《基于单片机的智能垃圾桶设计》8200字（论文）

PAGEPAGE6基于单片机的智能垃圾桶设计目录TOC\o"1-2"\h\u5115第1章绪论 238101.1选题背景 2249251.2智能垃圾桶的研究现状 332741.3研究意义及学术价值 473191.4主要研究内容及方案 51765第2章系统的总体分析 6192092.1系统功能的设计 6176382.2系统各个模块功能的实现 6220522.3单片机的选型 728889第3章系统硬件的设计 1052803.1系统总体设计 10286793.2超声波测距模块 10251603.3独立按键 11133363.4报警模块 11253783.5复位电路 11199733.6步进电机 12135803.7温度传感器（DS18B20）电路 1366163.8本章小结 1411006第4章系统软件的分析 1520825第5章系统的组装与调试 16183195.1各种元器件的焊接组装 1612915.2通电测试 166256结论 17第1章绪论1.1选题背景城市垃圾在不断增长，人们不断的去消耗资源，毫无节制的生产生活。这就会出现废弃物，使现在的社会对可持续发展越来越重视，垃圾处理不仅可以使生活环境变好，资源并且能循环利用。回收利用是实现垃圾资源化的最有效途径，一套合适合理的回收系统凸显重要，更重要的是提高人们的环保意识REF_Ref18541\r\h[1]。在一些发达的国家已经实施了好几十年，效果很好。现在最重要的是如何很高效的处理这些垃圾，在英国，他们的政府在20世纪时，首先实施了回收垃圾的政策，智能垃圾桶在街道上随处可见。可循环利用资源的回收，现在全世界已经将垃圾回收为首要目标。然而“智慧城市”的提出，人们对生活质量的要求越来越高，街道垃圾桶的智能化已成为必然趋势REF_Ref19296\r\h[2]。图1.1各时期的垃圾桶的造型1.2智能垃圾桶的研究现状国内研究现状：在早期时候垃圾桶无论是形状、材料，还是功能上都比较单一，类似于土坑似的垃圾桶REF_Ref19459\r\h[3]。可以回收的垃圾桶的设置为有回收价值的垃圾提供了循环再利用的机会，垃圾的循环再利用率有了显著的提升。受到某些条件的约束，国内外垃圾桶仍有较大的差距。科技的发展水平和人们的综合素质等因素的影响，导致国内垃圾桶造价低廉、易损坏、质量不是很好，智能垃圾桶虽然很好，但是出现的时间晚，功能单一，控制相对而言比较简单。主要分为感应性垃圾桶、太阳能垃圾桶与商业广告垃圾桶。感应垃圾桶主要体现在红外线测距技术，或是超声波感应。当有人扔垃圾或者手在垃圾桶附近时，它就会有感应，把盖子自动打开，等到人走后，又会自动关闭盖子，智能垃圾桶的面世搞定了人们扔垃圾时，身体直接接触垃圾桶所造成的不方便。有效地减少了人们与细菌接触的几率，不仅卫生，也抑制了难闻气味的传播。然而这种垃圾桶功能比较单一，如果将带有自动翻盖、检测温度、高度等功能运用到一些公共的场所，一些没有这些智能控制系统的垃圾桶，因为它的便捷性受到一些人们的喜欢和青睐，而且带有这些功能的垃圾桶机械耗损程度较高，还有较大的进步空间REF_Ref20810\r\h[4]。垃圾桶的智能化已经发展了一段时间，但仍然存在很多问题有待解决，比如：细菌的滋生、垃圾桶的容量、污水的处理等等。垃圾的不同使垃圾桶也有了不同的变化，逐渐向美观化、便捷化、多功能化发展。国外研究现状：垃圾桶的智能化发展与世界文明发展息息相关。世界银行(WorldBank)的一份新的报告(WorldBank)题为:"多司2.0:全球固体保护公司(GlobalSolidManagement)"。2050年,世界正在慢慢沉入垃圾之中,今后垃圾生产水平将继续提高,垃圾处理也将成为重要事项。由于世界人数的不断上涨和城区建设的扩张，在2016年~2050年之间，垃圾排放量估计将会增加70%。必须发明智能垃圾箱,以实现高效、方便、低成本的垃圾处理。随着人们不断追求高质量的生活,现存的垃圾场不仅美丽,而且与环境和技术融合在一起。