基于.單片機(jī)的智能垃圾桶的設(shè)計(jì)說明

1、 PAGE18 / NUMPAGES18經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 基于Arduino的智能垃圾桶的設(shè)計(jì)姓 名 王 彤 學(xué) 號(hào) 9 班 級(jí) 4101090102 指導(dǎo)教師 明 亮 2014年 1 月 8 日要求：1指導(dǎo)教師按照課程設(shè)計(jì)大綱要求完成學(xué)生課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)工作。2課程設(shè)計(jì)任務(wù)書由指導(dǎo)教師照大綱要求填寫，容要全面。3課程設(shè)計(jì)報(bào)告由參加本學(xué)生填寫。課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)交指導(dǎo)教師。4指導(dǎo)教師要根據(jù)每一位學(xué)生課程設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況，認(rèn)真審核設(shè)計(jì)報(bào)告，并在課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，給出客觀、準(zhǔn)確的評(píng)語和成績。5課程設(shè)計(jì)任務(wù)書和報(bào)告要語言流暢，圖表正確規(guī)。6本表要用鋼筆、圓柱筆填寫或打

2、印，字跡工整。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書班級(jí) 4101090102 王 彤 學(xué)號(hào) 9 課程設(shè)計(jì)題目 基于Arduino的智能垃圾桶的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)起止日期 2013.12.23 至 2014.1.10 實(shí)習(xí)地點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)樓 106 課程設(shè)計(jì)容與要求 設(shè)計(jì)任務(wù)：基于Arduino的智能垃圾桶 要求： 1.可以用遙控器控制垃圾桶的行走，并由人們實(shí)時(shí)隨意控制； 2.垃圾桶在行進(jìn)過程中可以躲避障礙物； 3.有人伸手扔垃圾時(shí)，垃圾桶蓋自動(dòng)打開，之后自動(dòng)關(guān)閉； 4.圾桶垃圾到達(dá)一定程度時(shí)，垃圾桶能自動(dòng)發(fā)出提醒聲； 指導(dǎo)教師： 明亮 2013 年 12月 23 日注：此表可加附頁一、設(shè)計(jì)原理與技術(shù)方法（包括：電路工作原理分

3、析與原理圖、元器件選擇、電路調(diào)試方法與結(jié)果說明；軟件設(shè)計(jì)說明書與流程圖、軟件源程序代碼、軟件調(diào)試方法與運(yùn)行結(jié)果說明。）智能垃圾桶的功能分析為實(shí)現(xiàn)所有功能，需要一個(gè)控制中心，即主控單元，實(shí)時(shí)接收各方面信息并處理，然后發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)功能。要實(shí)現(xiàn)無線遙控功能，需要一個(gè)外置的遙控器，垃圾桶主體還要設(shè)置一個(gè)信號(hào)接收的模塊接受遙控的指令并把信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給主控單元，再由主控單元處理并發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和控制輪子以改變方向。而對(duì)于自動(dòng)避障功能，需要設(shè)置一個(gè)避障模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，能夠檢測(cè)前方是否有障礙。若有，則發(fā)送電信號(hào)至主控單元，再由主控單元發(fā)送指令至發(fā)動(dòng)機(jī)，從而停止行進(jìn)。需要檢測(cè)環(huán)境的功

4、能還有自動(dòng)開蓋功能和自動(dòng)提醒垃圾已滿功能。自動(dòng)開蓋功能需要一個(gè)感應(yīng)模塊和一個(gè)軸承控制模塊。如果有人體靠近，感應(yīng)模塊就發(fā)送信號(hào)到主控單元，通過主控單元控制軸承控制模塊，打開垃圾桶蓋。自動(dòng)提醒垃圾已滿功能需要一個(gè)測(cè)試模塊和語音控制模塊。桶垃圾達(dá)到一定高度時(shí)測(cè)試模塊就發(fā)送信號(hào)給主控單元，從而使語音控制模塊發(fā)出提醒聲。以上三個(gè)功能都需要傳感器來檢測(cè)外界環(huán)境從而判斷是否發(fā)出信號(hào)給主控單元，實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能。1.1 設(shè)計(jì)方案的選擇以Arduino板作為控制中心的主控單元，為實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能化，還需要加入其他功能模塊，分別與主控單元相連接，接收主控單元的命令從而實(shí)現(xiàn)其特有功能。需要的功能模塊如下：用于為各個(gè)

