智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案

1、1、工作原理整體架構(gòu)如圖1所示：電平為高電平高到低電平為高輸出放音地址輸出出控制電平提供+5v單片機(jī)STM32電源熱釋紅外傳感器震動(dòng)傳感器紅外光PT2262桶蓋控制部分語(yǔ)音部分圖1 作品系統(tǒng)架構(gòu)圖程序分為3大塊：主程序?yàn)榈却訒r(shí)、定時(shí)中斷，熱釋紅外傳感器中斷。工作原理：當(dāng)人走到熱釋紅外傳感器的探測(cè)范圍內(nèi)，傳感器熱釋電元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)過(guò)hn911內(nèi)部電路處理將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平變換，當(dāng)檢測(cè)到人時(shí)向單片機(jī)提供了一個(gè)低電平（下降沿），將此信號(hào)作為一個(gè)外部中斷信號(hào)（在設(shè)計(jì)此方案的時(shí)候，我們還想到檢測(cè)的時(shí)候運(yùn)用圖像處理法，他的優(yōu)點(diǎn)就能夠容易區(qū)分垃圾種

2、類和準(zhǔn)確是否是人，但其缺點(diǎn)是處理信息大，受到環(huán)境影響大，所以放棄）；震動(dòng)傳感器是將垃圾桶的震動(dòng)（被物體撞擊）或者重量變化轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)，通過(guò)I/O口單片機(jī)可以查詢到此信號(hào)；當(dāng)PT2262/2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片，其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，將垃圾的投入和垃圾桶是否滿轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)，通過(guò)I/O口單片機(jī)可以查詢到此信號(hào)；單片機(jī)在進(jìn)行初始化與設(shè)定定時(shí)時(shí)間后，就等待中斷信號(hào)，當(dāng)外部中斷端有信號(hào)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入處理中斷，認(rèn)為此時(shí)有人來(lái)，通過(guò)查詢I/O信號(hào)，判斷是否打開垃圾桶蓋，當(dāng)垃圾桶未滿即PT2262/2272端無(wú)信號(hào)打開

3、垃圾桶蓋（單片機(jī)控制電磁鐵通電，蓋打開），通過(guò)震動(dòng)傳感器和PT2262/2272信號(hào)的綜合判斷此人是否是投垃圾的，與此同時(shí)單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片發(fā)出一些幽默的話語(yǔ)，提示大家愛護(hù)環(huán)境，也給大家?guī)?lái)一些快樂。正因?yàn)槭⑷簡(jiǎn)纹瑱C(jī)有很方便休眠喚醒功能，在PA口加下降沿可是單片機(jī)喚醒，并且喚醒后執(zhí)行喚醒的嚇一跳指令，所以在長(zhǎng)時(shí)間沒有人來(lái)投垃圾，單片機(jī)自動(dòng)的將除HN911以外的電路電源關(guān)閉，之后單片機(jī)進(jìn)入休眠，從而大大減少能源的浪費(fèi)。做到了節(jié)能環(huán)保。當(dāng)有人來(lái)時(shí)，通過(guò)HN911電路部分將單片機(jī)喚醒，單片機(jī)將以前關(guān)閉電源的電路從新通電進(jìn)入正常工作狀態(tài)。四、作品功能、特色本作品節(jié)能環(huán)保，干凈衛(wèi)生，具有一定的娛樂性，運(yùn)

4、用廣泛，可適用于各種中高級(jí)辦公樓等公共場(chǎng)合，其原理也可運(yùn)用至其他領(lǐng)域，如防盜作用等，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。作品采用了HT46F49E作為主控單片機(jī)，以紅外傳感器、震動(dòng)傳感器、語(yǔ)音芯片為主要模塊，主要特點(diǎn)如下：（1）節(jié)能環(huán)保。本作品有休眠喚醒功能，在長(zhǎng)時(shí)間沒有人來(lái)投垃圾，單片機(jī)自動(dòng)的將除紅外感應(yīng)以外的電路電源關(guān)閉，之后單片機(jī)進(jìn)入休眠，從而大大減少能源的浪費(fèi)；做到了節(jié)能環(huán)保。當(dāng)有人來(lái)時(shí)，又通過(guò)該電路部分將單片機(jī)喚醒，單片機(jī)將以前關(guān)閉電源的電路從新通電進(jìn)入正常工作狀態(tài)。（2）干凈衛(wèi)生。智能垃圾桶順應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)的追求，突破了傳統(tǒng)帶蓋垃圾桶用手或腳開蓋的思維屏障，感應(yīng)開、關(guān)桶蓋讓人們?cè)趤G時(shí)少了份擔(dān)心，減

