智能移动垃圾箱

1、智能可移动垃圾箱摘要在深入研究了现在垃圾箱的现状和市场需求后，我们设计出了基于NRF24L01的智能移动垃圾箱系统。该垃圾箱具有可移动、自动清扫、信息显示、应急照明、太阳能充电、自动开盖、自动倒垃圾等特点。系统的电源采用硬件自动控制，市电变压充电与太阳能充电相结合，同时采用了大容量铅酸蓄电池作为电能储备，保证系统的正常运行。通过运用单片机和各种传感器的使用与NRF24L01无线传输模块相结合，构筑了一个垃圾箱与基站相呼应的智能垃圾箱系统。使得整个系统更加的完整、统一和智能化。该智能垃圾箱着眼于公共场所的智能垃圾箱需求，又具有智能化程度高、成本较低、实用性强、性能可靠等优点，为构建数字智能化社会

2、贡献力量。关键词：智能，NRF24L01，移动垃圾箱，单片机，太阳跟踪。 第一章 前言1.1垃圾箱现状垃圾桶是人们生活中“藏污纳垢”的容器。垃圾桶是社会文化的一种折射。中文名称：垃圾桶。一种专门盛放垃圾、废弃物的容器。也有不少称作“垃圾箱”英文名称：garbage can /dustbin垃圾桶就使用场合可分为公共垃圾桶和家庭垃圾桶。就盛放垃圾形式可分为独立垃圾桶和分类垃圾桶。就加工材料可分为塑料垃圾桶、不锈钢垃圾桶、陶瓷垃圾桶、木质垃圾桶、水泥垃圾桶和纸浆垃圾桶等等。就开启方式有敞口式、揭盖式、踩踏开盖、感应式（红外线）等。公共垃圾桶，公共垃圾桶对环境有特殊的要求：在室外自然条件下能耐高低温

3、，有足够的机械强度和良好的冲击韧性。易清洁能够与环境融合。据调查，现在使用的垃圾箱主要存在以下问题：1、垃圾桶对垃圾的密封效果不好，导致垃圾桶附近异味较大，并且极易滋生细菌、寄生虫等，对人们的健康造成较大的危害。2、现有的垃圾桶不能自动处理桶内垃圾，经常出现大量垃圾溢出垃圾桶的现象，影响环境卫生，造成污染，危害人们的健康。3、现有的垃圾桶不能及时封装桶内垃圾，垃圾长时间裸露在外，环卫工人处理垃圾时与垃圾直接接触，增大环卫工人患病几率。4、现有的垃圾箱可移动性差，一般安装固定死。5、现有的垃圾箱功能单一，科技含量低。虽然，在我们日常生活中垃圾箱随处可见，形状也各式各样。经过多年的生产和专业设计垃

4、圾箱也变得的越来越人性化，随着现代科技的发展，人们生活水平的不断提高，也越来越被人们忽略。在计算机和各种传感技术高速发展的今天，各种智能仪器仪表，自动化设备也快速进入人们的日常生活中，各种智能机械设备为人类节省了不少的人力、财力资源，然而,以后智能化、自动化也将在各行各业得到更完美的应用，真正实现智能化社会。那么，可移动智能垃圾箱也是发展的一种趋势。1.2垃圾箱的发展传统的垃圾箱被定义为：垃圾箱是存放垃圾的容器,作用与垃圾桶相同,一般是方形或长方形。传统垃圾箱也是垃圾箱最本质的功能，但垃圾箱随着时间的发展，放在不同的地方而又有所不同，用不同的材料做成有所不同，功能也逐渐增多。垃圾箱按材质可分为

5、：塑料垃圾箱、环保垃圾箱、金属垃圾箱、钢目垃圾箱、不锈钢垃圾箱、卡通垃圾箱、铁皮、玻璃垃圾箱等；按形状可分为：户外塑料垃圾箱、户外分类金属垃圾箱、户外圆形、方形垃圾箱户外吊挂垃圾箱、户外圆形、方形玻璃垃圾箱等；按功能可分为：金属喷塑分类垃圾箱、阻燃垃圾桶、酒店垃圾桶、摇盖果皮箱、脚踏垃圾桶、木质分类垃圾箱、医疗垃圾桶、客房垃圾桶、广告果皮箱、感应垃圾桶、上投口垃圾桶、侧投口垃圾桶等。除传统垃圾箱外，目前市场中出现了不同种类的智能垃圾箱。现在市场上已经出现了一些技术成熟的智能垃圾箱，使用红外线等传感器件，当人们想仍垃圾时，手挡住传感器发出的电磁波或不可见光等，通过集成芯片检测到并控制垃圾箱的盖打

