《基于单片机的智能垃圾桶设计》6300字

基于单片机的智能垃圾桶设计目录TOC\o"1-2"\h\u31640摘要 2282271绪论 2187451.1研究的目的及意义 2105331.2国内外研究的现状 3230211.3本章小结 3115512总体方案设计 4157032.1设计方案 4327602.2系统组成及原理框图 4276842.3各模块方案选型 486092.3.1电源控制模块 442492.3.2垃圾量检测模块 4238312.3.3语音播报与自动翻盖模块 552122.4本章小结 675513系统硬件设计 796513.1单片机控制模块 7207223.1.1STC89C52RC单片机 7142253.1.2单片机代码 7283713.1.3单片机外围电路 8233303.2ULN2003驱动电路 996363.3蜂鸣器驱动电路 1017273.4红外避障模块 1153023.5元件清单 12157243.6本章小结 13225684系统软件设计 14254184.1程序设计 1487214.2本章小结 14119455系统调试 15127465.1系统开发工具 15252455.2硬件调试 15170725.3整体调试 16100505.4实验结果 1655956结果与展望 1713585（2）结合目前已经大力发展的5G技术实现数据的实时传递。 175784参考文献 18摘要垃圾桶是人类日常生活中的不可缺少的物品，随同着人类走过了一个又一个时代。随着现代化一天天的发展，科学技术越来越先进，人民生活水平也有所提高，城市的发展也越来越快，人们对生活品质的追求也得到了很大的提升。与此同时，环境方面出现的问题也越来越多。基于此，本设计为了规避人们在垃圾投放过程中对垃圾桶的接触，方便对垃圾进行投放，有效防止垃圾桶内细菌的滋生，便捷人们的生活，从而设计了此样机。本设计由STC89C52单片机这几制作而成。样机主要由红外避障模块、ULN2003驱动电路、蜂鸣驱动电路模块组成。整体过程是当有人丢垃圾时可以自动感应，然后盖子自动打开和关闭；垃圾桶满的时候，会启动蜂鸣驱动电路模块进行报警，此时，工作人员需要按下按键，垃圾桶盖子打开。这样在一系列操作下，垃圾桶不会产生溢出，有效减少城市垃圾污染。本设计制作的样机可以正常工作，操作简单，极大地方便了生活垃圾的清理。虽然没有完全自动，但可以地有效避免垃圾桶满溢出的现象。关键词:步进电机;STC89C52RC单片机;蜂鸣器;红外避障1绪论1.1研究的目的及意义国家在不断的发展，经济也在不断的发展，与此同时，也产生了一系列的问题，例如，城市排放出的垃圾量显示每天都在增加，且逐年递增。人们每天都在进行生产活动，大量使用资源。在生产出便于生活的产品外也产生了更多的废物。响应资源进行可持续发展的号召，对垃圾资源的开发也显得尤为重要。垃圾有效处理不仅对改善我们的生活环境起很大作用，而且对促进子孙后代资源回收更为重要。在人口数量如此庞大的中国，垃圾处理工作是否有效直接影响这世界的环境。但是，在日常生活中见到的垃圾桶大都是用塑料做的，重量轻，体积小，虽然便于制作但是使用时间短，散发气体大，难闻，相对来说不卫生。但是，目前市民上见到的智能垃圾桶也有一些缺点，例如：成本高、操作难、可靠性差。本设计不仅能够弥补当今失眠垃圾桶的不足之处，还能很大程度上减轻环保工人工作上的负担。相较于传统垃圾桶而言，成本不高且操作简单，对于环保方面也有很大的帮助。1.2国内外研究的现状垃圾处理在当今社会也是一件令人头疼的事情，在全球环境变化的同时，人们也逐渐意识到环境与人类的关系时密不可分的，做好环保工作对未来的发展也起着很大的作用。与此同时，人们对生活品质以及科学技术产品的需求也越来越高，如今生产出来的垃圾桶已经非常符合人类所需求的概念了。垃圾的有效清理与世界环境文明也有着丝丝缕缕的关系，根据世界银行的相关报导，世界即将被垃圾吞没。智能垃圾桶的诞生是为了实现高效，便捷和低成本的废物处理。由于经济和技术的发展水平与发达国家仍有差距，我国的垃圾桶价格便宜，质量较差。与经济发展完善的国家相比，物品过的智能垃圾桶在制作方面仍然和他们有着巨大的差距。以智能垃圾桶为例，我国的智能垃圾桶出现的时间比较晚。