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智能垃圾桶硬件程序設計


隨著生活水平的提高,人們越來越重視周邊的環境衛生,追求健康的生活環境。現今,對于垃圾的投放處理問題也越來越關注,而且隨著科技的進步,人們也要求垃圾桶更智能化。垃圾桶附近由于臟和臭,一直是我們所遠離的區域,究其原因主要有兩個:一是垃圾分類效果差,各種垃圾混雜,易腐爛變質,導致產生異味。二是垃圾桶裝滿沒有得到及時的清理,導致垃圾外溢。為了減少異味和及時清理垃圾桶,因此文章研究設計了這款智能垃圾桶。

一、智能垃圾桶的硬件設計

基于Arduino智能垃圾桶設計的原理框圖如圖1所示。

圖 1 智能垃圾桶整體方案結構框圖

從圖1可以看出,除了控制單元外,主要包括顯示模塊、紅外傳感器感應模塊、無線信號發射模塊和電機驅動模塊。本方案是以Arduino UNO R3作為核心控制單片機,控制各個模塊協調配合來實現垃圾桶自動開蓋及監測垃圾盈滿程度等功能。其中,熱釋電紅外傳感器用于檢測是否有人靠近扔垃圾,紅外線測距傳感器用于實時檢測垃圾桶垃圾是否超過預設溢滿度。一旦垃圾桶裝滿,即使檢測到有人靠近,也不會自動開蓋,且會給出相應提示信息。

1.1顯示模塊

顯示部分分為文字顯示和燈光顯示,主要由一塊液晶字符顯示屏(LCD 1602)和兩個led(一紅一綠)構成。LCD1602液晶能夠同時顯示32個字符,可用來顯示字母、數字、符號等。LCD1602引腳的功能可參照芯片使用手冊。本系統中,如果垃圾桶沒滿,led綠燈亮,LCD顯示屏顯示“請按類扔垃圾”;如果垃圾桶已裝滿,led紅燈亮,LCD顯示屏顯示“垃圾桶已滿,請勿繼續丟垃圾”。

1.2紅外線傳感器感應模塊

采用的是紅外避障傳感模塊和熱釋電紅外傳感器。紅外避障模塊技術規格如下:探測距離:2~30cm;工作電壓:3.5~5V;標準電流消耗:33~50mA;輸出量:模擬量輸出,輸出電壓和探測距離成比例。

垃圾感應部分采用的是紅外避障傳感模塊,此傳感模塊是泰威生產的紅外距離傳感器。紅外線距離傳感器會提供一個與感應到的障礙物成反比的電壓輸出信號,10cm以內時,點亮LED指示燈作為警報指示,在測量距離為10cm時,傳感器會輸出2.5V的電壓。人體感應部分采用熱釋電紅外傳感器HS-SR501。調節距離電位器順時針旋轉,感應距離增大(約7米),反之,感應距離減小(約3米)。

1.3無線收發模塊

無線數據模塊具有較寬的工作電壓范圍3~12V,這樣一旦電壓發生變化,發射頻率基本不變,有利于接收模塊無需任何調整就能穩定地接收。這里選用的是315MHz的F05R無線收發模塊,具有體積小、功耗低等特點。工作頻率為315MHz,數據模塊采用ASK方式調制,以降低功耗。

1.4電機驅動模塊

文章的設計采用單級步進電機作為動力系統,這是因為步進電機比直流電機能更好控制電機旋轉角度。微控制器是不能直接驅動電機的。這里用TIP130功率晶體管來驅動步進電機每個線圈。單極性驅動電路使用四顆晶體管來驅動步進電機的兩組相位,電機的轉速則由控制信號的時序來決定,采用4拍制模式運行,先轉動第一步并延時5秒,然后轉動第二步并延時5秒,接著轉動第三步并延時5秒,最后轉動第四步并延時5秒。

二、智能垃圾桶軟件設計

軟件程序的編寫主要采用C語言,工作流程大致為:當程序開始執行時,首先進行定時器和各連接引腳的初始化,接著檢測垃圾桶是否滿了,如果沒滿就綠燈亮,當檢測有人靠近時,打開垃圾箱蓋,顯示“請按類扔垃圾”,如果檢測垃圾桶已經滿了,則紅燈亮,有人靠近垃圾箱蓋子也不打開,顯示“垃圾桶已滿,請勿繼續丟垃圾”,且無線發送模塊發出信號,環衛處接到信息派人處理垃圾桶,程序回到檢測垃圾桶處。

2.1紅外線感應子程序設計

首先將傳感器信號輸出引腳置低電平,即進行初始化。當垃圾距離探頭10cm時,傳感器信號輸出引腳置高電平,點亮紅燈,顯示相關信息,同時標志位置1輸出高電平,此端連接無線模塊使能端;否則傳感器信號輸出引腳置低電平,點亮綠燈,顯示相關信息,同時,如果熱釋電傳感器檢測到有人丟放垃圾,電機驅動開啟,打開垃圾桶蓋,人離開后關閉。

2.2無線接發模塊子程序設計

初始化后開始檢測無線發射模塊的使能信號是否為1,如果為高電平則發送垃圾桶已滿信號。提醒的是,315M無線模塊需要譯碼解碼模塊,本系統用的是軟件解碼譯碼。

總結

本文設計的智能垃圾桶利用避障測距紅外線傳感器檢測垃圾箱是否盈滿;利用熱釋電傳感器檢測是否有人要扔垃圾,根據夏普紅外線檢測結果控制垃圾箱蓋的開關,并且通過LCD1602顯示屏做出提示,且通過315mhz無線通信模塊做出實時監控。相比傳統垃圾桶,具有智能提示和智能開關功能,有一定的實用價值。

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