6、开或关闭，从而实现智能化。如：中国浙江台州市的欧本电子有限公司（OUBEN）制造的智能感应垃圾桶。除感应垃圾箱外，还出现了一种语音提示垃圾桶，它由桶身、桶底语音装置构成；桶身为中空圆柱体状；桶底将桶身下端密封固定；语音装置固定与桶底内，设有露出桶底下表面的开关及喇叭，语音装置通过分布于桶底上表面的压力传感器采集信号。本实用新型在垃圾桶上附加语音装置，当垃圾桶装满时发出语音提醒人们及时清理，确保周边环境卫生。虽然这些产品已不用手自己开盖，也具备了一些语音功能显得更人性化。但要想垃圾箱真正实现智能化，这些还只能算是第一步。1.3市场需求垃圾箱在我们日常生活中扮演这重要的角色，为环境保护也作出了卓越

7、贡献，也正是为了方便人们将随时产生的废弃物仍到规定的地方，一般平均两个垃圾箱的距离不会超过100米。可想而知人类对垃圾箱的需求量之大，随之生产垃圾箱的厂家也比比皆是。由于传统垃圾箱和现有的智能垃圾箱功能都较单一，虽然能满足人们的日常需要，但在这科技高速发展的今天，不免显得有些死板。随着全球智能化的发展，更多功能的智能垃圾箱的应用指日可待。本文将提到一种新型全智能可移动垃圾箱，让垃圾箱真正的实现智能化，人性化，实现垃圾箱的一场革命。1.4本智能垃圾箱的功能与特点1. 智能垃圾箱的底座上装有2个带电机驱动的普通轮和一个全向轮使其具有可移动性，可以通过单片机程序控制按规定的路线行驶，也可以在一个规定

8、的场所任意行走。由于在垃圾箱底面和侧面装有红外传感器，因此在任意行走时，碰到行人、障碍物和地面不平等时会自动转向。保证了在工作中的安全性和稳定性。2. 自动清扫，在垃圾箱的底部按有毛刷转轮和一个小型垃圾盒，当垃圾箱移动时可以将路过的小型垃圾和灰尘扫进垃圾盒。垃圾箱自动清扫功能，打破了长期以来的人力清扫，提出了将吸尘器设备与垃圾箱相结合的创新理念。节省了大量的人力物力资源，使清洁具有了更强的规律性。3. 语音功能，当人们扔垃圾时，垃圾箱可以自动发出”好样的！、你是最棒的！保护环境，人人有责、谢谢！”等提示语。似的垃圾箱更人性化，为人们生活增添乐趣，添加扔垃圾的兴趣，提高人民环境保护意识。4. 显

9、示模块，在垃圾箱的正面斜前方分别装有点阵和数码管。点阵可以移动显示字幕，可以用来显示“亲：请不要乱仍垃圾哦！保护环境人人有责。天气转凉，注意身体！”等标语，也可用于商业广告等宣传和通知。垃圾箱内部拥有温湿度传感器，数码管用来显示及时温度和湿度、时间和日期，甚至可以显示当地的经纬度等，为人民提供了方便。5. 应急照明，垃圾箱前方有2个大功率LED照明灯，当遇到突发事件是可以通过蓄电池照明。6. 太阳能自动充电蓄电，垃圾箱上面拥有一块大功率太阳能电池板和2个步进电机构成的太阳能跟随器。可以自动任意旋转，自动寻找太阳光最强的方向使其太阳能吸收率达到最高，然后将太阳能转化为电能储存在蓄电池内。7. 自

