楊咸啟,夢 偉，解文辰

(1.安徽建筑大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院, 安徽 合肥 238076; 2.黃山學(xué)院，安徽 黃山 245041)

1 研究背景及意義

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，需要更安全、健康、和諧和舒適的生活環(huán)境。但是，目前無論室內(nèi)還是室外，人們生活中都存在垃圾存放的問題。在公共場所或在家庭住宅中，使用的有蓋垃圾桶大多都是需要手動(dòng)打開。而無蓋的垃圾桶存在更多的安全隱患，如散發(fā)出刺鼻的味道、會(huì)因細(xì)菌的滋生導(dǎo)致更多的疾病傳播、沒有完全掐滅的煙頭丟進(jìn)垃圾桶內(nèi)從而引起火災(zāi)，等等。這些都可能給人們的生命及財(cái)產(chǎn)帶來極大的危害，因此提供一個(gè)更便捷、更安全的垃圾存放設(shè)備就顯得非常必要。本文介紹一種利用單片機(jī)控制的智能垃圾桶系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動(dòng)感應(yīng)開蓋與手動(dòng)控制常開與關(guān)閉。通過紅外傳感器檢測到當(dāng)有人丟垃圾時(shí)自動(dòng)打開垃圾桶蓋，或者當(dāng)有大量垃圾時(shí)可以按下常開鍵進(jìn)行控制垃圾桶的蓋子常開，能夠判斷垃圾桶內(nèi)是否可能有燃燒，一旦發(fā)現(xiàn)便給出報(bào)警。當(dāng)有可燃物在垃圾桶內(nèi)燃燒時(shí)，利用垃圾桶內(nèi)自帶的水泵抽取桶內(nèi)預(yù)先存放的水進(jìn)行滅火。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件相應(yīng)功能，對垃圾桶的硬件進(jìn)行了完整的設(shè)計(jì)，同時(shí)制作出實(shí)物模型，驗(yàn)證了系統(tǒng)軟件功能[1-4]。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)檢測和翻蓋功能

針對現(xiàn)有的有蓋垃圾桶多為手動(dòng)打開或者是用腳打開，不僅不能使垃圾與外界很好地隔離，使用起來也很不方便。對于用手開蓋的垃圾桶來說，由于垃圾桶內(nèi)外有細(xì)菌滋生，用手去觸摸垃圾桶蓋子的時(shí)候會(huì)沾染上細(xì)菌。為了避免這些問題，設(shè)計(jì)的多功能垃圾桶應(yīng)具有自動(dòng)檢測和翻蓋功能。

2.2 長開蓋功能

當(dāng)處理大量垃圾的時(shí)候或需要長時(shí)間放置垃圾的時(shí)候，自動(dòng)翻蓋設(shè)置時(shí)間不能過長。因此設(shè)計(jì)的垃圾桶應(yīng)具有長時(shí)間開蓋的功能。

2.3 自動(dòng)滅火功能

在很多公共場所可能有未掐滅的煙頭丟進(jìn)垃圾桶，這有可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生，因此設(shè)計(jì)的垃圾桶應(yīng)具有預(yù)防火災(zāi)功能，能夠檢測火源并進(jìn)行自動(dòng)撲滅。

3 系統(tǒng)控制部分硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

垃圾桶系統(tǒng)包括單片機(jī)模塊、紅外線傳感器模塊、火源檢測模塊、觸摸按鍵模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓電源模塊、水泵驅(qū)動(dòng)模塊。其工作過程是通過紅外傳感器感應(yīng)有垃圾投入信息，并將此信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收該信息判斷此時(shí)是否處于垃圾桶蓋為常開狀態(tài)，控制舵機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開蓋。若出現(xiàn)火源，則紅外傳感器模塊、火源檢測模塊和觸摸按鍵模塊，輸出信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)再將控制信號傳遞給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和繼電器模塊從而使舵機(jī)與水泵工作。穩(wěn)壓電源模塊是針對不同模塊對電源的不同要求所設(shè)計(jì)的，保證整個(gè)系統(tǒng)的能量充足和工作時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)選擇

系統(tǒng)采用的是一種低功耗、高性能CMOS、具有8位微控制器的芯片--STC89C52RC，該管腳排列圖[5-14]如圖2所示。

2.復(fù)位電路設(shè)計(jì)