5、少了生活中各種病菌交叉感染的機(jī)率。同時(shí)具有良好的密封性好，無(wú)垃圾異味溢出，確保四週空氣清新。（3）娛樂性。本作品的語(yǔ)音系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同情況發(fā)出一些幽默詼諧的話語(yǔ)，娛樂大眾的同時(shí)也吸引人們有意識(shí)地將垃圾丟進(jìn)桶內(nèi)，更能吸引小孩去撿垃圾往里丟，從而使人們養(yǎng)成不亂扔垃圾的好習(xí)慣，讓我們周圍的環(huán)境更加美麗。（4）運(yùn)用廣泛。本作品可有多種色彩、多種容量、多種材料選擇，提升了公共場(chǎng)合及居家檔次，滿足了人們崇尚人性和時(shí)尚，不斷塑造個(gè)性和魅力的生活品味；是辦公、家用、公用、會(huì)議、醫(yī)療等使用的理想選擇。五、 作品結(jié)構(gòu)(一) 硬件部分硬件電路部份包括：電源電路模塊HT46F49E芯片控制中心模塊；信號(hào)檢測(cè)電路模塊；控

6、制電路模塊與語(yǔ)音電路模塊四部份。分別說(shuō)明如下:Mod_1模塊：電源電路模塊實(shí)現(xiàn)給HT46F49E單片機(jī)供電功能。Mod_2模塊：使用HT46F49E芯片，建立基本輸入輸出模型。實(shí)現(xiàn)與Mod_3模塊的串行通信功能，以及實(shí)現(xiàn)基本控制功能。Mod_3模塊：信號(hào)檢測(cè)電路模塊是由各插孔的檢測(cè)電路分別與各個(gè)用電器相串聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的檢測(cè)。熱式紅外傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部紅外熱源的檢測(cè)。震動(dòng)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部重量和形變的檢測(cè)。紅外光傳感器模塊在Mod_2模塊中HT46F49E的控制下對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收。Mod_4模塊：控制電路模塊用一個(gè)電磁鐵實(shí)現(xiàn)桶蓋的打開與關(guān)閉。語(yǔ)音電路模塊主要

7、用編程實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的提醒功能及播報(bào)功能。1、Mod_1模塊解析：電源電路是由變壓器、橋式整流電路、集成器7085及一些電容所組成。家用電器使用的220v交流電壓通過(guò)變壓器降壓、橋式整流電路整流后，再通過(guò)7805集成器將電壓穩(wěn)定成為5v的直流電壓，給單片機(jī)HT46R23供電。為了解決電信號(hào)中的干擾問題，我們?cè)诩善?085的兩邊并接電容用以濾波。電路圖如下所示： 圖2 電源模塊電路圖2、Mod_2模塊解析： 圖3 HT46F49E單片機(jī)引腳功能表工作電壓：fSYS=4MHz：2.2V 5.5VfSYS=8MHz：3.3V5.5VfSYS=12MHz：4.5V5.5V 13 到23 個(gè)雙向輸入/

8、輸出口 與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入 8 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有溢出中斷和7 級(jí)預(yù)分頻器 內(nèi)置晶體和RC 振蕩驅(qū)動(dòng)電路 看門狗定時(shí)器 具有PFD 功能，可以用來(lái)發(fā)聲 暫停和喚醒功能可降低功耗 在VDD =5V，系統(tǒng)頻率為48MHz 時(shí)，指令周期為0.5s在本作品的開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，HT46F49E單片機(jī)采用5V穩(wěn)壓電源供電。工作在48MHz時(shí)鐘頻率。由于采用RISC 結(jié)構(gòu)，此系列單片機(jī)具有高運(yùn)算速度和高性能的特性有了集成的A/D 和PWM 功能的優(yōu)勢(shì)，再加上低功耗、高性能、靈活控制的輸入/輸出和低成本等特性。3、Mod_2模塊解析：信號(hào)檢測(cè)電路部分分為三大塊：熱式紅外傳感器、震動(dòng)傳感

