鄭金記　肖昌靜

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，智能家居已經(jīng)逐步走入我國民眾家庭生活中，該文基于MCS-51內(nèi)核的STC15系列單片機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款智能垃圾桶。其中硬件的設(shè)計(jì)部分主要有紅外傳感器、溫度、重量傳感器、語音播報(bào)功能模組以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。這一系統(tǒng)能夠有效地完成垃圾桶蓋的自動(dòng)開關(guān)流程、垃圾桶滿提示以及相應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警功能。能夠行之有效地避免火災(zāi)，并且為家庭的生活安全提供相應(yīng)的保障。

關(guān)鍵詞：STC15單片機(jī);垃圾桶;研究設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0107-02

在當(dāng)今社會(huì)生活垃圾造成的污染一直被人們認(rèn)為是全球存在最嚴(yán)重的社會(huì)公共危害。我國自“改革開放”以來，城市人口顯著增加，城市規(guī)模不斷增大，城市化進(jìn)程不斷加大，城市居民的生活垃圾產(chǎn)量日益劇增。特別是近幾年來，垃圾的日產(chǎn)量增加的趨勢相當(dāng)顯著。隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公共場產(chǎn)生的垃圾如果不能得到及時(shí)處理，將會(huì)對社會(huì)造成嚴(yán)重的垃圾污染，對城市容貌的影響愈發(fā)不可收拾。將垃圾進(jìn)行合理地回收處理，對環(huán)境起到保護(hù)作用，已經(jīng)成為現(xiàn)今社會(huì)的重要舉措。基于此，語音識別的智能分類垃圾桶應(yīng)運(yùn)而生。

1 設(shè)計(jì)背景

在如今社會(huì)的高速發(fā)展下，隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，人們的基本生活水平一直在源源不斷的提高，人們已經(jīng)開始想方設(shè)法追求更健康的生活方式，衛(wèi)生問題受到了人們的高度重視。傳統(tǒng)垃圾桶需要用手開關(guān)垃圾桶，會(huì)近距離接觸垃圾桶口，容易讓手接觸到有害細(xì)菌，對人體健康百害而無一利。人們又發(fā)明了可以用腳踩按鈕從而達(dá)到開蓋的目的，這種垃圾桶開始很受歡迎，但由于垃圾桶的體積太小，丟垃圾時(shí)還需要彎腰和起身，對老年人和孕婦非常不方便。人們迫切希望有一種能夠移動(dòng)、自動(dòng)分類、自動(dòng)打開閉合的垃圾桶?？萍及l(fā)展對垃圾分類的要求越來越多，不少城市已經(jīng)實(shí)行垃圾分類。如果在家就能把垃圾分好類，將大大節(jié)省財(cái)力、人力資源。這種垃圾桶還可以朝任意指定的方向運(yùn)動(dòng)，極大方便了人們使用，不用走路就能把要扔的垃圾丟掉，只用一個(gè)遙控或者一個(gè)語音指令就能使垃圾桶朝著系統(tǒng)所識別的指定方向運(yùn)動(dòng)一定的距離。于是，基于STC15單片機(jī)，又兼容語音識別和語音播報(bào)智能分類的垃圾桶，就顯得有現(xiàn)實(shí)存在價(jià)值意義。基于語音識別的智能分類垃圾桶的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識又有了一個(gè)飛躍。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目開發(fā)的智能垃圾桶，其功能主要有物體檢測、溫度測量、金屬探測和垃圾分類等。目標(biāo)檢測用于確定對象是否接近或在傳感器檢測范圍內(nèi)，然后輸出開關(guān)。智能垃圾桶可判斷傳感器旁邊是否有人存在，從而發(fā)出“打開蓋子”的命令，或檢查垃圾箱中“是否有垃圾”;金屬探測用于確定筒內(nèi)、筒外是否存在金屬，如果有，則進(jìn)行回收分類;通過稱重傳感器讀取上述信息后，如果出現(xiàn)超重，語音播放模塊則會(huì)進(jìn)行報(bào)警，通過具體的數(shù)據(jù)完成下一個(gè)操作，從而完成用戶交互和環(huán)境檢查。

綜上所述，智能垃圾桶由單片機(jī)、紅外傳感器、溫度傳感器、金屬探測器、稱重傳感器、語音播放模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)模塊組成，如圖1所示。