垃圾智能的发展与世界文明的发展密切相关。到2000年以后,人们制造的垃圾越来越多，以至于垃圾的过多给环境造成了非常大的危害。在2006年期间,美国纽约最早发明了太阳能垃圾桶，已经在街道上使用。研发人员在它上面放置太阳能板，然后把太阳光转化为电能。桶内设置电池组储存过剩的电能,如果万一在雷雨天气或晚上在没有太阳和环境非常糟糕的情况下无法用电，那么将会使用多余的电能继续工作。芬兰Enevo成立于2010年。通过超声波装置测得的垃圾桶内垃圾的数据，能够及时监控垃圾的满溢,同期进行数据的分析,工人们被告知如何清理垃圾最为简单,为垃圾处理和城市管理企业节省大量的人力和物力资源。垃圾桶内部的传感器装置监控到垃圾高度得到的数据，当高度大于阀值时,它会示意工作人员已经"满"了；倘若一直处于阀值以下，则表示"不完全"，同样传感器会检测桶内的温度。通过公司的数据统计，减少的车辆燃油费、定时维修费和人工的费用，减少了20％-40％运营费用，在此同时也保证城市环境的问题，减少了人力、物力、财力，而且还提高了利用率。1.3研究意义及学术价值1.3.1研究意义：到目前为止，全国城街道上的大部分垃圾桶是很简单的，人们还是需要主动的去直接接触垃圾桶，这种类型的设计在自身控制方面比较薄弱，况且现在还出现了分类回收垃圾，可回收垃圾的种类繁多，是很多人的盲区，分类的结果并没有达到人们想要的结果，回收后依然需要安排很多人力物力对其再次进行处理消耗了大量的时间；因此，我们必须要提高公民意识。使其对垃圾严重污染环境有一个很深刻的认识。智能垃圾桶因此而出现。随着经济的蓬勃发展，人们对垃圾桶的研究越来越深入，普通的垃圾桶与科技相结合，通过生活中的某些细节来使得节能环保的理念更加的深入人心，人们的生活质量水平就会逐渐提高。1.3.2学术价值目前来看，市场上的垃圾桶种类很多，各有优缺点。让人们满意合格的垃圾桶要做到性能的稳定、使用的寿命长、操作简单明了、使任何人都可以操作等特点。本产品的出现可以使人们扔垃圾完全不需要触摸垃圾桶，这样就可以预防间接感染，环卫、美观大方；周围没有异味，保证空气的新鲜，人们就会感觉很舒适。数据线插电，用电少，设备的有效寿命更长；密封性能好，随着人们对生活质量要求的不断提升，科技的进步。单一使用功能的垃圾桶已经满足不了现在人们的需求，尽管现在垃圾桶的品种非常多，可是人们更加注重垃圾桶的实用程度，此外也朝着体积小和科技高的方向发展，垃圾智能管理系统的设计与实现是一项以装载垃圾为基本功能的高度专业化、实用化的技术，在保障适用性的前提下利用科学技术生成更加便捷、稳定、环保、智能的产品。智能垃圾桶的出现解决了大多数的垃圾乱丢的现象，有效的较少了垃圾对人们和环境的污染，在大街上随处可见的垃圾桶时刻提醒着人们爱护环境，把垃圾随手扔进垃圾桶里。1.4主要研究内容及方案1.4.1主要研究内容这一次研究的问题，最重要的是使用MCS-51单片机设想并研发出一套智能垃圾箱。规定用单片机为控制中枢，通过红外传感器设备监控是否有人扔垃圾，伴随着垃圾桶盖自主的开启与闭合REF_Ref21375\r\h[5]。核心内容概括为:（1）红外传感器检测是否有人扔垃圾（2）垃圾桶满报警（3）步进电机驱动电路的设计1.4.2研究方案当有人靠近垃圾桶时，桶内的红外传感装置有所感应，步进电机动作，桶盖打开。当垃圾桶周围没有人时，5s后盖子就会自动闭合。里边的超声波装置检测到垃圾与桶顶部之间的间隔≤5cm时，蜂鸣器发出声光报警，桶内的垃圾就会被及时清除；垃圾桶内的温度传感器装置测得的数据≥35℃时，蜂鸣器发出声光报警，垃圾桶得到及时清理。