感应垃圾桶的出现解决了用手接触垃圾桶和脚踏的麻烦，非常的卫生，方便使用。由于在没有智能控制系统的情况下将自动翻转功能应用于某些公共场所很方便，因此非常受欢迎。但是，它的功能在翻转时候有较大的机械损耗，仍有很大的改进空间。目前有很多智能垃圾桶在生活中已经被投入了使用，但是跟随着社会的发展，并不是所有的智能垃圾桶都能被大众所接受和使用，垃圾桶也得跟着人们的发展去改进演化。1.3本章小结本章主要是对智能垃圾桶的目的及意义进行介绍，还对比了国内外的研究现状。说明了本智能垃圾桶与传统垃圾桶的区别，将他们进行对比，更能直白得看出他们得优缺点以及改进方向。并且垃圾桶与环境的关系大家都了然于胸，将他们密切结合起来利于人们更加清楚看清齐总的利害关系。2总体方案设计2.1设计方案主要是单片机在接受红外传感器检测是否有人扔垃圾时进行判断是否给步进电机下指令将垃圾桶盖子打开。如果有人做出垃圾投放动作，垃圾桶盖子打开，至垃圾投放完毕，合上盖子。2.2系统组成及原理框图本系统包含电源接入、容量检测、语音播报、投递检测等模块以及服务器。图2.1系统组成2.3各模块方案选型2.3.1电源控制模块智能垃圾桶需要持续供电才能正常运行，所以需要数据线以对垃圾箱的电源进行持续的输入。通常，一个区域中安装了多个智能垃圾箱，每个垃圾箱都有单独的开关，这样利于工作人员的管理2.3.2垃圾量检测模块本设计中使用一体化超声波传感器对垃圾桶是否已满进行判断。超声波转换能器的特点是：角度小、波长短、绕射现象小等，所以它可以在特定信号的激励下产生震荡，生成超声波。如果有物体反射，超声波也会经过换能器产生振荡，形成电信号。因为有防水防尘外壳封装，所以传感器可以再比较恶劣环境适应。相应的，垃圾桶即使在下雨天也可以对垃圾量进行判断，不会影响正常工作。本设计的垃圾桶在垃圾积满后，会进行语音播报，提示工作人员垃圾已满进行处理。2.3.3语音播报与自动翻盖模块垃圾桶在启动后进入工作，人体的红外检测电路检测是否有人在一定距离内在进行投放垃圾的动作。在进行投放垃圾动作时，MCU进行判断，垃圾桶盖将自动打开，并且间隔5秒后就会自动关闭垃圾桶盖以恢复初始状态。垃圾桶满，超声检测垃圾桶内垃圾的高度是不是达到了我们设置好的高度，再经由单片机判断并且控制语音报警电路，此时蜂鸣器连续响三声提示工作人员垃圾桶满的状态，不要让人们继续投放垃圾了，然后工作人员按下垃圾桶按钮，盖子打开去除垃圾，然后回到原始状态进行接下来的操作。详细步骤由图2.2显示。图2.2主程序流程框图2.4本章小结本章主要撰写了智能垃圾桶的整体系统设计方案，方案内涉及到的各个模块都有详细的图文介绍，以此更详细得介绍本设计。3系统硬件设计3.1单片机控制模块3.1.1STC89C52RC单片机SCM是程序的载体，指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，单片机也被称为微控制器[]，它最早时在工业控制领域被应用的。虽然使用的是经典的51内核，但是做了很多的改进。STC89C52在单芯片上，用的是智能8位CPU和系统内可编程闪存，为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活和超级有效的解决方案。STC89C52RC图3.1单片机引脚图3.1.2单片机代码STC89C52.单片机通过串口接收到字符“a",单片机反馈”a"并打开p1.0=1。如果单片机持续30S没收到“a"P1.0=0。

存在问题：1.延时、端口要根据你的实际情况改一下参数。

2.上电or复位后，第一次P1.0=0的转换时间要比以后动作转换时间长，不一致。之后正常。3.1.3单片机外围电路STC89C52RC的外围电路主要包括时钟电路、复位电路、通信电路和电源转换电路。（1）时钟电路：在此采用12MHz的晶振作为振荡源，电容容量一般在10pF~30pF之间，所以在此选择30pF作为电容值。（2）复位电路：其作用是把单片机初始化到空状态，而在单片机的内部，复位电路是将其寄存器的值默认设置为出厂状态。单片机的复位电路包括上电复位和按键复位，本设计采用的是按键复位。（3）串行通信电路：微控制器内部有一个全双工串行通信端口。它只能在异步通信模式（UART）下运行，以串行传输信息或使用标准异步通信协议与外部设备连接。