89系列單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位，使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始態(tài)開始工作。AT89S52 的按鍵復(fù)位電路如圖3 所示，按下按鍵，電源對電容C3充電，使RST端快速到達(dá)高電平；松開按鍵，C3向芯片內(nèi)阻放電，恢復(fù)為低電平，從而使單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)位功能。

圖2 STC89C52RC單片機(jī)管腳排列圖

3.晶振電路設(shè)計(jì)

晶振電路能夠給系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號。為了使系統(tǒng)各部分能夠保持同步，一般來說一個(gè)系統(tǒng)會(huì)共用一個(gè)晶振。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的是僅用一個(gè)晶振來實(shí)現(xiàn)同步，其電路圖如圖4所示。

圖3 復(fù)位電路

圖4 晶振電路圖

3.3 傳感器系統(tǒng)元件設(shè)計(jì)

1.紅外傳感器選擇

紅外檢測模塊是通過紅外感應(yīng)器在有效范圍內(nèi)檢測有無物體，然后將信息傳給單片機(jī)。紅外模塊電路原理如圖5所示。

圖5 紅外模塊電路

2.火焰?zhèn)鞲衅鬟x擇

火焰?zhèn)鞲衅髂K也是一種紅外接收器，當(dāng)紅外接收器的有效范圍內(nèi)檢測有無火焰，然后將信息傳給單片機(jī)?；鹧?zhèn)鞲衅髂K電路原理如圖6所示。

圖6 火焰檢測模塊電路

3.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊選擇

本次設(shè)計(jì)使用舵機(jī)SG90，俗稱9g舵機(jī)[15]。其驅(qū)動(dòng)脈沖如圖7所示。

圖7 脈沖頻率圖

2.繼電器模塊選擇

為了方便與可靠性，本次采用的繼電器為1 路高電平觸發(fā)的電磁繼電器模塊，其電路如圖8所示。

圖8 繼電器電路

4 系統(tǒng)控制部分軟件設(shè)計(jì)

4.1 總體控制思路

當(dāng)程序開始執(zhí)行時(shí)，先對定時(shí)器、各傳感器與單片機(jī)引腳初始化，接著用紅外傳感器檢測是否有人靠近垃圾桶的上端感應(yīng)區(qū)，如果有人靠近則將啟動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行開蓋。在關(guān)蓋的情況下判斷觸摸開關(guān)是否被打開，如果被打開，則舵機(jī)轉(zhuǎn)至90 度用來開蓋，直到觸摸開光被再次觸摸時(shí)，舵機(jī)回到初始值關(guān)閉蓋子。在此過程中即便有物體接觸到紅外傳感器的感應(yīng)區(qū)也不會(huì)對舵機(jī)產(chǎn)生影響。當(dāng)程序開始時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅饕恢睓z測是否有火焰靠近，如果有火焰靠近，此時(shí)處于開蓋狀態(tài)的則蜂鳴器開啟，10S后繼電器打開，當(dāng)蓋子處于關(guān)閉狀態(tài)則直接觸發(fā)繼電器，水泵立即工作。系統(tǒng)流程[16-19]如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

目前支持單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的語言一般有機(jī)器語言、匯編語言和高級語言(如C51)。本系統(tǒng)選用適時(shí)性強(qiáng)與透明度高的C 語言作為編程語言，系統(tǒng)軟件的開發(fā)全部采用Keil μVision4進(jìn)行。

4.2 開蓋控制軟件模塊設(shè)計(jì)

首先判斷觸摸按鍵是否被觸摸，如果被觸摸，則驅(qū)動(dòng)舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋子常開狀態(tài)直至觸摸按鍵被再次被觸摸，才能將垃圾桶蓋子關(guān)閉。如果觸摸按鍵沒被觸碰，則檢測紅外傳感器上方是否有遮擋物，如果有則驅(qū)動(dòng)舵機(jī)順時(shí)針 轉(zhuǎn) 動(dòng) 90°，垃圾桶蓋子開啟并延時(shí)3s后自動(dòng)關(guān)閉。其流程如圖10所示。

圖10 開蓋模塊設(shè)計(jì)流程圖

4.3 滅火控制軟件模塊設(shè)計(jì)

通過對火焰?zhèn)鞲衅鬏斎氲哪M信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理分析并與預(yù)設(shè)參數(shù)限值進(jìn)行比較判斷，滿足一定條件則執(zhí)行繼電器的閉合功能，水泵工作自動(dòng)滅火。其流程如圖11所示。

圖11 滅火模塊設(shè)計(jì)流程圖

5 系統(tǒng)整體外形設(shè)計(jì)與裝配

5.1 垃圾桶桶體設(shè)計(jì)