第2章系统的总体分析2.1系统功能的设计2.1.1设计要求要设计一款多功能、低功耗、经济又实用、易于推广的智能垃圾桶，寻要遵循以下几个条件：实用可靠 设计的垃圾桶不能一味的追求外表，必须从实际出发，实事求是，符合市场的需求，更要符合使用者的需求。低功耗从各个元器件入手，想要降低功耗，就要是减少集成电路方面的损耗，需要符合现在的节约型社会，要考虑到产品的环保是否达标，所选取的器件，在不影响产品功能的基础上尽可能的控制功耗，节约资源。低成本 选取一些比较性价比高的器件，从程序方面也可以进行优化，从而来降低成本。2.1.2系统的组成本系统主要分为垃圾桶的机械结构和控制电路两个部分。垃圾桶的机械结构是单一的桶，硬件控制电路包括电源、核心控制的单片机、超声波检测模块、温度检测模块、自动报警模块。2.2系统各个模块功能的实现2.2.1电源控制模块电源模块为整个系统提供电源。2.2.2超声波检测模块利用传感器测距技术以及后期信息处理技术，能检测垃圾的高度，蜂鸣器报警使环卫人员能及时有效的对垃圾桶进行清洁REF_Ref21820\r\h[6]。防止垃圾过多影响市容，也提高了环卫工人的工作效率。另外如果同一个垃圾桶一天内满箱的次数较多的话，就说明该地区的垃圾较多，垃圾桶应该进行重新布置，以满足该地的需求。2.2.3温度检测模块垃圾温度检测是一种现代新型智能检测方法，该模块是由多个型号一样的温度传感器连接到核心MCS-51单片机相对应的I/O口组合，多个相同的温度传感器装配在桶的内部，所有的温度传感器都有它各自的任务，担任监控它自身附近温度的改变，当某一个传感器检查到它所在附近的温度超过事先设置好的阀值。MCS-51单片机则被触及动作，通过信息的处理，温度的检测得以完成。有效的防止了高温对垃圾桶带来的破坏。温度传感器设备输出经过“一线”总线（1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它结合了电源线和信号线，只应用一个端口线REF_Ref22394\r\h[7]；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式。可以使多个温度传感器方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性REF_Ref21147\r\h[8]。2.3单片机的选型STC89C52单片机为MCS-51MCU优势特性如下:此8051单片机类型为加强型、可以自由挑选6小时/机器周期和12小时/机器周期,传统的8051单片机与它的指令码完全兼容。3.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机)分两种工作电压；工作频率范畴:0~40MHz,等于一般8051单片机的0-80MHz,理论工作频率能达到48MHz用户利用程序空间为8K字节片上集成512字节RAM常用I/O口(32个)，重置后为:P1/P2/P3/P3是准双向口/弱上拉,P0是漏极开路输出,当用作总线扩张时,P0不需增加上拉电阻[9],当加上上拉电阻时，是被当作I/O端口。ISP(在体系中可编程)/IAP(在应用程序中可编程),不再需要专属的编程器,不再需要专属的仿真器，用户指令可以经过I/O口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）下载，可直接应用。具备EEPROM性能和看门狗定时器T0,T1,T2是此单片机所拥有的三个16位定时器/计数器；外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART工作温度范围:-40~+85摄氏度(工业水平)/0~75摄氏度(商业级)STC89C52单片机的工作方法有三种，两种节电模式，一种正常模式。掉电模式：单片机所进行的工作都停止，中断复位才开始工作（<0.1μA）空闲模式：中央处理器暂停运行后，其它模块仍可继续运转（2mA）正常工作：4mA~7mA图2.1STC89C52RC引脚图（1）引脚功能VCC(40引脚):电压VSS(20引脚):接地P0端口(P0~P0,39~32引脚):P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节，在程序校验时，输出指令字节，需要外部上拉电阻REF_Ref27492\r\h[10]。