10、动开盖，自动倒垃圾。在垃圾箱盖处有红外释热模块，可以检测到人们仍垃圾时自动开盖，然后5秒钟后自动关闭垃圾盖，使垃圾与外界完美的隔离，不让垃圾异味散发出来污染空气。垃圾箱的后面设置了到垃圾的门，当检测到专门的垃圾回收盒时，控制门的电机将会自动转动将门放下与回收盒结合，垃圾通过门进入垃圾回收盒，倒完垃圾后电机反转将门关闭。8. 自动回航倒垃圾充电，垃圾箱上装有5个激光传感器和陀螺仪。当系统检测到电量不足和垃圾装满时通过不同方位的激光传感器接收到的信号，自动定位寻找到充电站进行充电和到垃圾。图1-1可移动智能垃圾箱系统设计框图综上所述智能可移动垃圾箱是社会走向现代化的必备产品。而国内外智能垃圾箱目前

11、功能还比较单一，功能不够完善。并且，现在市场上智能垃圾箱较少。针对垃圾箱走向智能化，我们特设计出多功能智能垃圾箱。而基于NRF24L01的数据通信，能比较好的解决数据通信问题。总之，我们通过自己的硬件、软件创新，设计和制作出了基于NRF24L01的智能垃圾箱系统。第二章 背景知识介绍本部分将着重介绍NRF24L01无线传输、单片机、各种传感器等涉及到的背景知识。从它们的基本定义、基本术语到发展运用领域，以及以后的运用展望作一个基础性的概述。2.1 NRF24L01无线传输2.1.1 NRF24L01概述nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段

12、。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。2.1.2 NRF24L01工作原理发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保

13、持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且

14、CE为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。2.1.3 跳频功能的实现由于2.4G频段没有使用授权限制，目前家用电器、手机、无线网络都集中在此频段，干扰问题难以避免。如何避开在家庭市场中易与其它无线传输间（Bluetooth、HomeRF）发生干扰成了首要解

15、决的问题。 跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)是在2.4GHz频带以一定的频宽将其划分为若干个无线电频率信道（Radio Frequency Channel；RFC），并且以使用接收和发送两端一样的频率跳跃模式（Frequency Hopping）来接发讯号及防止数据撷取。其工作原理是，收发双方传输信号的载波按照预定规律进行离散变化。以达到避开干扰，完成传输。简单的说，跳频技术FHSS不是抑制干扰而是容忍干扰。图3是跳频实现的流程图。2.2 单片机2.2.1单片机简介单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分

16、支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如

17、CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。2.2.2单片机的发展1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。

18、 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。 1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。

19、 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。 1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。 20世纪80年代

20、初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。2.2.3单片机的运用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习

21、、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。2.2 传感器技术2.2.1激光“激光”，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意为“受激发射的辐射光放大”，激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。它的原理早在 1917 年已

22、被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的 出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。激光的特点概述：第一，激光是一种颜色最单纯的光。太阳光和电灯光看起来似乎是白色的，但当让它通过一块三棱镜的时候，就可以看到红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的光，其实，还含有我们看不见的红外光和紫外光。激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮

23、度极高。 第二，激光的方向性好。在发射方向的空间内光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千万倍，甚至亿 万倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热，成为无坚不摧的强大光束。平 时，我们见到的灯光，都是向四面八方发光，就好像电影院散场后，大家前前后后地向着四面八方以不同步伐走出来。打开室内的电灯，整个房间都照亮了。又如， 打开手电筒，在发出的部位，直径不过35厘米，待射到几米之外后，就扩展成一个很大的光圈。这说明，光在传播中发散了。 然而，激光却不同，它是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为。激光在传播中始终像一条

24、笔直的细线，发散 的角度极小，一束激光射到38万千米外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右。第三，激光亮度最高。太阳是人类共有的自然光源，整个世界沐浴在明亮的阳光之下。太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。激光的出现，更是光源亮度上的一次惊人的飞跃。 一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。从地球照到月亮上在反射回来也不成问题。可见激光是当今世界上高亮度的光源。 第四，激光还可以具有很大的能量，用它可以容易地在钢板上打洞或切割。在工业生产中，利用激光高亮度特点已 成功地进行了激光打孔、切割和焊接。在医学上、利用激光的高能量可使剥离视网膜凝结和进行外科手术。在测绘

