基于單片機的智能垃圾桶的設計

1、電子信息工程專業(yè)專業(yè)課程設計報告題 目 基于Arduino的智能垃圾桶的設計姓 名 王 彤 學 號 班 級 4101090102 指導教師 李 明 亮 2014年 1 月 8 日要求：1指導教師按照課程設計大綱要求完成學生課程設計指導工作。2課程設計任務書由指導教師照大綱要求填寫，內(nèi)容要全面。3課程設計報告由參加本學生填寫。課程設計結束時交指導教師。4指導教師要根據(jù)每一位學生課程設計任務完成情況，認真審核設計報告，并在課程設計結束時，給出客觀、準確的評語和成績。5課程設計任務書和報告要語言流暢，圖表正確規(guī)范。6本表要用鋼筆、圓柱筆填寫或打印，字跡工整。課程設計任務書班級 4101090102

2、姓名 王 彤 學號課程設計題目 基于Arduino的智能垃圾桶的設計課程設計起止日期 2013.12.23 至 2014.1.10 實習地點 實驗樓 106 課程設計內(nèi)容與要求 設計任務：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，并由人們實時隨意控制； 2.垃圾桶在行進過程中可以躲避障礙物； 3.有人伸手扔垃圾時，垃圾桶蓋自動打開，之后自動關閉； 4.圾桶內(nèi)垃圾到達一定程度時，垃圾桶能自動發(fā)出提醒聲； 指導教師： 李明亮 2013 年 12月 23 日注：此表可加附頁一、設計原理與技術方法（包括：電路工作原理分析與原理圖、元器件選擇、電路調(diào)試方法與結果說明；軟件

3、設計說明書與流程圖、軟件源程序代碼、軟件調(diào)試方法與運行結果說明。）1. 智能垃圾桶的功能分析為實現(xiàn)所有功能，需要一個控制中心，即主控單元，實時接收各方面信息并處理，然后發(fā)出指令，從而實現(xiàn)功能。要實現(xiàn)無線遙控功能，需要一個外置的遙控器，垃圾桶主體還要設置一個信號接收的模塊接受遙控的指令并把信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給主控單元，再由主控單元處理并發(fā)送指令，驅(qū)動發(fā)動機轉(zhuǎn)動和控制輪子以改變方向。而對于自動避障功能，需要設置一個避障模塊和電機驅(qū)動模塊，能夠檢測前方是否有障礙。若有，則發(fā)送電信號至主控單元，再由主控單元發(fā)送指令至發(fā)動機，從而停止行進。需要檢測環(huán)境的功能還有自動開蓋功能和自動提醒垃圾已滿功能。自動

4、開蓋功能需要一個感應模塊和一個軸承控制模塊。如果有人體靠近，感應模塊就發(fā)送信號到主控單元，通過主控單元控制軸承控制模塊，打開垃圾桶蓋。自動提醒垃圾已滿功能需要一個測試模塊和語音控制模塊。桶內(nèi)垃圾達到一定高度時測試模塊就發(fā)送信號給主控單元，從而使語音控制模塊發(fā)出提醒聲。以上三個功能都需要傳感器來檢測外界環(huán)境從而判斷是否發(fā)出信號給主控單元，實現(xiàn)其相應的功能。1.1 設計方案的選擇以Arduino板作為控制中心的主控單元，為實現(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現(xiàn)其特有功能。需要的功能模塊如下：用于為各個模塊供電的電源模塊，其電源輸出端分別連接上述

5、各個模塊的電源端；用于接收遙控命令的無線信號接收模塊；用于避免障礙物的紅外避障模塊，用于測試垃圾高度的紅外測試模塊，用于自動感應人體靠近的紅外感應模塊；用于驅(qū)動電機工作的電機驅(qū)動模塊；用于當垃圾桶內(nèi)物品到達指定高度時，自動發(fā)出提醒聲的語音控制模塊。用于當人體靠近時自動開蓋的軸承控制模塊。1.2 設計方案的各模塊關系框圖及說明課程設計報告圖1 各模塊關系框圖各模塊關系圖如圖1 所示，電源模塊A用于為各個模塊供電的，其電源輸出端分別連接所用到的各個模塊的電源端。當使用時，首先通過遙控器B1發(fā)送命令，此命令通過無線信號傳輸給無線電模塊B2，無線模塊B2將信號處理后傳送至Arduino主控單元G，由主

6、控單元G發(fā)送命令至電機驅(qū)動模塊D，垃圾桶按照命令，在電機驅(qū)動模塊D的驅(qū)動下實現(xiàn)前進、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)送給電機驅(qū)動模塊指令，此時垃圾桶會向左或向右轉(zhuǎn)彎，控制者可根據(jù)自己的方位對垃圾桶進行實時控制以使垃圾桶到達控制者附近，控制者向垃圾桶內(nèi)扔垃圾，當手靠近垃圾桶時，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，使垃圾桶自動開蓋，5秒后自動關蓋。如果垃圾桶內(nèi)物品裝滿時，可通過紅外測試模塊C2感應到垃圾桶內(nèi)物品高度，如果桶內(nèi)物品高度到達距桶蓋5