9、器、紅外光傳感器。（1）熱式紅外傳感器模塊這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，

10、具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。 HN911型熱釋電紅外探頭模塊的內(nèi)部電路框圖如圖所示。圖4 HN911型熱釋電紅外探頭模塊以及內(nèi)部電路框圖 平時(shí)端輸出低電平，端輸出高電平。當(dāng)有移動(dòng)發(fā)熱體迸太監(jiān)視范圍時(shí)，熱釋電紅外傳感器接收到紅外能量，并輸出檢測(cè)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器放大后，由比較器進(jìn)行比較判斷，再由信號(hào)處理電路處理后輸出控制信號(hào)。此時(shí)輸出端變?yōu)楦唠娖?，而輸出端變?yōu)榈碗娖健Ｔ谀K的外部可接增益調(diào)節(jié)電位器，以調(diào)節(jié)放大器的增益。HN911型熱釋電紅外探買模塊的主要特性參數(shù)見表。表:HN911型熱釋電紅外探頭模塊主要特性參數(shù)注：根據(jù)傳感器視場(chǎng)和靈敏度經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確

11、定傳感器放置角度來(lái)合理確定監(jiān)控距離.濾光片 人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)10um左右，將濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。濾光片。濾光片為6um多層膜干涉濾光片，這種對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈的短波（約為5um一下）具有高的反射作用，而對(duì)6um以上的人體發(fā)出的紅外熱源（10um）有高的穿透性，其光譜特性。如圖所示： 圖5 放大電路放大電路為單片機(jī)提供一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)入處理“是否丟垃圾程序流程圖”。（2）震動(dòng)傳感器此模塊運(yùn)用應(yīng)變器對(duì)重量和形變非常敏感，加上一個(gè)差動(dòng)橋，大大提高了靈敏度在經(jīng)過(guò)A/D將其轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)。下面介紹：薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 圖6薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)

12、體材料沉積在帶有絕緣層的試件上或藍(lán)寶石上制成的（上圖所示）。它通過(guò)改變真空沉積時(shí)襯底的溫度來(lái)控制沉積層電阻率的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適于不同試件材料的溫度自補(bǔ)償薄膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，并避免了它的缺點(diǎn)，是一種較理想的應(yīng)變片。差動(dòng)電橋應(yīng)變片、薄膜和厚膜應(yīng)變片傳感器一般采用惠斯通電橋?；菟雇姌?qū)?yīng)變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)換為差分電壓如圖1所示。+Exc和-Exc終端加上激勵(lì)電壓后，+VOUT和-VOUT終端上出現(xiàn)與應(yīng)變成正比的差分電壓。圖7 惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片 全橋電路時(shí)單臂靈敏度的四倍.為了提高其靈敏度采用全橋電路

13、.將應(yīng)變片貼在垃圾桶的內(nèi)側(cè)面，利用全橋電路靈敏度高的特點(diǎn)測(cè)量垃圾桶震動(dòng)幅度.并轉(zhuǎn)換成電壓接入單片機(jī)分析。（3）紅外光傳感器PT2262/2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射/接收芯片。 圖8紅外光傳感器 PT2262-IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有“1”、“0”和“開路”三種狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入有“1”和“0”兩種狀態(tài)。由各地址、數(shù)據(jù)的不同接腳狀態(tài)決定，編碼從輸出端Dout 輸出，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。其編碼時(shí)序波形如圖2 所示。Dout 輸出的編碼信號(hào)是調(diào)制在38kHz載波上的，OSC1、OSC2 外接的電阻決定載頻頻率，一般電阻可在430k470k 之間選擇即可。PT2272 的暫