P1端口(P1.0-P1,1-8引脚):P1端口是内拉的I/O端口。输出缓存P1能够驱动四个TTL输入(消耗或输出电流)。当写入端口1时,通过拉出最高的电阻器向上拖动端口,可用作输入端口。当使用P1端口作为输入端口时,由于内部的拉动,从外部引出的引线会输出电流。P2端口(P2.0-P2.4,21-28引脚):P2口是带内拉绝缘体的双位I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流的方法)4TTL输入.当写入端口1时,通过内部的上拉电阻将端口拉到高电压,而这时可用作输入口。P2被用作输入口,因为内部有上拉电阻,被外部信号拉低的引脚会输出电流REF_Ref27753\r\h[11]。图2.2引脚功能图RST(9引脚):复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。ALE/(30引脚):地址锁存控制信号（ALE)是当访问外部程序存储器时,地址锁存低8位地址的输出脉冲。在用于Flash编程时,此引脚也以作为编程输入脉冲。在一般的情况下，ALE以晶振固定频率的六分之一输出脉冲，可以作为外部定时器或是时钟来使用REF_Ref19051\r\h[12]。VPP(31引脚):访问外部程序存储器的控制信号。为了能从0000H到FFFFH的外部程序存储器中读取指令，必须接GND。注意加密方式1时，EA将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也可以接收12伏VPP电压。XTAL1(19引脚):反采样振荡器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2(18引脚):反转放大器的输入端.

第3章系统硬件的设计3.1系统总体设计工作时，各个模块依据测得的数据做出相应的动作，系统硬件做出特定的反应。该设备系统硬件包括电源模块、温度检测模块、超声波检测模块、显示模块。如下图所示：图3.1系统硬件电路总体结构图3.2超声波测距模块同其他产品设备相比，此测距方法的针对性更高和更平稳，做功的损耗相对来说就比较迟缓、在媒介中传播的距离更长，正因如此，在测量距离方面，超声波发挥了巨大的作用。超声波与其他设施相比频率比较好，传播的速度约为340米/秒，和声音的传播速度差不多，由于它的速度比较慢，所以分辨率比较高。此模块测量物体之间的距离方式为：此设备自身的发射器沿着某一对象或某个位置发射超声波，计时装置在此同时开始每次超声波装置在工作时，在空气中传送的波形碰到任何物体的时候，波形立马返射回来，它所带的接收机就会接收信号。到达反射波后，它在一个固定的时间停止。这时根据计时时间t，起点与障碍物之间的距离就可以根据t算出来，即s＝340t/2。这是时差测定的方法。超声波传感器的构造比较简单，价格比其他传感器便宜，稳定性高，可靠性高，超声波传感器在生活中被广泛使用。超声波测距主要应用于背包客的注意、建筑现场、工业现场等距离测量。现在的测距距离可以达到100米，但是测量精度往往可以达到厘米级。智能垃圾箱里的垃圾超过预定值的话，可以向报警器报警，马上清扫。3.3独立按键本电路一共设置了四个按键，分别控制：距离/温度的切换、距离的大小和温度的高低的“加”“减”键、还有一个重置键。如下图所示：图3.2按键连接图3.4报警模块为了操控蜂鸣器的报警功能，此模块将电阻、三极管的基极与单片机的端口进行串联。如下图所示：图3.3蜂鸣器报警电路图3.5复位电路在核心宏处理器的RST引脚中引进高电平的电源，经过两个机器周期后，复位动作在处理器内部开始（假设引脚一直居于高电平，则单片机就会长时间居于复位状态）。此外，此电路还有两种复位方法：一是按钮复位，另一个为自动复位。自动复位只有在模块上电后才可以工作。复位电路外部存在的电容，它的充放电可以完成极为简单的自动复位；它的另一种方式是仅在电压上升时间≤1ms可以完成。