7、厘米處，紅外測試模塊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自動發(fā)出提醒聲。2. 智能垃圾桶設計器材的選擇由于時間及材料有限，我們僅利用紅外避障模塊和紅外感應模塊及Arduino板模擬了躲避障礙物，自動感應周圍的人來自動開蓋關蓋的功能。所需材料如表一所示:表一 設計所需器材說明表元件名稱參考規(guī)格數(shù)量實物參考圖Arduino開發(fā)板Uno R3一塊9V電池-一塊紅外避障模塊-三個紅外測距模塊夏普GP2Y0D805Z0一個無線遙控模塊兩個紅外感應模塊HC-SR501一塊車體Openjumper小車車體套件一個擴展板UNO配套的傳感器擴展板一個電機驅(qū)動open

8、jumperL298電機驅(qū)動板一個面包板840孔無焊板一個蜂鳴器-一個面包板專用線-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平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有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16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。與51單片機相比，Arduino UNO具有很多優(yōu)勢，

9、例如功耗小、每個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（范圍） 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 （ATmega328） (11) EEPROM 1

10、KB （ATmega328） (12) 工作時鐘 16 MHz2.1.2 HC-SR501芯片圖3 HC-SR501實物圖紅外感應模塊可采用HC-SR501普通型人體紅外感應模塊熱釋電紅外傳感器。如圖3其技術參數(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）延時時間：可調(diào)(0.3秒18秒) （5）封鎖時間：0.2秒 （6）觸發(fā)方式：L不可重復，H可重復，默認值為H （7）感應范圍：小于120度錐角，7米以內(nèi) （8）工作溫度：-15+70度 （9）PCB外形尺寸：32*24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應透鏡尺寸：(直徑)：

11、23mm(默認)其功能特點如下：（1）全自動感應：當有人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平。輸出低電平。（2）兩種觸發(fā)方式：L不可重復，H可重復?？商€選擇，默認為H。 A.不可重復觸發(fā)方式：即感應輸出高電平后，延時時間一結束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖健?B.可重復觸發(fā)方式： 即感應輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點)。 （3）具有感應封鎖時間(默認設置：0.2秒)：感應模塊在

12、每一次感應輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖?，可以緊跟著設置一個封鎖時間，在此時間段內(nèi)感應器不接收任何感應信號。此功能可以實現(xiàn)(感應輸出時間和封鎖時間)兩者的間隔工作，可應用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 （4）工作電壓范圍寬：默認工作電壓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：可方便與各類電路實現(xiàn)對接。把人體紅外感應模塊放在垃圾桶蓋上，放在桶蓋中心位置，一個即可。若有條件，可放4個甚至跟多，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 紅外障傳感器實物圖 如圖4 紅外避障模塊采用普通的

13、紅外障傳感器，該傳感器模塊對環(huán)境光線適應能力強，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，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，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍 280cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測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，可以廣泛應用于機器人避障、避障小車、流水線計數(shù)及黑白線循跡等眾多場合。其主要參數(shù)說明如下：(1) 當模塊檢測到前方障礙物信號時，電路板上綠色指示燈點亮電平，同時OUT端口持續(xù)輸出低電

14、平信號,該模塊檢測距離280cm，檢測角度35°，檢測距離可以通過電位器進行調(diào)節(jié)，順時針調(diào)電位器，檢測距離增加；逆時針調(diào)電位器，檢測距離減少。(2) 傳感器主動紅外線反射探測,因此目標的反射率和形狀是探測距離的關鍵。其中黑色探測距離最小,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IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動一個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直流電源對模塊進行供電。當電源接通時，紅色電源指示燈點亮；(6) 具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝；

15、(7) 電路板尺寸：3.1CM*1.5CM (8) 每個模塊在發(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單片機和3.3v單片機相連） (2) GND 外接GND(3) OUT 小板數(shù)字量輸出接口（0和1）這個模塊的主體是三個紅外傳感器。只需要把三個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接口直接供電。 電源引腳說明

16、: VIN - 當外部直流電源接入電源插座時，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)動電流50mA。 GND - 地腳。2.1.5 遙控器和無線模塊：圖5藍牙串口通信模塊HC-05實物圖OPENJUMPER藍牙模塊v2.0是主從一體的藍牙串口通信模塊HC-05，可通過AT模式改寫其各參數(shù)。適用于Arduino與PC、手機等設備的無線連接，如圖5 所示。將藍牙模塊通過USB傳串口模塊連接到電腦USB端口，可

