白桂峰

（1.山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，太原030012；2.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原030051）

垃圾桶作為家庭生活中必備工具之一，在給人們生活帶來便利的同時，也給使用者造成了一定的危害?，F(xiàn)有的家用垃圾桶對垃圾封存效果不好，若不及時清理垃圾，極易造成異味散出和細(xì)菌滋生，導(dǎo)致家庭環(huán)境污染。但隨著人們生活水平的提高，環(huán)保意識也有所加強(qiáng)，大家逐漸將周身垃圾與自身健康緊密聯(lián)系在一起，智能垃圾桶應(yīng)時而生。目前市面上出現(xiàn)的智能垃圾桶，如自動翻蓋垃圾桶、語音播報垃圾桶、自動報滿垃圾桶等，不僅功能單一，而且價格昂貴，并沒有得到真正的普及[1-2]。因此，本文擬設(shè)計一款集多功能為一體的智能垃圾桶，不僅實用，而且成本較低，可廣泛用于人們的家庭生活。

1 設(shè)計目標(biāo)

首先，現(xiàn)在多數(shù)家庭使用的垃圾桶是無蓋型或人工翻蓋型，無蓋型垃圾桶經(jīng)常造成垃圾溢出或異味快速擴(kuò)散，人工翻蓋垃圾桶則存在使用不便等弊端。為了解決以上弊端，擬設(shè)計具有自動開關(guān)蓋功能的垃圾桶，當(dāng)有人扔垃圾時，垃圾桶自動開蓋，人離開自動關(guān)閉。其次，為垃圾桶加上蓋子避免了桶內(nèi)異味的迅速擴(kuò)散，但將垃圾與外界隔絕，導(dǎo)致人們不能直觀看到桶內(nèi)垃圾的高度。雖然人在扔垃圾時，蓋被打開，可以看到垃圾狀況，但是人不可能一直守在垃圾桶旁扔垃圾，因此，為了方便考慮，擬為垃圾桶設(shè)計高度檢測功能，用來提醒主人垃圾溢出狀況，以待主人及時處理垃圾。最后，封閉型垃圾桶會導(dǎo)致桶內(nèi)空氣流動性差，細(xì)菌極易滋生并產(chǎn)生有害氣體，故設(shè)計異味監(jiān)測功能，提醒用戶垃圾桶內(nèi)異味濃度情況，便于用戶作相應(yīng)的處理。若垃圾接近裝滿且有異味時，則及時進(jìn)行換袋處理；垃圾未滿但有異味時，則可以采取放置干燥劑、噴灑異味去除劑等措施處理。

綜上所述，本設(shè)計擬采用STC89C52 為主控制芯片，選用合適的傳感器件及驅(qū)動模塊，通過軟硬件的合理設(shè)計，進(jìn)而實現(xiàn)垃圾桶的智能化功能。該垃圾桶主要實現(xiàn)以下功能：①具有自動開關(guān)蓋功能；②可對垃圾桶內(nèi)垃圾進(jìn)行高度檢測；③可對垃圾桶內(nèi)垃圾進(jìn)行異味監(jiān)測，實時監(jiān)測桶內(nèi)異味濃度情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

針對以上分析，該款垃圾桶以STC89C52 單片機(jī)作為主控制芯片。為了實現(xiàn)自動開關(guān)蓋功能，引入紅外感應(yīng)模塊感應(yīng)是否有人扔垃圾，通過測距模塊檢測桶內(nèi)垃圾是否已滿，通過異味檢測模塊檢測桶內(nèi)異味氣體的濃度情況。以上三大模塊將檢測到的信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后，再將信號發(fā)送出去。其中，經(jīng)處理后的紅外感應(yīng)模塊信號傳送給電機(jī)驅(qū)動模塊，執(zhí)行開關(guān)蓋功能；顯示模塊和報警模塊用于接收經(jīng)處理后的測距信號和異味濃度信號。另外，通過電源模塊給單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動模塊供電。

綜上所述，該系統(tǒng)具有主控模塊 （單片機(jī)模塊）、紅外感應(yīng)模塊、測距模塊、異味檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、報警模塊，總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案Fig.1 Overall design scheme of the system

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計方案，完成家用智能垃圾桶的功能設(shè)計，具體設(shè)計如下：

自動開關(guān)蓋功能設(shè)計垃圾桶沿外側(cè)安裝一個紅外線傳感器，用來感應(yīng)人體。如果有人來到垃圾桶扔垃圾時，傳感器感應(yīng)，觸發(fā)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)開蓋，當(dāng)人離開后，電機(jī)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)閉蓋。

垃圾高度檢測功能設(shè)計沿垃圾桶蓋內(nèi)側(cè)均勻安裝5 個測距傳感器，當(dāng)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)小于或等于設(shè)定值，且超過3 個傳感器滿足要求（注：任意3 個傳感器即可），則單片機(jī)觸發(fā)蜂鳴器報警1 次。

異味檢測功能設(shè)計桶蓋內(nèi)側(cè)安裝1 個異味傳感器，用來檢測桶內(nèi)的異味氣體濃度，將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)實時傳到顯示屏上，且濃度達(dá)到50 ppm 以上報警。

2.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)及其外圍電路（人體感應(yīng)電路、電機(jī)驅(qū)動電路、光電開關(guān)測距電路、異味檢測電路等）構(gòu)成，實現(xiàn)垃圾桶的功能。下面對核心功能模塊的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2.1 熱釋電人體感應(yīng)電路設(shè)計

