桶，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開關(guān)蓋、語(yǔ)音播報(bào)、垃圾稱重、火源檢測(cè)、垃圾分類提示等功能。在國(guó)家提倡發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下，該類型的智能分類垃圾桶對(duì)于推進(jìn)資源節(jié)約集約循環(huán)利用，對(duì)保障國(guó)家資源安全，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有十分重要的意義。