基于单片机的智能分类垃圾桶总体方案设计研究

基于单片机的智能分类垃圾桶总体方案设计研究

李本臣

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摘要

随着我国人口与经济的增长，垃圾的产量也是迅速增加。为了更加卫生，设计了自动开盖的功能。利用传感器识别出金属、干湿垃圾；利用电机拖动来进行运输，利用舵机的摆动来进行投放；同时为了防止火情，还可以对温度与烟雾进行实时监控；当温度过高或者出现烟雾时，会通过蜂鸣器发出警报，从而保证人员与财产安全。为了防止出现清理不及时的情况，利用光电传感器来对容量进行检测，溢满报警。

关键词STC89C52/自动分类/垃圾桶

1绪论

近些年来，中国的经济发展水平极为迅速。与前十几年相比，人民的生活水平有了大幅度的提高，但是这也带来了很多坏处。例如，垃圾的产量在不断提升。经济的增长也促使垃圾产量的迅速提升。虽然在垃圾处理方面，在过去的十年里取得了一些进展，但仍有大量的生活垃圾，只是简单的垃圾填埋，如果不改善，城市里会到处都堆满了垃圾，也曾有导演针对这个话题拍摄了一部纪录片，采访了上百人来增加这部片子的真实性以强调垃圾处理的重要性。科技在不断发展，城市化不断拓展，生活垃圾可以经过有效手段再利用而不是随意弃之。

2总体方案设计

2.1设计要求

为了设计一款多功能、低功耗、经济实用、易于推广的智能垃圾桶，在设计过程中需要遵循以下几点要求：

（1）实用可靠

设计必须从实际出发，兼顾市场需求，更要从使用者的需要入手。

（2）低成本

选择性价比高的元器件、优化程序、创新方案等方法都可以降低系统成本，减轻普通家庭及环保部门的经济压力[3]。

2.2系统组成

在设计智能垃圾桶时，需要确保包含以下几个功能模块：系统控制模块、湿度探测模块、烟雾探测系统、红外探测系统、显示屏模块、自动报警模块等等。其中干湿度检测模块需要额外接一个A/D转换器，温度检测模块与烟雾检测模块对桶内环境进行实时监控，预防火情。光电检测模块对容量进行检测，红外检测模块对人体检测，有人要扔垃圾时自动开盖。LED灯共有三个，对应三种属性的垃圾。显示模块显示温度与湿度，电机驱动模块运送垃圾，舵机驱动模块进行投放。当出现高温、烟雾、溢满的情况，报警模块会进行报警。

2.3系统主控制芯片选型

方案1：微控制器选STC89C52，这是一款8位的控制处理器，基于51单片机基础上进行加强，其RAM为集成型，高达512字节。其时钟周期具有两种，可以通过软件调节参数为6或者12，为用户提供了多种选择机会。

方案2：微控制器选STM32F103RCT6单片机，这是一款基于Cortex-M3内核的单片机，其处理位数高达32位。他的内部资源较STC89C52多，基本上接近于计算机的CPU，它的程序是分模块编写、IO口电平稳定，功能、工作速度快，

硬件资源也更加丰富，缺点是操作难度大，适合高端场合。

STC89C52因为是C51的升级款，内部可以进行位的操作，处理速度大幅度提升，内置元器件加多，功耗降低，而且本设计追求成本52单片机较32单片机价格略低。所以本设计中选择方案1。

2.4温度传感器选型

方案1：PT100是一款基于热电阻感测元件的一体式温度传感器，其有两部分组成：热电阻感测元件和A/D信号转换器。它应用范围广泛，信号传输稳定。温度采集范围在-55℃与+400℃之间。能够快速感觉到温度的变化。缺点是体积较大，且价格比较昂贵

方案2：DS18B20是一款基于数字式的温度传感器，它内部稳定因此抗干扰性能高，体积极小且消耗极低。而且还可根据场合的不同改变其外观，可以放置于小空间区域，其对温度的感测区间在-55℃到+125℃之间。

方案3：NTC是一款基于陶瓷探头的热敏电阻感测元件和AD信号转换器一体的温度传感器，它具有高灵敏度，可以快速响应外界温度变化，且它的一致性互换性好，测温范围-30℃至105℃。但是其陶瓷探头容易损坏，可靠性较低。

虽然DS18B20测量精度与PT100有一些差距，响应速度也不如NTC温度传感器，但是其结实耐用，价格便宜，测温范围与精度对于该设计来说完全够用，所以在本设计中选择方案二。

2.5电机驱动模块选型

方案1：L298N电机驱动板块是一款集降压升压，驱动为一体的驱动板块。此款驱动功耗较别的电机驱动略小，而驱动电机的能力极强。其供电端只需连入12V，可驱动电机同时降压给单片机进行供电，方便且节省面积和I/O口。

方案2：TB6612驱动模块，这种驱动工具需要外接直流电源，内部包含两个H桥，这种结构可以扩大电流的释放效果，并且由于存在两条通道，可以同时输出电流，模块中产生额PWM频率也高达100千赫兹，能够实现正反转及速度控制。

与L298N相比，TB6612效率高，体积小，不发热，满足要求。所以在设计中选择方案二。

2.6金属传感器选型

市面上常见的金属传感器有LJ4A3-1-Z/BX、LJ12A3-4-Z/BY、LJ18A3-8-Z/BX等型号。综合考虑下来选择采用最常用的LJ12A3-4-Z/BY接近开关来完成检测任务。虽然电感式接近开关的体积比贴片式要大一些，但还是可以接受的，而且其稳定性好，反应变化度高，响应时间短，抗干扰性强，操作稳定可靠，主要为黄铜镀镍探头。产品参数如表2-1所示。

表2-1 LJ12A3-4-Z/BY产品特性

2.7 A/D转换模块选型

52单片机有一个明显的特征，就是不能直接读取信号，需要借助A/D转换器才能开展控制工作，常见的A/D转换器有ADC0804、ADC0809、ADC0832、PCF8591等型号。这些A/D转换器采用不同的计算原理，但都是将模拟信号转换为单片机可以直接处理的数字信号。ADC0832是一种双通道A/D转换芯片，有8位分辨率，它体积小质量好，性能稳定，可靠性强。目前有很高的普及率。虽然精度一般，但完全可以满足本设计的要求。产品参数如表2-2所示。

表2-2 ADC0832产品参数

3总结

我国当下对于垃圾的分类与利用并不成熟，这就会造成垃圾的污染和浪费。以此为基础，设计一款智能的分类垃圾桶成了解决此问题的关键所在。这可以解决高昂的人工处理费用，也可以有效快速精准的实现垃圾的分类与回收再利用。它可以通过改变程序适应不同地区不同要求的垃圾分类，实用性极高。

参考文献

[1]李斐,陈芃均,侯丽萍.智能分类垃圾桶[J].电子世界,2022,(1):191.

[2]徐云平.基于语音识别的智能分类垃圾桶[J].电子测试,2022,(1):23.

[3]刘禹辰,朱娟.一种城市生活垃圾智能检测分类系统设计[J].电子制作,2022,30(1):34.

[4]吕汝金,苏庚辰,徐永博.一种智能分类垃圾桶的设计研究[J].机械设计与制造,2022,(5):24.

[5]薛欣愿,毛威,白园.环保智能分类垃圾桶的设计[J].电脑知识与技术,2021,17(28):135.