具有全双工通信和并行I/O接口的计算机系统也可以通过外部移位寄存器进行扩展。本设计的串行通信接口作为单片机程序的下载接口，方便本设计的程序下载。图3.2单片机时钟、复位及通信电路电源转换电路：对于一个电子设计而言，电源转换电路是必不可少的。本设计的电源供电模块的电源是与生活用电插座相连的。图中R18是LED灯的限流电阻，其阻值大小是随LED变化而变化，给其分压，起到了保护LED的作用。其中220V电压通过变压器和全桥整流电路，被整流为16V直流电压输入到LM2576-5的1脚，从该芯片的4脚输出所需的+5v直流电压提供给单片机等芯片。图3.3220V~5V电源转换电路3.2ULN2003驱动电路本次设计的智能垃圾桶系统内部管理做了这样一个二极管来消除线圈反电势。它的输出只允许通过200mA的IC电流，饱和压降约为1Vce，耐压约为36V。根据上述参数可以估计输出的外负载。开路输出采用集电极，输出电流大。它可以直接驱动继电器或固态继电器等外部控制设备，也可以直接驱动步进电机。ULN2003芯片功耗低，驱动能力强，稳定可靠，体积小，使用方便，价格低廉，可用于50A/0.5A以下的电路。将ULN2003与单片机控制引脚相连，可以通过驱动系统步进电机。ULN2003的主要作用是将驱动电流放大，然后驱动28BYJ-48步进电机。ULN2003驱动的电机供电接口可以连接到单片机的GND和5V取电，“IN0～IN4”连接单片机的4个I/O口。本次设计所用到的步进电机的减速比为64/1，转速约为15

r/min。一些软件可以通过使用一些手段和高压电源(如12伏DC)来实现大约25r/min的转速。ULN2003驱动电路3.3蜂鸣器驱动电路蜂鸣器的驱动电路通常包括以下几个部分：蜂鸣器、限流电阻和三极管。蜂鸣器的声音设计元素分析可以通过在蜂鸣器两端施加直流工作电压（有源蜂鸣器）或方波（无源蜂鸣器）同时发声。其主要参数有尺寸、音向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等，可根据需要选择。晶体管q22用作开关，其基极低电平可使晶体管饱和导通，使蜂鸣器鸣响；基地的高水平使质量控制切断和蜂鸣器停止。蜂鸣器驱动电路图示 为了提高驱动能力和蜂鸣器的声音，增加了三极管驱动器。如下图所示，蜂鸣器的输入端连接到VCC（+5V）电源的上侧，蜂鸣器连接到晶体管的发射极E，在施加限流保护电阻R后，由微控制器的P1.6切换晶体管的基极B。当P1.6输出一个高电平时，晶体管Q7停止，没有工作电流流过线圈，蜂鸣器没有声音产生；当P1.6输出时，晶体管导通，蜂鸣器的电流形成系统回路发声。下图为蜂鸣器驱动电路流程图：3.4红外避障模块由于模块调节能力比较显著，所以能很快适应不同环境的光照影响，在硬件结构上具有发射红外感应和接受的管道。探测距离调节也十分方便，通过对电位器旋钮方向的旋转来调节探测距离，顺时针调节可以增加探测距离，反之则缩短探测距离。探测距离的有效范围在2到30厘米，工作电压范围为3.3-5v。模块特点为：对系统干涉小，容易调节，安装简单，使用方便，所以在机器人避障、避障车、流水线计数、黑白线跟踪等领域被广泛应用。目标的反射率和形状是探测距离的关键，因为长安号主要是基于红外反射探测。该模块具有三个引脚1输出端口OUT，2GND接地。3连接到5V电源VCC上。连接VCC和GND，模块接收到后会亮起指示灯，并发送在指示范围内的红外频率，当探测距离内出现障碍物时，接收管接收到信息会经过一个比较电路的比较，进而改变指示灯的颜色，并向外输出低电平信号，通常用接收管的反射面颜色（反射率）、形状和距离等来表示接收管接收到的红外信号强度。输出端口OUT可以直接连接到单片机的I/O端口。红外避障模块原理图及实物如下：下面为红外避障模块流程图：3.5元件清单以下为本次系统设计所需要的元器件3.6本章小结本章第一部分以系统硬件设计为主，设计用STC89C52RC单片机作为控制芯片。并图文展示的介绍了STC89C52RC单片机的操作性及原理，还包括的介绍了单片机的外围电路。本章第二部分介绍了ULN2003驱动电路模块的作用、说明、基本操作，看起来更加直观方便。第三部分介绍了ULN2003驱动电路的性能及使用方法，详细说明了步进电机的操作。