25、方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星 大地测量。在军事领域，激光能量提高，可以制成摧毁敌机和导弹的光武器。因此激光在人们生产生活中得到了广泛应用。2.2.2红外传感器红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由英国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒介。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线

26、，波长为(0.75-1)(2.5-3)m之间；中红外线，波长为(2.5-3)(25-40)m之间；远红外线，波长为(25-40)l000m 之间。 近红外线或称短波红外线，波长0.761.5微米，穿入人体组织较深,约510毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。红外线特点：(1)通过辐射传导热能;有极强的穿透能力，可使物体快速被加热;不被大气所吸收，因此不产生浪费;不受周边环境的影响(如潮湿、温度高低等);(2)热效率高：在加热的过程中没有化学损失和物理损失，在热传递过程中热能损失少利用率高，浪费少。鉴于红外线的特点应用及其如：1.红外线开

27、关，红外线开关有主动式和被动式。主动式红外线开关由红外发射管和接收管组成探头，当接收管接收到发射管发出的红外线时，灯关闭;人体通过挡住红外线时，灯开启。被动式红外线开关是将人体作为红外线源(人体温度通常高于周围环境温度)，红外线辐射被检测到时，开启照明灯。还有常见的红外感应龙头也是应用了这种原理。2.医疗保健，在红外线区域中，对人体最有益的是4 m 14 m波段，它有着孕育宇宙生命生长的神奇能量，所有动、植物的生存、繁殖，都是在红外线这个特定的波长下才得以进行，因此许多专家、学者称之为“生育光线”。远红外纺织品是近年来新兴的一种精密陶瓷粉经特殊加工制成，具有活化组织细胞、促进血液循环和改善微循

28、环、提高免疫力、加强新陈代谢、消炎、除臭、止痒、抑菌等功能。3.遥控器，不少家用电器都配有红外线遥控装置.当遥控器与红外接收端口排成直线，左右偏差不超过15度时，效果最好。4.红外接口，越来越多的电子设备装配了红外端口，支持无线传输，避免了通过电缆连接的累赘.如利用红外线可通过手机上网。5.防盗装置，由红外线发射机和红外接收机组成.红外线发射机发射的红外线光束构成了一道人眼看不见的封锁线，当有人穿越或阻挡红外线时，接收机将会启动报警主机，报警主机收到信号后立即发出警报。6.红外遥感，在漆黑的夜晚应用红外遥感设备可以探测各种矿藏。我国利用红外遥感照片，调查了地热资源和放射性矿藏等资源。7.红外侦

29、察，侦察卫星携带红外成像设备可获得更多地面目标的情报信息，并能识别伪装目标和在夜间对地面的军事行动进行监视;导弹预警卫星利用红外探测器可探测到导弹发射时发动机尾焰的红外辐射并发出警报，为拦截来袭导弹提供一定的预警时间。8.红外制导，红外制导就是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，以提高命中率。红外线在航空、航天、军事装备遥控遥感等高科技领域和加热、保温、食品烤制、取暖、医疗保健等日常生活领域都得到广泛的应用;以各种气体为热源的红外加热技术已被广泛采用，全新红外线光波辐射加热燃气灶应运而生。2.2.3超声波传感器超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集

30、中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声波的产生及特点：声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式

31、在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 25兆Hz之间，常用为33.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=106Hz,即每 超声波熔接器秒振动100万次，可闻波的频率在1620，000HZ 之间）。超声波是声波大家族中的一员。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声

32、波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，

33、且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 频率高于2×10赫的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。2.2.4温湿度传感器传感器是一种以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。如果传感器进一步对此输出信号进行处理，转换成标准统一信号（例如：4-20mA或1-5V；0-

34、10mA或0-5V等）时，此时的传感器一般称为变送器。 国家标准是这样定义“传感器”的：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。常用于在温湿度传感器特性范围内，各种场合的温湿度测试。第三章 系统硬件设计本章将详细介绍该智能垃圾箱的硬件设计。其中包括：各个电路模块的构建，以及各种可选方案的分析、对比，到最后方案的确立。本章还将阐述硬件电路的工作原理、运行机制。在人机界面上，还将介绍本垃圾箱硬件的操作说明。3.1电源系统在智能可移动垃圾箱的设计中，需要解决该系统的一个重要问题：能源。由于该垃圾箱在进行清扫运行过程中耗能较高，因此我们需要一个容