这次的课题选用的是手动复位，它的重置方式有两种：电平方式与脉冲方式。RET端口与电源VCC端口经过连接，电平复位方式才能得以实现。按键手动复位电路见下图。图3.4复位电路图3.6步进电机步进电机是最重要的产品之一，普遍运用于各种自动控制系统中。随着计算机和微电子技术的飞速发展，使我们在日常生活中对步进电机的需求逐渐增加。步进电机广泛应用于各国民经济领域。将电脉冲变换为角位移或线性位移的执行器是步进电机。当没有过载的时候，马达的速度和停止位置只与脉冲信号的频率有关。当驱动器接收到一定的脉冲信号时，驱动步进马达，在设定方向上旋转一个步进角度，然后遵循这个固定角度逐步变动。控制角位移可以控制脉冲数来实现，然后就可以精确的定位。此外，为了调节控制马达的旋转速度和加速度，可以通过控制脉冲频率来完成REF_Ref28485\r\h[13]。步进电机作为控制专用电机，它拥有无累积偏差，精度达到百分之百的特点，在各种开环控制当中应用极为广泛。目前，比较通用的步进电机包括反应式（vr）、永久磁铁（pm）、混合（hb）、单相步进电机REF_Ref28687\r\h[14]。软磁材料用于制造电阻步进电机的转子磁电路。定子有多相励磁绕组，转矩是由磁导率的变化引起的。这次的课题计划采用混合步进电机。这种电机采纳了永磁式和反应式步进电机的优点，它还有两相、三相、五相这三大类型，两相步进角一般为1.8度，三相步进角一般1.2度，五相步进角一般为0.72度。该样式的步进电机运用极为普遍，综上所述，这次的课题采纳该种步进电机。3.7温度传感器（DS18B20）电路3.7.1DS18B20简介DSl8B20温度传感器是一种智能型数字温度传感器，它是由美国的一家半导体公司在推出Dsl820之后新研发的传感器。同原先的热敏电阻比起来，它能够对待测温度进行准确的读取，依照所需条件，模式可以选择基本的编程完成对9-12位参数的直接识别。9位和12位的数字量分别存储在93.75ms和750ms中，在DS18B20传感器中收集到的指令和传输到DSl8B20的指令仅仅只有一个I/O（单线接口）来读写REF_Ref4838\r\h[15]，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。由此看来，系统对DS18B20的运用，能够使它自身的构造进而变的简单可靠。此传感器比较善于监控温度，改变时间，输送距离，其内部结构框图如图3-5所示：图3.5DSl8B20的内部结构图此温度传感器的核心构造的关键有以下部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3-6所示：图3.6DS18B20的管脚3.7.2DS18B20接口电路图3.7温度传感器接口电路图3.8本章小结这一章主要是对该智能垃圾桶的几个重要部分进行了简要的说明，通过查阅书上和网上的相关文章来完成这一章的设计，一步一步的得出最终的结果，每一个模块的准确性和稳定性决定了系统的最后的成果。第4章系统软件的分析在硬件完成之后，软件需要用keil4来编程和完成，整个设计的精神所在就是在软件上，是智能垃圾桶的核心。超声波检测模块是对垃圾桶内的垃圾高度进行检测，温度检测模块对垃圾桶内部的温度进行检测，经过一系列的检测处理后，所显示的信息表明垃圾桶内的垃圾没满、温度没有达到预设值，则该垃圾桶在正常工作。如果检测到的信息显示温度过高、垃圾已满，蜂鸣器报警，工作人员则对垃圾桶进行处理和更新。本次产品所完成的系统软件能够多个任务同时段达成，比如:垃圾是不是装满了垃圾桶、是不是有人在它的周围、桶盖的自动开合等多种监控任务。此番设计当中，内部的红外监控装置检查到有人靠近时，电动机就会启动，自动抬起盖子，计时在最后一次扔完垃圾开始，垃圾桶盖子经过5s后自动关闭。在垃圾装满桶后，与此同时蜂鸣器发出声响、二极管发光，该程序在温度报警、盖子自动闭合、桶是否满溢等几个部分来回切换，它的主要步骤如图4.1所示：图4