第四部分介绍了红外避障模块，该模块对光具有很强的适应能力，更适配于本次的垃圾桶系统。4系统软件设计4.1程序设计本次设计的智能垃圾桶系统主要是通过红外避障模块检测是否有人投递垃圾接着触动蜂鸣器然后蜂鸣器报警等等操作。设计分为两部，分别是垃圾桶上下开关和桶内装满垃圾报警提示。那么，它的具体流程如下图所示：4.2本章小结本章主要对本次设计的智能垃圾桶系统操作进行一系列的梳理，从流程图中可以看出本次设计的垃圾桶操作简单易上手，在日常生活中也具有很大的实用价值。5系统调试由于系统设计的硬件与软件是分开的，在完成软件和硬件设计之后，最后一步就是对整个系统进行调试。硬件生产过程中可能遗留的故障以及系统中的软件编程错误只能通过调试来消除和纠正，任何系统只有经过更全面的调试后才能真正完成。5.1系统开发工具该编程设计使用Keil4编程软件，该软件易于学习和使用，它是C语言设计中许多用户和开发人员必备的软件。而且，该软件生成的目标代码高效，易于开发人员使用和提高效率，并且在编辑时清晰可见。特别是在功能、可读性、结构和可维护性方面，C语言的特性更加突出，并且比汇编语言更具优势。下图为keil的运行图：5.2硬件调试硬件的调试主要是检查电路板，看是否有断线，错线或短路现象，以及电源端子和接地端子，所用芯片和组件的连接是否错误，电路板上是否有损坏，最后用电流表分别调试每个主要部分，以测试每个原稿的两端，如果有电流通过，则电路正常，然后以单元电路为单位进行调试。5.3整体调试整体调试是在软件调试及硬件调试均成功的前提下进行的。Keil软件虽然是可以对程序进行仿真的，但是它毕竟不是在现实中的环境下进行的，所以只有将程序烧录在芯片中才可以对实物进行实践，检测正确与否以及是否能够达到预期的效果。毕竟，软件与硬件的结合才能够呈现更好的成品。5.4实验结果在proteus软件中，使用开关SW1模拟有人是否接近S1到达1时，这表明有人接近垃圾箱，并且电动机正向旋转。几秒钟后，电动机停止运转并保持盖子打开。当S1达到2时，表示离开并且电动机反转。几秒钟后，电动机停止运转，并保持盖子关闭。经过仿真和调试,结果是正确的。下图为proteus调试图：6结果与展望此设计的智能垃圾桶系统，有以下功能：此设计的智能垃圾桶系统，有以下功能：（1）垃圾的容量检测，（2）装满后的报警提示，（3）智能开关。根据调查和各种资料文献显示，无论在研究方面还是功能分类方面，国外优先于国内。然而，随着社会的不断进步和发展，一切的智能化产品都要优化并被人们认可和接受。本设计完成了对智能垃圾桶的设计与研究工作，在设计过程中涉及多个学科，并且基本上能够实现初始设置的功能。随着人类对生活的需求以及科技的飞速发展，该系统仍有很多后续研究方向：（1）此次设计的垃圾桶在功能上还有很多不足，例如垃圾的分类、自动打包、压缩以及桶内空间的利用等。（2）结合目前已经大力发展的5G技术实现数据的实时传递。（3）利用当今最流行的artificialintelligence技术对智能垃圾桶反馈的数据进行分析，最终得出垃圾种类与人们生活习惯的比例，从而分析并采取减少废物排放的措施。参考文献国内分类垃圾桶发展现状与分析[J].李航,徐园园.安阳工学院学报.2019(02)智能垃圾桶的研究与设计[J].刘红,许妙佳.上海电机学院学报.2019(01)浅谈智能垃圾桶的发展与工作原理[J].葛晓彤,陈西凝,王睿,李嘉伟,陈雨晴.科技创新导报.2019(04)现代城市分类垃圾桶设计研究[J].孟竺君,仓诗建,田原源.设计.2018(17)一种智能垃圾桶的设计与应用[J].李兴和.电子制作.2018(16)基于单片机控制的红外线与超声波混合避障智能小车[J].唐渊,周汝,段武斌,刘臻.中国设备工程.2018(12)面向智慧城市的智能垃圾桶监管系统[J].何共建,熊兵,吴开云,贺佐强.计算机时代.2018(06)生态智能垃圾桶的研究与设计[J].何洋,顾成杰,闪静洁.信息与电脑(理论版).2017(18)基于STM32嵌入式接口与传感器应用开发[M].电子工业出版社,廖建尚,2018传感器原理与应用技术[M].化学工业出版社,王化祥,2017传感器与检测技术[M].高等教育出版社,宋文绪,2009Cruise