35、量很大、易充电、工作平稳的蓄电池作为垃圾箱的电源。由于铅蓄电池放电时电动势较稳定、能够提供较大的瞬间启动电流、使用温度及使用电流范围宽、能够经历数百次充放电循环、贮存性能好、价格较便宜，我们结合系统需要，又考虑到经费问题，因而我们选择了一款12V、7.5AH的铅酸电池作为垃圾箱的电源。由于考虑到节约能源和环保等方面的问题，我们采用了市电变压后对电池充电和太阳能充电这两种充电方式作为垃圾箱的能源补给方式。电源系统组成：蓄电池市电充电模块太阳能充电模块系统电源分配模块下面主要介绍各个模块的方案形成与模块功能3.1.1 蓄电池 蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用

36、。它的工作原理就是把化学能转化为电能。在智能垃圾箱系统它可以给整个系统提供能源，由于其可充电性、和储能性为智能垃圾箱可移动的实现提供的方便。3.1.1.1 蓄电池要求该智能垃圾箱需要一个容量很大、电压12V、易充电、工作平稳的蓄电池作为垃圾箱的电源。3.1.1.2 电池方案论证方案一：使用多节锂离子充电电池组合成12V的供电电源。此方案由于使用多节充电干电池组合电池组，充电麻烦，干电池串联充电较困难，且干电池在使用过程中电流较大时发热严重，不利于系统稳定的运行，以及成本较高，所以此方案不太令人满意。方案二：使用聚合物锂离子电池。聚合物锂离子电池非常轻薄，手机、相机、移动电源等数码产品中运用广泛

37、。具有容量大、形状可定制、重量轻、放电性能好等优点。但是使用时要小心。聚合物锂离子电池，在充电过程中，很容易发生，短路情况。虽然，现在大多数锂离子电池，都带有防短路的保护电路。还有防爆线。但很多情况下，这个电路在各种情况下，不一定会起作用。防爆线能起的作用，也很有限。聚合物锂离子电池，如果，充电时间过长，发生的爆炸的可能性就会加大。锂的化学性质非常活泼，很容易燃烧，当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸， 非常危险。由于价格昂贵，安全性能还需提高。所以我们放弃了此方案。方案三：使用大容量铅酸

38、蓄电池。由于铅蓄电池放电时电动势较稳定、能够提供较大的瞬间启动电流、使用温度及使用电流范围宽、能够经历数百次充放电循环，使用寿命长、贮存性能好、使用较安全、充电简单、价格较便宜，我们结合系统需要，又考虑到经费问题，因而我们选择了一款12V、7.5AH的铅酸电池作为垃圾箱的电源。3.1.2 市电充电模块该模块将市电220V的交流电变压到低压状态，然后经过整流、稳压，然后再通过充电电路将电能储存到蓄电池中。3.1.2.1 市电充电模块组成框图图3-1 市电充电模块框图3.1.2.2 调压部分此部分负责将民用电网220V交流电降压到15V、12V、9V、5V，一是可以供充电电路为蓄电池充电；另外还可

39、以为系统基站的其他用电器供电。（1）调压部分电路图：图3-2 调压部分电路图图3-3 调压部分PCB图（2）调压部分电路说明市电经过变压器变压到18V的交流电。然后经过整流桥整流。单相桥式整流电路可以将单相交流电变换为直流电；整流后的电压脉动较大，需要滤波后变为交流分量较小的直流电压用来供电；滤波后的输出电压容易随电网电压和负载的变化波动不利于设备的稳定运行；将输出电压经过稳压电路后输出电压不会随电网和负载的变化而变化，从而提高电源的稳定性和可靠性，保障设备的正常使用。在稳压电路中我们使用了四个三端稳压管串联将电压逐级降压，电压由18V到15V到12V到9V最后到5V，这样逐级递减的设计减小了