針對室內(nèi)垃圾桶，選擇垃圾桶為長方體，長為24 厘米、寬為24 厘米、高為46 厘米，垃圾桶體分內(nèi)、外桶。為了防腐外桶采用不銹鋼材質(zhì)。垃圾桶上蓋與內(nèi)桶則使用PPS 塑料材質(zhì)，該材料除了有塑料的密度小、塑性高以外，還能耐高溫，可以很好地預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。為了使用方便，在內(nèi)桶上增加一個(gè)可以直接手提的結(jié)構(gòu)。

垃圾桶外桶的上端放置了控制按鈕及感應(yīng)控制探頭，為了防止開蓋時(shí)會(huì)誤碰到使用者的手，將感應(yīng)區(qū)放置在與水平面夾角為45°的位置。下端具有兩個(gè)槽分別用來存放電源和用來盛放滅火時(shí)用的水，存放電源的槽內(nèi)側(cè)面有電源充電口。在盛水的水槽上連接一個(gè)水管，并將水管延長到垃圾桶上部端口處，在端口四周開有小口用來噴水。垃圾桶外桶外觀經(jīng)過適當(dāng)美化，與使用的環(huán)境相匹配。本次設(shè)計(jì)使用的軟件為SolidWorks[20]，圖12 為垃圾桶效果展示圖。

圖12 垃圾桶效果展示圖

5.2 實(shí)物模型試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證產(chǎn)品功能，進(jìn)行了實(shí)物模型的制作。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)有手靠近紅外傳感器的感應(yīng)區(qū)時(shí)，垃圾桶能夠開蓋，但是，開蓋時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)手與蓋子觸碰。在多次測試中，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)榧t外感應(yīng)器的感應(yīng)區(qū)與蓋子開合路徑有重合，將紅外傳感器的探頭向外移出450，再次測試手即便停在感應(yīng)區(qū)也不會(huì)和蓋子有觸碰。當(dāng)觸摸開關(guān)被觸摸時(shí)，蓋子處于完全開啟狀態(tài)，此時(shí)無論感應(yīng)區(qū)是否有遮擋物都不會(huì)對其產(chǎn)生影響，直到再次觸摸到觸摸開關(guān)，才會(huì)使得蓋子關(guān)閉，且紅外感應(yīng)器開始工作。

火焰?zhèn)鞲衅鞅緫?yīng)該放在垃圾桶蓋子的下端用來檢測垃圾桶內(nèi)是否有火焰產(chǎn)生，但是為了測試方便，試驗(yàn)中將探頭放在了垃圾桶蓋子的上端。為了更好地觀察水泵抽水的結(jié)果，在垃圾桶上方開了一個(gè)小孔，將水管從內(nèi)部引出來，并使從內(nèi)部抽出的水進(jìn)行循環(huán)利用。

經(jīng)過多次測試，垃圾桶的主要功能均能很好地實(shí)現(xiàn)。

6 總 結(jié)

本文介紹了多功能垃圾桶設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，主體為3個(gè)部分。第一部分是多功能垃圾桶的控制電器系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C52 作為主要控制系統(tǒng)，控制各模塊配合共同工作，實(shí)現(xiàn)了多功能。利用紅外傳感器檢測是否有需要將垃圾投入垃圾桶。當(dāng)需要長時(shí)間將垃圾蓋開放時(shí)，可以通過TTP223 觸摸傳感器與單片機(jī)經(jīng)過相應(yīng)的程序處理，使得垃圾桶蓋處于常開狀態(tài)。當(dāng)垃圾桶內(nèi)有火源出現(xiàn)時(shí)，能夠自行啟動(dòng)滅火裝置。通過一個(gè)火源檢測模塊發(fā)現(xiàn)垃圾桶內(nèi)有火焰時(shí)，將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)從而判斷是否開啟繼電器為水泵供電，使得水泵工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是比較簡單控制的SG90 舵機(jī)，并且選好轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)垃圾桶在同一空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大打開角度。第二部分是垃圾桶的外形及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對室內(nèi)使用條件，采用了內(nèi)外雙桶及外桶下部存水槽的設(shè)計(jì)。垃圾桶的外形美觀，滿足使用者的要求。第三部分是制作垃圾桶實(shí)物模型，通過選購一些元器件，搭建了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)主要功能的實(shí)物模型。并進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)多功能垃圾桶的各項(xiàng)功能。