單片機(jī)智能環(huán)保垃圾桶設(shè)計(jì)

盧睿潔 周泊龍 韓軍良

【摘 ?要】為解決傳統(tǒng)垃圾桶使用不便的問題，在人們丟棄垃圾時(shí)避免雙手被污染和雙手占用問題，論文介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)控制的智能環(huán)保垃圾桶，其可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感應(yīng)測(cè)距。使用時(shí)，其既可自動(dòng)開蓋，延時(shí)自動(dòng)關(guān)蓋，也可手動(dòng)控制，按鍵開蓋。其設(shè)有滿溢指示燈，在垃圾量達(dá)到滿溢標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，提示使用者及時(shí)清理垃圾。垃圾桶選用伸縮式步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，利用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，由STC單片機(jī)控制程序，在需要使用時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過輸出軸輸出推力，推動(dòng)杠桿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)蓋。

【Abstract】In order to solve the problem of inconvenient use of traditional trash can， to avoid the problems of contamination of hands and occupation of hands when people discard trash， this paper introduces an intelligent environmental protection trash can based on STC89C52 single chip microcomputer control， which can realize automatic induction distance measurement. When in use， it can open the cover automatically， close the cover automatically after delay， or manually control to open the cover by pressing the key. It is equipped with spill-over indicator light to prompt the user to clean up the trash in time when the amount of trash reaches the spill-over standard. The telescopic stepper motor is used as the power source for the trash can. The L298N motor driver module is used to drive the trash can. The STC single chip microcomputer controls the program to drive the motor when it is needed. The thrust is output through the output shaft， and the lever is pushed to realize the automatic opening and closing of the cover.

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);滿溢提醒;自動(dòng)開蓋

【Keywords】single chip microcomputer; spill-over prompt; automatic cover opening

【中圖分類號(hào)】TB472;TP368.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2020）10-0184-02

1 桶身結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的智能垃圾桶主要由四部分組成，包括操作面板、桶體、底和桶蓋四大結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)包含若干零件。電路控制部件主要由操作面板、電機(jī)控制電路、電源電路、單片機(jī)電路和傳感器電路組成，主要在人接觸垃圾桶時(shí)，單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)的控制并實(shí)現(xiàn)開蓋動(dòng)作和對(duì)垃圾桶內(nèi)垃圾位置高度的監(jiān)控，并在達(dá)到一定高度時(shí)進(jìn)行溢出告警的功能。底面安裝板上安裝的是控制系統(tǒng)的主要部分，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)板、振動(dòng)傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、伸縮式步進(jìn)電機(jī)。

2 電氣系統(tǒng)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

電氣系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)以及基本連接關(guān)系如圖1所示。

2.2 控制系統(tǒng)原理

電氣系統(tǒng)由電源電路、STC89C52單片機(jī)電路、手動(dòng)開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路、伸縮式步進(jìn)電機(jī)、LED顯示燈、振動(dòng)傳感模塊、測(cè)距模塊、蜂鳴器等部分組成。

以上各個(gè)模塊的原理圖以及連接關(guān)系如圖2所示。

2.3 主要模塊介紹

2.3.1 STC89C52單片機(jī)電路

STC89C52單片機(jī)電路選用HC-56-M3最小系統(tǒng)板，通過最小系統(tǒng)板可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他電氣功能模塊的連接控制。

2.3.2 驅(qū)動(dòng)電路

L298N是一個(gè)單片集成電路，封裝為Multiwatt 15，高電壓，大電流，雙路全橋驅(qū)動(dòng)，TTL電平控制，能夠控制繼電器、電磁鐵、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載，兩個(gè)使能端能夠控制獨(dú)立功能模塊的輸入信號(hào)。

2.3.3 伸縮式步進(jìn)電機(jī)

本設(shè)計(jì)選用Minebea美蓓亞公司的兩相四線永磁直線步進(jìn)電機(jī)，在電機(jī)內(nèi)部將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，最終輸出伸縮式直線運(yùn)動(dòng)。

3 自由度計(jì)算

根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，可知此機(jī)構(gòu)共有三個(gè)構(gòu)件，1、2、3桿。共有4個(gè)低副，均為轉(zhuǎn)動(dòng)副。高副數(shù)目為0。因此，該機(jī)構(gòu)的自由度為：

F=3n-2p ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

所以，垃圾桶機(jī)構(gòu)有一個(gè)自由度，電機(jī)作用于杠桿，因此，桿件1為原動(dòng)件。該機(jī)構(gòu)有一個(gè)自由度，一個(gè)原動(dòng)件，所以機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

4 功能介紹

4.1 來人開蓋

當(dāng)手或者其他障礙物與垃圾桶蓋頂部的距離小于30cm時(shí)，垃圾桶蓋自動(dòng)開啟。當(dāng)人手完成扔垃圾動(dòng)作離開后，延時(shí)5s，垃圾桶蓋會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。開蓋功能觸發(fā)時(shí)，蜂鳴器會(huì)響一聲，提示成功觸發(fā)開蓋。

4.2 踢動(dòng)開蓋

使用腿、腳、膝蓋等部位輕輕踢動(dòng)垃圾桶身，垃圾桶蓋自動(dòng)打開。完成扔垃圾動(dòng)作5s之后，垃圾桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。開蓋功能觸發(fā)時(shí)，蜂鳴器將連響三聲，提示成功觸發(fā)振動(dòng)感應(yīng)開蓋。

4.3 手動(dòng)開蓋

垃圾桶蓋上的按鈕主要用于手動(dòng)開蓋，綠色指示燈亮起時(shí)，只要按下開關(guān)，垃圾桶蓋就會(huì)打開，再次按下開關(guān)，垃圾桶蓋關(guān)閉。

5 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)的總體思路如下：

①接通電源，工作燈（綠色LED指示燈）亮起。

②打開1號(hào)超聲波測(cè)距模塊，持續(xù)測(cè)距。

③判斷1號(hào)超聲波傳感器距離是否小于開蓋距離30cm。如果小于則完成開蓋過程后繼續(xù);如果大于則繼續(xù)。

④判斷按鍵是否按下。按下時(shí)開蓋，等待按鍵再次按下時(shí)關(guān)閉;未檢測(cè)到按鍵則繼續(xù)。

⑤判斷是否有振動(dòng)。有振動(dòng)時(shí)完成開蓋;無振動(dòng)則繼續(xù)。

⑥2號(hào)超聲波測(cè)距。距離小于5cm時(shí)紅色LED燈亮;距離大于5cm時(shí)繼續(xù)。

⑦結(jié)束。

6 結(jié)語

綜上所述，垃圾桶設(shè)計(jì)圓滿完成。本論文的思路主要源于垃圾桶的日常使用中存在的不便，在了解和掌握一定機(jī)械原理和控制原理的基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)控制的智能環(huán)保垃圾桶進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。通過查閱文獻(xiàn)，參考已有的智能垃圾桶制作成品，對(duì)最實(shí)用的功能加以總結(jié)，在本文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中體現(xiàn)出來。

【參考文獻(xiàn)】

【1】熊良山.機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)（第3版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

【2】許立忠，周玉林.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

【3】白桂峰.基于STC89C52的家用智能垃圾桶設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2019，34（03）：97-100.

【4】張毅剛，牛夏牧，李春明.單片微機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

【5】周麗榮.物聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)試，2018（02）：79-80.