5、模塊供電的電源模塊，其電源輸出端分別連接上述各個(gè)模塊的電源端；用于接收遙控命令的無線信號(hào)接收模塊；用于避免障礙物的紅外避障模塊，用于測(cè)試?yán)叨鹊募t外測(cè)試模塊，用于自動(dòng)感應(yīng)人體靠近的紅外感應(yīng)模塊；用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；用于當(dāng)垃圾桶物品到達(dá)指定高度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出提醒聲的語音控制模塊。用于當(dāng)人體靠近時(shí)自動(dòng)開蓋的軸承控制模塊。1.2 設(shè)計(jì)方案的各模塊關(guān)系框圖與說明課程設(shè)計(jì)報(bào)告圖1 各模塊關(guān)系框圖各模塊關(guān)系圖如圖1 所示，電源模塊A用于為各個(gè)模塊供電的，其電源輸出端分別連接所用到的各個(gè)模塊的電源端。當(dāng)使用時(shí)，首先通過遙控器B1發(fā)送命令，此命令通過無線信號(hào)傳輸給無線電模塊B2，無線模塊B2將信號(hào)

6、處理后傳送至Arduino主控單元G，由主控單元G發(fā)送命令至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊D，垃圾桶按照命令，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊D的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左移、右移功能。在行駛過程中，距離障礙物20cm處，垃圾桶可通過紅外避障模塊C1感應(yīng)前方障礙物，此模塊發(fā)送命令至主控單元G，再發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊指令，此時(shí)垃圾桶會(huì)向左或向右轉(zhuǎn)彎，控制者可根據(jù)自己的方位對(duì)垃圾桶進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以使垃圾桶到達(dá)控制者附近，控制者向垃圾桶扔垃圾，當(dāng)手靠近垃圾桶時(shí)，垃圾桶可通過紅外控制模塊C3發(fā)送命令到主控單元G，再由主控單元G發(fā)送命令到軸承控制模塊F，使垃圾桶自動(dòng)開蓋，5秒后自動(dòng)關(guān)蓋。如果垃圾桶物品裝滿時(shí)，可通過紅外測(cè)試模塊C2感應(yīng)到垃圾桶物

7、品高度，如果桶物品高度到達(dá)距桶蓋5厘米處，紅外測(cè)試模塊C3可向主控單元G發(fā)送命令，主控單元G向語音控制模塊E傳輸命令，使得語音控制模塊E自動(dòng)發(fā)出提醒聲。智能垃圾桶設(shè)計(jì)器材的選擇由于時(shí)間與材料有限，我們僅利用紅外避障模塊和紅外感應(yīng)模塊與Arduino板模擬了躲避障礙物，自動(dòng)感應(yīng)周圍的人來自動(dòng)開蓋關(guān)蓋的功能。所需材料如表一所示:表一 設(shè)計(jì)所需器材說明表元件名稱參考規(guī)格數(shù)量實(shí)物參考圖Arduino開發(fā)板Uno R3一塊9V電池一塊紅外避障模塊三個(gè)紅外測(cè)距模塊夏普GP2Y0D805Z0一個(gè)無線遙控模塊OPENJUMPER藍(lán)牙模塊v2.0兩個(gè)紅外感應(yīng)模塊HC-SR501一塊車體Openjumper小車車

8、體套件一個(gè)擴(kuò)展板UNO配套的傳感器擴(kuò)展板一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)openjumperL298電機(jī)驅(qū)動(dòng)板一個(gè)面包板840孔無焊板一個(gè)蜂鳴器一個(gè)面包板專用線若干指示燈LED燈若干2.1 芯片說明2.1.1 ArduinoUNO芯片圖2 Arduino UNO芯片實(shí)物圖Arduino UNO芯片，如圖2 Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕

9、。與51單片機(jī)相比，Arduino UNO具有很多優(yōu)勢(shì)，例如功耗小、每個(gè)人模塊是打包好的可以直接用，操作簡單等等。所以在這里我們選用Arduino UNO芯片。參考數(shù)據(jù)(1) 處理器 ATmega328 (2) 工作電壓 5V (3) 輸入電壓（推薦） 7-12V (4) 輸入電壓（圍） 6-20V (5) 數(shù)字IO腳 14 (其中6路作為PWM輸出） (6) 模擬輸入腳 6 (7) IO腳直流電流 40 mA (8) 3.3V腳直流電流 50 mA (9) Flash Memory 32 KB （ATmega328，其中0.5 KB 用于 bootloader） (10) SRAM 2 KB

10、 （ATmega328） (11) EEPROM 1 KB （ATmega328） (12) 工作時(shí)鐘 16 MHz2.1.2 HC-SR501芯片圖3 HC-SR501實(shí)物圖紅外感應(yīng)模塊可采用HC-SR501普通型人體紅外感應(yīng)模塊熱釋電紅外傳感器。如圖3其技術(shù)參數(shù)如下：（1）工作電壓：DC5V至20V（2）靜態(tài)功耗：65微安 （3）電平輸出：高3.3V，低0V （4）延時(shí)時(shí)間：可調(diào)(0.3秒18秒) （5）封鎖時(shí)間：0.2秒 （6）觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)，默認(rèn)值為H （7）感應(yīng)圍：小于120度錐角，7米以 （8）工作溫度：-15+70度 （9）PCB外形尺寸：32*24mm，螺絲孔距

11、28mm，螺絲孔徑2mm，感應(yīng)透鏡尺寸：(直徑)：23mm(默認(rèn))其功能特點(diǎn)如下：（1）全自動(dòng)感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平。輸出低電平。（2）兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)?？商€選擇，默認(rèn)為H。 A.不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖健?B.可重復(fù)觸發(fā)方式： 即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段，如果有人體在其感應(yīng)圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?感應(yīng)模塊檢測(cè)到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn))。 （3）具有感應(yīng)封

12、鎖時(shí)間(默認(rèn)設(shè)置：0.2秒)：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖?，可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間，在此時(shí)間段感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號(hào)。此功能可以實(shí)現(xiàn)(感應(yīng)輸出時(shí)間和封鎖時(shí)間)兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測(cè)產(chǎn)品；同時(shí)此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 （4）工作電壓圍寬：默認(rèn)工作電壓DC5V至20V （5）微功耗：靜態(tài)電流65微安，特別適合干電池供電的電器產(chǎn)品。 7.輸出高電平信號(hào)：可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接。把人體紅外感應(yīng)模塊放在垃圾桶蓋上，放在桶蓋中心位置，一個(gè)即可。若有條件，可放4個(gè)甚至跟多，均勻的放在桶蓋邊上，并聯(lián)即可。2.1.3 紅外避障模塊原理圖4 紅外障傳感器實(shí)

13、物圖 如圖4 紅外避障模塊采用普通的紅外障傳感器，該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離圍 280cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測(cè)距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)與黑白線循跡等眾多場(chǎng)合。其主要參數(shù)說明如下：(1) 當(dāng)模塊檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)

14、亮電平，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào),該模塊檢測(cè)距離280cm，檢測(cè)角度35，檢測(cè)距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。(2) 傳感器主動(dòng)紅外線反射探測(cè),因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離最小,白色最大;小面積物體距離小,大面積距離大。(3) 傳感器模塊輸出端口OUT可直接與單片機(jī)IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)5V繼電器；連接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO(4) 比較器采用LM393，工作穩(wěn)定；(5) 可采用3-5V直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時(shí)，紅色電源指示燈點(diǎn)亮；(6) 具有3mm的螺