熱釋電紅外傳感器作為本設(shè)計關(guān)鍵的感應(yīng)模塊，它是用高熱電系數(shù)材料制成，用于探測紅外輻射，其本身是不帶紅外輻射源的，所以稱之為被迫式紅外反應(yīng)器。而通常的紅外感應(yīng)器由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，它是一類反射式傳感器。兩種傳感器的主要區(qū)別是執(zhí)行原理有別，前者是強(qiáng)迫式地對紅外線輻射進(jìn)行測量，后者是主動發(fā)射紅外線，再經(jīng)接收器接收變化的光強(qiáng)度來完成檢測任務(wù)。并且熱釋電傳感器靈敏度好且可靠。所以，選取熱釋電紅外傳感器較為合適[3]。

熱釋電紅外傳感器采用HC-SR501 傳感器，主要由傳感器探測元件、菲涅爾透鏡、干涉濾光片等組成，其外接示意圖如圖2 所示。人體感應(yīng)電路的設(shè)計如圖3 所示，左側(cè)部分表示HC-SR501 傳感器模塊，其3 個引腳分別接+5 V 電源、接地、接PNP型三極管的基極，集電極接地，發(fā)射極接單片機(jī)的I/O 口（P1.0）。

圖2 熱釋電紅外傳感器外接示意Fig.2 Schematic diagram of external connection of pyroelectric infrared sensor

圖3 熱釋電紅外傳感器電路設(shè)計Fig.3 Design of pyroelectric infrared sensorcircuit

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

本設(shè)計采用ULN2003 型號的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動模塊[4]。步進(jìn)電機(jī)的啟動是切換各組線圈中電流的順序?qū)崿F(xiàn)的，且作分步轉(zhuǎn)動，其中切換過程是由單片機(jī)輸出脈沖信號實現(xiàn)的，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是通過改變各相脈沖的先后順序?qū)崿F(xiàn)，具體電機(jī)驅(qū)動電路如圖4 所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計Fig.4 Design of motor drive circuit

該模塊采用1-2 相勵磁的方法，其輸入接口IN1～I(xiàn)N4 與單片機(jī)I/O 口P2.0～P2，3 連接，輸出與步進(jìn)電機(jī)相連。電機(jī)的啟動方式是線圈換相勵磁，4 相按A→AB→B→BC→C→CD→D→DA 方式換相，進(jìn)而實現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)； 按AD→D→DC→C→CB→B→BA→A 方式換相，實現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.2.3 光電開關(guān)測距電路設(shè)計

為了實現(xiàn)對垃圾桶內(nèi)垃圾高度的監(jiān)測，本設(shè)計采用E18-D80NK 不規(guī)則反射型光電傳感器。其發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)連續(xù)地發(fā)射紅外線光束，接收器把檢測物反射回來的光束轉(zhuǎn)換為電流傳輸給后面的集成電路，通過內(nèi)部電路處理后，再由放大器放大、輸出。它是一類既能發(fā)射光信號，又能接收到光信息的光電傳感器。檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)器順時針加大，逆時針減?。?。接觸方式是正極接電源、 負(fù)極接地、 黑色信號輸出線接I/O 口（P1.1、P1.3、P1.4、P1.5、P1.7、P3.2），其中光電開關(guān)電路如圖5 所示。

圖5 光電開關(guān)電路設(shè)計圖Fig.5 Design of photoelectric switch circuit

2.2.4 異味檢測電路設(shè)計

本設(shè)計采用KQM2800A 型空氣質(zhì)量傳感器，該器件具有有功耗低、壽命長；實時零點標(biāo)定、自動溫濕度補(bǔ)償；多種數(shù)據(jù)方式輸出、應(yīng)用簡單；響應(yīng)時間迅速、恢復(fù)時間短暫；高度的一致性及靈敏度；自適應(yīng)環(huán)境變化等特點。KQM2800A 傳感器的數(shù)據(jù)輸出接口采用IO 分四級輸出，硬件接口使用XH2.54 排座，通信口接單片機(jī)引腳P3.0，該模塊電路如圖6所示。

圖6 異味檢測電路設(shè)計圖Fig.6 Design ofodor detection circuit

2.3 軟件設(shè)計

垃圾桶的系統(tǒng)程序采用C 語言實現(xiàn)。當(dāng)垃圾桶系統(tǒng)啟用時，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后分三部分進(jìn)行檢測：①判斷是否有人扔垃圾，判斷為是，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，垃圾桶蓋打開；判斷為否，則返回。②判斷垃圾桶是否裝滿，判斷為是，則蜂鳴器報警；判斷為否，則返回。③判斷垃圾桶是否有異味，判斷為是則顯示屏顯示異味濃度值，此外，如果異味氣體濃度達(dá)到50 ppm 以上時，蜂鳴器發(fā)出報警聲；判斷為否，則返回。

3 結(jié)語

本文從環(huán)保、廉價、方便、智能的角度出發(fā)，以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，結(jié)合相應(yīng)的外圍電路，設(shè)計了一款多功能智能垃圾桶，實現(xiàn)垃圾桶自動開蓋、垃圾高度檢測和異味檢測等功能。整個設(shè)計過程簡單，功能可靠，價格客觀，可用于家庭、辦公等場所，具有一定的實用價值。