40、电压单独在每个稳压器上的压降，减小了耗散功率，使稳压器在大电流下不至于压降发热过大而烧毁，提高了电源的可靠性。与此同时也为整个系统提供了电压不同的电源端口，以满足各种场合对电源的需求。3.1.2.2 充电部分铅酸蓄电池的制造成本低、容量大、价格低廉，使用十分广泛。由于其固有的特性，若使用不当，寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命，为系统正常工作提供保障。因此，设计一种智能型铅酸蓄电池充电器是十分必要的。我们采用了两个阶段充电模式：直充和浮充。通过NE555组成的“滞回比较器”来检测蓄电池的电压，进入不同的充电阶段。直充电：此阶段充电器以恒

41、定电压对蓄电池进行充电。充电开始时电流很大，随着电池端电压上升，充电电流按指数规律下降，有利于延长电池使用寿命，不过充入电量约在90%左右，不能有效地给电池充足电。浮充电：也叫涓流充电，主要作用是补充蓄电池自放电所消耗的能量，使电池能接近100%容量。充电电压仅略高于蓄电池组的断路电压且维持恒定，充电电流很小，并逐渐减小到0。电路的核心是由NE555组成的“滞回比较器”，R8、R16、R12和R9构成取样电路，LED1LED3为充电状态指示。电瓶的充电用继电器连接，使通断更为可靠。S4、S5为轻触开关，可以用来手动控制充电进程，使电路变得更加灵活方便。（1） 充电部分电路及PCB图：图3-4

42、充电部分电路图图 3-5 充电部分PCB图（2） 充电部分电路说明：本电路核心是NE555定时器电路，当电瓶处于欠压状态(如1OV)时，取样电路输出的电压低于NE555组成“滞回比较器”的下限。此时，NE555的脚输出高电平，VT0导通，继电器吸合(与J2相接)，电源经R3向电瓶充电，此时充电电流较大；经过一定时间，电瓶电压随充电过程逐渐升高，当高于预先设定的电压值(如137V)时，取样电路输出的电压高于NE555组成“滞回比较器”的上限。此时，NE555的脚输出低电平，VT0截止，继电器释放(与J1相接)，电源经R1和LED2向电瓶提供微弱的补充电流，此时电流很小。若将电瓶放电，则当电瓶电压

43、再次低于所设定的下限时，电路才再次翻转为充电状态。因此，在这个过程中存在一个回差，这就是“滞回”的意思。在电瓶电压经取样后处于滞回上、下限之间时，无论电路处于哪种状态，按下S1，电路都会强制转为充电状态；按下S2，则强制退出充电。这个功能对应急补充电和闲时节能都很有意义。根据原理：当LED1点亮时，表示正在充电；当LED1熄灭而LED3和LED2点亮时，则表示电瓶为正常荷电状态。根据LED2的亮度还可以判断电瓶荷电的多少，以此方便我们判断电池处于的状态。调试方法:首先，将电路继电器1脚处断开，接上电源，用数字表测得NE555的脚电压应恒为8V左右。此时，用一个标准的稳压电源替换蓄电池接在P12

44、两端。注意电压极性，P12第一脚为正，第二脚为负。把标准稳压电源电压调至相应电瓶电压预定的最大值(如13.7V)，然后调节R12，使R12滑动端电压输出与测得脚的电压值(如8V)相等。然后将标准稳压电源电压降低至相应电瓶电压预定的最小值(如10.5V)，调节R16，使R16滑动端输出为脚电压值的一半(如4V)。电压基本调准以后，将标准稳压电源的电压从8V左右缓慢调至15V，然后再缓慢降至8V。同时用数字表跟踪P12两端的电压。就会发现首先是LED1亮，在电压升至13.7V左右时，LED1熄灭而LED2点亮，再降至10.5V左右时，电路又翻转为最初的状态。3.1.3太阳能充电模块太阳能是地球上最

45、清洁的能源之一，在我们的垃圾箱上使用太阳能充电体现了环保的主题，也为垃圾箱的智能化提供了很好地保障。3.1.3.1太阳能简介太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、等也都是