15、絲孔，便于固定、安裝；(7) 電路板尺寸：3.1CM*1.5CM (8) 每個(gè)模塊在發(fā)貨已經(jīng)將閾值比較電壓通過電位器調(diào)節(jié)好，非特殊情況，請(qǐng)勿隨意調(diào)節(jié)電位器。模塊接口說明（3線制）如下：(1) VCC 外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機(jī)和3.3v單片機(jī)相連） (2) GND 外接GND(3) OUT 小板數(shù)字量輸出接口（0和1）這個(gè)模塊的主體是三個(gè)紅外傳感器。只需要把三個(gè)紅外傳感器均勻的安裝在小車上。2.1.4 電源Arduino UNO可以通過3種方式供電，而且能自動(dòng)選擇供電方式 (1)外部直流電源通過電源插座供電。 (2)電池連接電源連接器的GND和VIN引腳。 (3)USB接口直

16、接供電。 電源引腳說明: VIN 當(dāng)外部直流電源接入電源插座時(shí)，可以通過VIN向外部供電；也可以通過此引腳向UNO直接供電；VIN有電時(shí)將忽略從USB或者其他引腳接入的電源。 5V 通過穩(wěn)壓器或USB的5V電壓，為UNO上的5V芯片供電。 3.3V 通過穩(wěn)壓器產(chǎn)生的3.3V電壓，最大驅(qū)動(dòng)電流50mA。 GND 地腳。2.1.5 遙控器和無線模塊：圖5藍(lán)牙串口通信模塊HC-05實(shí)物圖OPENJUMPER藍(lán)牙模塊v2.0是主從一體的藍(lán)牙串口通信模塊HC-05，可通過AT模式改寫其各參數(shù)。適用于Arduino與PC、手機(jī)等設(shè)備的無線連接，如圖5 所示。將藍(lán)牙模塊通過USB傳串口模塊連接到電腦USB端

17、口，可直接通過串口助手發(fā)送AT命令來配置藍(lán)牙模塊。設(shè)置好AT指令后，讓藍(lán)牙主機(jī)通過轉(zhuǎn)串口模塊連接電腦，藍(lán)牙從機(jī)連接小車上。藍(lán)牙處于工作狀態(tài)，也就是AT引腳接低電平或者懸空（工作狀態(tài)下，藍(lán)牙state燈為快閃）。此時(shí)藍(lán)牙會(huì)自動(dòng)搜索能夠與之配對(duì)的模塊，自動(dòng)連接配對(duì)，配對(duì)成功后LINK燈變?yōu)槌Ａ?.1.6 紅外測(cè)距模塊圖6 紅外測(cè)距傳感器實(shí)物圖在垃圾桶蓋的下方安裝一個(gè)紅外測(cè)距傳感器，該傳感器與主控單元連接，用來測(cè)試桶垃圾高度，實(shí)物圖如圖6所示。2.1.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖7 整體連接效果圖先下載一個(gè)程序來為電機(jī)接線做準(zhǔn)備。電機(jī)的2根線并沒有正負(fù)之分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的M1,M2接線端子也不能確定應(yīng)該對(duì)應(yīng)左

18、右哪一個(gè)電機(jī)然后要對(duì)uno下載一段程序，以方便我們對(duì)小車電機(jī)進(jìn)行連線。效果圖如圖7所示。2.2 設(shè)計(jì)說明由于時(shí)間和材料有限，我們利用小燈、面包板、HC-SR501普通型人體紅外感應(yīng)器、紅外避障傳感器等實(shí)驗(yàn)器材，編寫了紅外避障、紅外感應(yīng)模塊的程序，并用小燈的亮滅檢測(cè)兩個(gè)模塊是否能正常執(zhí)行。各模塊程序如下：電機(jī)測(cè)試程序： int INA = 4; /電機(jī)A正反轉(zhuǎn)控制端int PWMA = 5; /電機(jī)A調(diào)速端int INB = 7; /電機(jī)B正反轉(zhuǎn)控制端int PWMB = 6; /電機(jī)B調(diào)速端void setup()pinMode(INA,OUTPUT);pinMode(INB,OUTPUT);