14、存功能是指當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)，PT2272 的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出位即變?yōu)榈碗娖?。而鎖存功能是指，當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)，PT2272 的數(shù)據(jù)輸出端仍保持原來(lái)的狀態(tài)，直到下次接收到新的信號(hào)輸入。圖3 是紅外發(fā)射和接收的典型應(yīng)用原理圖，為了能正確解調(diào)出調(diào)制的編碼信號(hào)，接收端需加一級(jí)前置放大級(jí)，保證輸入PT2272 的信號(hào)幅度足夠大。PT2272 各輸出端通過(guò)各種接口即可控制相應(yīng)的負(fù)載。PT2262/2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片。其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)射電路變得非常簡(jiǎn)潔。接收芯片PT2272 的數(shù)據(jù)輸出位根據(jù)其后綴不同而不同，數(shù)

15、據(jù)輸出具有“暫存”和“鎖存”兩種方式，方便用戶使用。后綴為“M”為“暫存型”，后綴為“L”為“鎖存型”。 因此可以用這一對(duì)芯片外加輔助電路對(duì)垃圾進(jìn)行檢測(cè).將其輸出（電壓）放大調(diào)節(jié)接入單片機(jī)。4、Mod_4模塊解析：（1）控制電路模塊此模塊主要采用電磁鐵來(lái)控制垃圾桶蓋的打開與關(guān)閉。本作品中選用拍合式電磁鐵，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖9 拍合式電磁鐵結(jié)構(gòu)圖線圈1套在鐵心2上，兩者固定不動(dòng)，銜鐵3是運(yùn)動(dòng)部分。當(dāng)線圈部分通過(guò)一定值電流過(guò)后，在鐵心、銜鐵、氣隙中間就產(chǎn)生一定數(shù)量的磁通。圖中虛線所示為磁通流過(guò)的路徑。在磁通的作用下，產(chǎn)生一定大小的電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心，企圖是氣隙4減到最小。圖中箭頭表示銜鐵吸

16、引時(shí)運(yùn)動(dòng)的方向。當(dāng)線圈中電流停止后，電磁吸力就消失。 當(dāng)電磁鐵通電后，產(chǎn)生電磁吸力，再運(yùn)用杠桿原理使桶蓋打開；當(dāng)電磁鐵斷電后，電磁吸力消失，此時(shí)垃圾桶蓋由于重力作用關(guān)閉。（2）語(yǔ)音電路模塊ISD25120 有10 個(gè)地址輸入端A0A9，錄址能力可達(dá)1024 位，地址空間01023。其分配情況是：地址0299作為分段用，地址600767 未使用，址7681023 為工作模式選擇（即A8、A9 均為高）。ISD25120的地址線有兩用途，一是作為工作模式控制，二是作為分段錄放音的起始段地址。當(dāng)最高位地址（MSB）A8、A9 都為高電平時(shí)（即地址7681023），地址端A0A6 就作為工作模式選擇端

17、M0M6，對(duì)應(yīng)7 種工作模式。當(dāng)A8、A9 任一位為低或都為低時(shí)（即地址0599），只要在分段錄/放音操作前（不少于300ns）給地址A0A9 賦值，操作就從該地址開始。AUX IN輔助輸入，VSSD、VSSA數(shù)字地和模擬地，SP+、SP-揚(yáng)聲器輸出，VCCA模擬信號(hào)電源正極， MIC、MIC REF 麥克風(fēng)輸入端和輸入?yún)⒖级耍珹GC自動(dòng)增益控制， ANA IN、ANA OUT 模擬信號(hào)輸入和輸出， OUF 溢出，CE 片選（低電平允許芯片工作），PD 芯片低功耗狀態(tài)控制， EOM 錄放音結(jié)束信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)圖和電路圖如下： 圖10語(yǔ)音電路模塊(二) 軟件部分程序流程圖：主程序?yàn)榈却訒r(shí)（圖4）、定時(shí)中斷（圖5），熱釋紅外傳感器中斷（圖6）。圖5定時(shí)中斷（節(jié)能程序流程圖）關(guān)閉電磁鐵電源關(guān)閉語(yǔ)音芯片關(guān)閉震動(dòng)傳感器關(guān)閉紅外光傳感器單片機(jī)進(jìn)入休眠中斷返回定時(shí)中斷入口圖4 主程序?yàn)榈却訒r(shí)（主程序流程圖）開始初始化等待中斷設(shè)定定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作