46、由太阳能转换来的。太阳能的优点：（1）普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。 （2）无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。 （3）巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。 （4）长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。太阳能缺点：（1）分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。（

47、2）不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的。（3）效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。3.1.3.2太阳能充电器设计系统的开发是用单片机组成应用系统从任务提出到设计定型、制造调试、直到使用的整个过程。在单片机控制系统的开发和设计中，首先要明确设计要求。即确定系统的功能指标，然后制定系统方案，最后是方案的实施。单片机控制的丰要内容包含总体设计、硬件开发、软件开发及样机联调等。硬件开发时要先设计、绘制原理图，根据系统的各项技术指标独

48、屯进行软件设计；还要根据所设计的原理电路，综合考虑系统的性能和计算要求，合理布置元器件。再进行印刷电路板的设计，最后将元器件仔细核对后焊接在线路板上。然后用万用表、逻辑测试笔、示波器等仪器对硬件线路进行检查排错，必要时借助仿真器进行硬件调试。在完成硬件和软件的分别调试后就可进行联机调试，进一步排除软、硬件的错误和不足，发现设计中的错误之处及时修正，直至所设计的系统达到预期的要求。太阳能充电器是将太阳能转换为电能以后存储在蓄电池里面的一种装置。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。虽然太阳能具很多优点，但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的

49、来说，经济性还不能与常规能源相竞争。所以在我们的系统中为了提高太阳能的利用率，单独设计制作了一款实用型太阳跟随器，以此来增加太阳能帆板接受光照的强度和时间。这里要实现的功能是太阳自动追踪装置，通过大量的查阅资料以及研究世界范围内目前所实现的太阳追踪装置，在此基础上，为能更好的实现自动追踪系统的功能，采取了一系列措施：(1)采用STC89C52单片机作为控制电路的核心。(2)光电检测部分采用光敏电阻作为传感器，每两个光敏电阻组成一个比较电路，通过放大器将信号传给单片机的IO口，以达到有效的控制。(3)利用由光敏电阻组成的比较电路来判断是白天还是黑夜，若是黑夜就启用中断处理程序，进入等待状态，若是

50、白天则程序继续运行。(4)利用光敏电阻来判断晴天还是阴天，晴天时采用光电检测追踪模式，阴天时启用太阳角度追踪模式。(5)显示部分采用74LS245芯片来驱动8位LED数码管，用来显示跟随器状态。(6)控制部分首先将单片机发出的信号放大，然后发送给电动机，电机获得信号后发生动作，从而实现追踪的功能。其设计框图如下图。图 3-6 太阳能充电模块框图3.1.3.3太阳跟随器方案论证方案一：压差式跟随器压差式跟随器原理是：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使跟随器重新对准太阳。根据密闭容器所装介质的不同，可分为重力差式、气压差式和液压式。该机结构简单，制

51、作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是，该机构只能用于单轴跟随，精度很低。方案二：比较控制式太阳光跟随器利用光敏电阻在光照射时阻值发生变化的原理，将四个完全相同的光敏电阻分别放置于太阳光接收器的东南西北方向的边沿处。如果太阳光垂直照射太阳能接收器时，东西（南北）两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光与接收器的法线有夹角时，接受光强多的光敏电阻阻值减小，信号采集电路可以采集到光敏电阻的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。但是这类跟随器不

52、能适应自然界中光线的变化，更随效果不太理想。方案三：单片机控制式太阳跟随器同样利用光敏电阻在光照射时阻值发生变化的原理，将八个完全相同的光敏电阻成对分别放置于太阳光接收器的东南西北方向的边沿处。成对的光敏电阻可以根据环境光线的强弱进行自动补偿，以提高检测的精度。每个方向上都有一个比较器，设置一个基准电压，因为每个方向上的补偿光敏电阻可以抵消个方向上的差异，提高精度。比较器然后输出到单片机，单片机经过计算，计算出现在太阳能电池所处的状态，并发出正确的控制指令驱动步进电机转动，以对准太阳。其优点是有环境光线补偿，精度更高。用单片机控制，是控制的精度更高，是系统更显智能化。所以我们选用了此方案。3.