根據(jù)具體的總體設(shè)計(jì)方案，智能分類垃圾桶功能如下：

1） 語音播報(bào)功能;2）火災(zāi)預(yù)警功能;3）垃圾分類功能;4）非接觸控制垃圾桶蓋功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電路主要有：單片機(jī)主板電路、紅外感應(yīng)電路、金屬探測電路、溫度感應(yīng)電路、稱重感應(yīng)電路、語音芯片、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等。

3.1 單片機(jī)主板

單片機(jī)的芯片此次設(shè)計(jì)選擇了LQFP48封裝的IAP15W4K57S4單片機(jī)。這種型號的單片機(jī)，是STC公司較為成熟的技術(shù)成品，對比傳統(tǒng)的8051型號芯片，其擁有更加優(yōu)秀的性能，它的程序空間以及內(nèi)存容量都要高于后者，同時(shí)有著十分不錯(cuò)的抗干擾能力和運(yùn)算性能，每一個(gè)機(jī)器的周期為一個(gè)時(shí)鐘周期（1T）。

3.2 紅外感應(yīng)電路設(shè)計(jì)

紅外傳感器用于探測障礙物，對非接觸式垃圾桶的桶蓋開關(guān)以及垃圾投入進(jìn)行檢測，并檢查垃圾的傾倒情況。這部分軟件的邏輯很簡單，只需檢查輸出和輸入的一致性，并根據(jù)結(jié)果決定是否執(zhí)行下一個(gè)程序，但是軟件也應(yīng)該排除可能存在的干擾，如果有些小干擾沒有排除（比如一些意外性的遮擋，或是小型昆蟲等影響因素），則會(huì)影響垃圾桶的正常運(yùn)行，垃圾箱蓋就不能正常工作，所以軟件需要進(jìn)行延時(shí)算法的使用，檢測遮擋是否達(dá)到時(shí)間限制，再根據(jù)結(jié)果決定下一步操作。

3.3 溫度感應(yīng)電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中對溫度傳感器使用的單總線協(xié)議通訊，選擇DS18B20型號芯片，實(shí)現(xiàn)對具體溫度數(shù)值的獲取，同時(shí)也能夠有效地對火情進(jìn)行檢測，使用一種中斷的方式進(jìn)行定時(shí)連續(xù)地偵測檢查。此次設(shè)計(jì)的方案為每五秒鐘進(jìn)行一次檢測。除此以外，這種傳感器系統(tǒng)還能對溫度轉(zhuǎn)換的分辨率進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，可以分別設(shè)置成9到12位。由于此次設(shè)計(jì)中檢測的周期性較長，所以采用9位的分辨率設(shè)計(jì)。具體溫度感應(yīng)電路圖如圖2所示。

3.4 稱重感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，稱重傳感器選擇使用核心芯片（型號：HX711）對測量的物體重量值進(jìn)行把控。需要對電子秤使用的AD轉(zhuǎn)換芯片HX711的具體轉(zhuǎn)換值進(jìn)行讀取，并根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算得出確切的重量值。這種芯片使用了十分獨(dú)特的單總線協(xié)議和單片機(jī)進(jìn)行的通訊流程，運(yùn)用了兩個(gè)數(shù)量的引腳，其中一個(gè)引腳當(dāng)作數(shù)據(jù)的接口（也就是DT），另一個(gè)引腳作為同步時(shí)鐘（也就是SCK），在讀取的過程中，單片機(jī)通過向HX711芯片的SCK引腳發(fā)送時(shí)鐘信號，并對數(shù)據(jù)口的電平進(jìn)行相應(yīng)的讀取，進(jìn)行移位并讀取每一順位的數(shù)據(jù)。稱重傳感器的示意圖如圖3所示。

3.5 語音播報(bào)功能設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，對于語音播放模塊的設(shè)備選擇DY-SV17F型號模組，對這一模塊的組成配置了一個(gè)約為5MB內(nèi)存容量的Flash儲存器，并根據(jù)USB數(shù)據(jù)接口同上位機(jī)進(jìn)行連接，將垃圾桶中需要的語音文件進(jìn)行下載。在使用的過程中，可以根據(jù)串口、并口或者是單總線來完成與主控單片機(jī)的通訊。主控制模塊單片機(jī)把所需要的播放設(shè)置指令以及需要進(jìn)行播放的語音內(nèi)容進(jìn)行編組排號，然后再進(jìn)行對該模塊的輸入。如此一來，模塊就能進(jìn)行相應(yīng)的語音文件播放。具體的語音播報(bào)功能電路圖圖4所示。