19、 /配置電機(jī)輸出IO口為輸出void loop()int value;for(value = 20 ; value 0) digitalWrite(INA, HIGH); elsedigitalWrite(INA, LOW);if(sp20) digitalWrite(INB, HIGH); else digitalWrite(INB, LOW); analogWrite(PWMA,abs (sp1);analogWrite(PWMB,abs (sp2);功能：測(cè)試電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能和電機(jī)連線是否正確，左電機(jī)反轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由小到大。紅外感應(yīng)模塊：int Sensor = 2;int in

20、a = 13;void setup() pinMode(ina, OUTPUT); /13引腳定義為輸出 Serial.begin(9600); /設(shè)置下載程序的串口的波特率為9600 pinMode(Sensor, INPUT); /2引腳定義為輸入void loop() int SensorState = digitalRead(Sensor);/讀取2引腳的電平 while(SensorState = 1) SensorState = digitalRead(Sensor); /2引腳為高電平時(shí)，設(shè)置13引腳為高 digitalWrite(ina,HIGH); delay(1000);

21、/延時(shí)1000ms while(SensorState = 0) /當(dāng)2引腳為低電平時(shí)，設(shè)置13引腳為低 SensorState = digitalRead(Sensor); digitalWrite(ina,LOW); delay(100); /延時(shí)100ms實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)我們靠近此模塊圓形凸面時(shí)，13引腳連接的小燈亮了并延時(shí)一段時(shí)間，過后小燈滅，也延時(shí)一段時(shí)間，在此期間，在接近圓形凸面時(shí)，小燈不亮，過后會(huì)亮。這說明紅外感應(yīng)模塊能夠正常工作。避障模塊：int Sensor1 = 2;int Sensor2 = 4 ;int ina = 13;int inb = 12;void setup()

22、pinMode(ina, OUTPUT); /定義輸入、輸出引腳 pinMode(inb, OUTPUT); Serial.begin(9600); pinMode(Sensor1, INPUT); pinMode(Sensor2, INPUT);void loop() int SensorState1 = digitalRead(Sensor1);/讀取數(shù)據(jù) int SensorState2 = digitalRead(Sensor2); boolean Write = true; /定義布爾變量 boolean Black = true; if(SensorState1 = 1) Writ

23、e = false; if(SensorState2 = 1) Black = false; if(Write & Black) /當(dāng)量輸入引腳同時(shí)為高時(shí)，兩輸出引腳為高 digitalWrite(ina,HIGH); digitalWrite(inb,HIGH); delay(1000); digitalWrite(ina,LOW); /復(fù)位 digitalWrite(inb,LOW); delay(100);實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明：當(dāng)芯片上紅外發(fā)射管周圍有障礙物時(shí)，12、13引腳連接的小燈同時(shí)亮，有障礙物時(shí)一直亮，障礙物除去以后，小燈滅。這說明紅外避障模塊能夠正常工作。二、課程設(shè)計(jì)工作記錄設(shè)計(jì)步驟與

24、時(shí)間安排（含調(diào)試步驟與時(shí)間安排）12月23日至12月27日，選課題，查閱資料，確定設(shè)計(jì)方案。12月28日至1月1日，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，確定所需模塊與器材，學(xué)習(xí)Arduino的編寫語言，然后分模塊編寫程序。1月2至1月5日，通過實(shí)驗(yàn)板調(diào)試程序，糾正程序的功能錯(cuò)誤，不斷完善程序。1月6日，行答辯。1月7日至1月8日，交實(shí)習(xí)報(bào)告，修改實(shí)習(xí)報(bào)告。課題完成結(jié)果說明（1）程序?qū)崿F(xiàn)了以下功能1)當(dāng)避障模塊周圍出現(xiàn)障礙物時(shí)，連接的小燈點(diǎn)亮，障礙物移走，小燈滅，反應(yīng)比較靈敏。2）當(dāng)紅外感應(yīng)模塊周圍有人活動(dòng)時(shí)，連接的小燈點(diǎn)亮，亮一段時(shí)間后，小燈滅并延時(shí)，再次期間，再有人活動(dòng)小燈不亮，過了延時(shí)期，才會(huì)正常感應(yīng)。3）通過量模塊小燈的亮滅，正確判斷了兩模塊是否正常工作。（2）遇到的問題總結(jié)如下1）以前沒有接觸