53、1.3.4太阳跟随器原理及设计传感器设置及原理图 3-7该跟随器的传感器部分具体结构见图3-7：设置一个黑色（黑色物质对光的反射能力最差,有利于消除漫反射对精度的影响）圆筒形外壳，在圆筒内部东、南、西、北四个方向上分别布置4组光敏电阻。其中两对对光敏电阻（1、2）和(3、4)东西对称安装在圆筒的两侧，用来检测太阳由东往西运动的偏转角度及方位角；另两对光敏电阻（5、6）和(7、8)南北对称安装在圆筒的两侧，用来检测太阳的视高度及高度角。在圆筒内部东、南、西、北四个方向上也分别布置4个光敏电阻2、3、6、7是对各个方向上的环境光线的检测，当太阳光照方向发生变化时，贴近圆筒的四只光敏电阻接受光照首先

54、发生变化，太阳光线向那个方向偏转，该方向上的光敏电阻由于圆筒的影子遮挡就不能接受光照，电位就发生变化以此来和同组靠中间的光敏电阻作比较，这样就确定了太阳的偏转方向。该跟随器对太阳的高度角和方位角进行双轴跟随，现在单独研究对方位角进行跟随的工作原理，假设太阳高度角是不变的，即假设圆筒是始终在高度方向对准太阳的。当太阳光线以与传感器板垂直的方向照射到传感器上，四组光敏电阻接收到的光照度相同。负反馈比较电路的输出值为1。当太阳光偏离垂直方向一个较小的角度时，2、3这两个光敏电阻可能受环境散射光的影响，不会反映出太阳光线的变化；而1、4这两个光敏电阻受到了黑色圆筒对环境散射光的屏蔽保护以及自身影子的遮

55、挡，它们接收的照度会出现差值，这就是偏离信号。该信号经放大后送入控制单元，控制单元开始工作，控制自动跟随其调整太阳光接收装置的角度，直到太阳光接收装置对准太阳。当太阳光偏离了一个较大的角度时（日夜交替、阴雨天或者乌云过后），筒内的传感器可能接收不到太阳光，但是由于有圆筒影子，还是能够产生一定的差异，该差异经电路比较后送入控制单元，控制跟随器开始工作并快速的跟上太阳。高度角原理与此相同，这里阐述略。这样设置传感器的优点在于：设置了一个圆筒保护光敏电阻，它对外界环境的散射光及其他干扰光线进行了很大程度的屏蔽，使得外界的干扰光源对跟随效果的影响降到较低，提高了跟随精度。而圆筒内的传感器在太阳光微弱时

56、候也能够发挥功能，解决了乌云、日夜交替等对跟随效果的影响。通过对传感器设置结构进行优化配置，就能保证很好的跟随效果。传感器电路图及PCB图3-8传感器原理图图3-9 传感器PCB及实物图机械结构设置及原理跟踪器的结构如图3-10所示：步进电机A固定在底座上，在其转轴上用一个L型的直角座和步进电机B的转轴连接起来，这样就制成了一个各方向上可以转动的活动关节。最后再将太阳能电池板固定在步进电机B上面，这样就做成了一个云台。跟随器自动跟随原理：当太阳光线发生偏移的时候，控制部分发出控制信号驱动步进电机A转动,这样太阳能电池板就可以在底座这个平面上面转动，以达到跟随器跟随太阳方向角上运动。而步进电机B

57、在转动时可以使太阳能电池板在竖直方向运动，这样就可以实现对太阳进行高度角的跟随。系统特点：该跟随器构结构简单，造价低。对于方位角的跟踪，利用步进电机传动，能够提供足够大的动力。图3-10单片机控制部分单片机控制部分是整个太阳跟随器的核心,为跟随器能准确的确定太阳的位置提供逻辑判断。控制部件选择STC公司生产的STC89C52RC型单片机作为主控制芯片，选择ULN2003作为步进电机的驱动芯片，使用74HC245来驱动数码管。（1）单片机系统STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Fl

58、ash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。STC89C52是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。图3-11 跟随器单片机电路单片机电路包括复位电路、振荡电路(选择的比较常用的固定接法)、触碰按键电路(用来检测电机是否转到最大角度)。复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时，都需要先复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这