3.6 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在此次的電路設(shè)計(jì)中，繼電器電路起著不可缺少的作用，當(dāng)儀器檢測到不同性質(zhì)屬性的垃圾后，微控制器單片機(jī)就會(huì)給繼電器器件一個(gè)低電平，只有這時(shí)繼電器才會(huì)開始工作并完成投放各種垃圾的完美操作。繼電器器件工作的原理如下：

繼電器是由電子進(jìn)行控制的元器件，擁有控制與被控制兩種系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)對其輸入量的變化達(dá)到一定程度時(shí)，電路就會(huì)使被控制的量能夠根據(jù)提前預(yù)訂的要求去使波的變化達(dá)到階躍變化。繼電器具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，用較小的電流控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。在電路中起著安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)調(diào)節(jié)等作用。

電磁式的繼電器是他利用電磁鐵控制工作電路通斷的開關(guān)。

（1） 電磁式繼電器的組成：電磁式繼電器，其構(gòu)成主要為電磁鐵、靜態(tài)觸點(diǎn)以及動(dòng)態(tài)觸點(diǎn)和彈簧等構(gòu)成。

電磁繼電器的工作電路可分為高壓工作電路和低壓控制電路。高壓工作電路主要包括電磁繼電器的動(dòng)觸頭靜觸頭以及高壓電源。系統(tǒng)主要包括低壓電源、開關(guān)、電機(jī)和電磁繼電器線圈。

（2） 電磁式繼電器的工作原理：當(dāng)電磁式繼電器閉合低壓控制的這個(gè)電路中的開關(guān)S，電路的電流就可以通過繼電器電磁鐵的線圈從而在繼電器中產(chǎn)生磁場。從而對電磁器中的銜鐵產(chǎn)生吸引力使銜鐵發(fā)生來回?cái)[動(dòng)，在靜態(tài)觸點(diǎn)D與靜態(tài)觸點(diǎn)E兩點(diǎn)相互接觸。使系統(tǒng)的工作電路達(dá)到閉合狀態(tài)，這時(shí)電路中的電機(jī)開始工作，只要電壓開關(guān)S斷開，圈中產(chǎn)生的電流就會(huì)迅速消失，此時(shí)銜鐵B在彈簧C的作用下發(fā)生擺動(dòng)，靜觸點(diǎn)D、E脫開，工作電路產(chǎn)生斷開，電動(dòng)機(jī)停止工作。

3.7 金屬檢測模塊

投放垃圾時(shí)，此時(shí)紅外線感應(yīng)有人投放垃圾，金屬探測器就會(huì)檢測投放的垃圾中是否有金屬，如果有金屬，通過按鍵打開特殊垃圾回收按鍵，利用金屬物體發(fā)出的信號來改變諧振諧波場的強(qiáng)度。為了識別金屬物體，電路的幅值也會(huì)發(fā)生變化。

用一個(gè)金屬探頭線圈產(chǎn)生可變的電磁場，在被測金屬物體中產(chǎn)生相對渦流，這種效應(yīng)會(huì)對金屬探測器線圈產(chǎn)生負(fù)面影響，改變儀器金屬探測器線圈的電阻，振蕩器檢測器的振蕩也應(yīng)相應(yīng)改變。振幅的變化被放大器處理為檢測信號，通過變換轉(zhuǎn)換成聲音信號，控制聲鏈?zhǔn)孤曇舭l(fā)出，并產(chǎn)生隨被測金屬距離和尺寸變化的聲音信號，具體如圖6所示。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了一種以STC15型號單片機(jī)為核心的智能分類垃圾桶，垃圾桶的主要功能有垃圾桶自動(dòng)開蓋、垃圾桶裝滿提醒、家庭火災(zāi)提示、垃圾自動(dòng)分類等諸多功能。在科技發(fā)展的今天，這種智能分類垃圾桶能夠有效地提高人們生活的便利性，有著十分廣闊的發(fā)展前景。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2021-10-15

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目：一種基于STC15單片機(jī)的智能分類垃圾桶（項(xiàng)目編號：202014389054）

作者簡介：鄭金記（1999—），男，四川德陽人，本科生在讀，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù);肖昌靜，本科生在讀。