17、直接通過串口助手發(fā)送AT命令來配置藍牙模塊。設置好AT指令后，讓藍牙主機通過轉(zhuǎn)串口模塊連接電腦，藍牙從機連接小車上。藍牙處于工作狀態(tài)，也就是AT引腳接低電平或者懸空（工作狀態(tài)下，藍牙state燈為快閃）。此時藍牙會自動搜索能夠與之配對的模塊，自動連接配對，配對成功后LINK燈變?yōu)槌Ａ?.1.6 紅外測距模塊圖6 紅外測距傳感器實物圖在垃圾桶蓋的下方安裝一個紅外測距傳感器，該傳感器與主控單元連接，用來測試桶內(nèi)垃圾高度，實物圖如圖6所示。2.1.7 電機驅(qū)動模塊圖7 整體連接效果圖先下載一個程序來為電機接線做準備。電機的2根線并沒有正負之分，電機驅(qū)動板上的M1,M2接線端子也不能確定應該對應左右哪

18、一個電機然后要對uno下載一段程序，以方便我們對小車電機進行連線。效果圖如圖7所示。2.2 設計說明由于時間和材料有限，我們利用小燈、面包板、HC-SR501普通型人體紅外感應器、紅外避障傳感器等實驗器材，編寫了紅外避障、紅外感應模塊的程序，并用小燈的亮滅檢測兩個模塊是否能正常執(zhí)行。各模塊程序如下：電機測試程序： int INA = 4; /電機A正反轉(zhuǎn)控制端int PWMA = 5; /電機A調(diào)速端int INB = 7; /電機B正反轉(zhuǎn)控制端int PWMB = 6; /電機B調(diào)速端void setup()pinMode(INA,OUTPUT);pinMode(INB,OUTPUT); /

19、配置電機輸出IO口為輸出void loop()int value;for(value = 20 ; value <= 255;value+=2) /循環(huán)每次速度增加2最大到255motosp(-value,value);/電機速度賦值，左電機負值為反轉(zhuǎn)，右電機正轉(zhuǎn)。delay(50);void motosp(int sp1,int sp2)/聲明電機速度控制函數(shù)。括號內(nèi)定義的變量分別為左右電機速if(sp1>0) digitalWrite(INA, HIGH); elsedigitalWrite(INA, LOW);if(sp2>0) digitalWrite(INB, HI

20、GH); else digitalWrite(INB, LOW); analogWrite(PWMA,abs (sp1);analogWrite(PWMB,abs (sp2);功能：測試電機驅(qū)動功能和電機連線是否正確，左電機反轉(zhuǎn)，右電機正轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)速由小到大。紅外感應模塊：int Sensor = 2;int ina = 13;void setup() pinMode(ina, OUTPUT); /13引腳定義為輸出 Serial.begin(9600); /設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

21、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，設置13引腳為高 digitalWrite(ina,HIGH); delay(1000); /延時1000ms while(SensorState = 0) /當2引腳為低電平時，設置13引腳為低 SensorState = digitalRead(Sensor); digitalWrite(ina,LOW); delay(100); /延時100ms實驗現(xiàn)象：當我們靠近此

22、模塊圓形凸面時，13引腳連接的小燈亮了并延時一段時間，過后小燈滅，也延時一段時間，在此期間內(nèi)，在接近圓形凸面時，小燈不亮，過后會亮。這說明紅外感應模塊能夠正常工作。避障模塊：int Sensor1 = 2;int Sensor2 = 4 ;int ina = 13;int inb = 12;void setup() 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 S

23、ensorState1 = 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) Write = false; if(SensorState2 = 1) Black = false; if(Write && Black) /當量輸入引腳同時為高時，兩輸出引腳為高 digitalWrite(ina,HIGH); digitalWrite(inb,HIGH)

24、; delay(1000); digitalWrite(ina,LOW); /復位 digitalWrite(inb,LOW); delay(100);實驗現(xiàn)象說明：當芯片上紅外發(fā)射管周圍有障礙物時，12、13引腳連接的小燈同時亮，有障礙物時一直亮，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、課程設計工作記錄1. 設計步驟與時間安排（含調(diào)試步驟與時間安排）12月23日至12月27日，選課題，查閱資料，確定設計方案。12月28日至1月1日，根據(jù)設計方案，確定所需模塊及器材，學習Arduino的編寫語言，然后分模塊編寫程序。1月2至1月5日，通過實驗板調(diào)試程序，糾正程序的功能錯誤，不斷完善程序。1月6日，行答辯。1月7日至1月8日，交實習報告，修改實習報告。2. 課題完成結果說明（1）程序?qū)崿F(xiàn)了以下功能1)當避障模塊周圍出現(xiàn)障礙物時，連接的小燈點亮，障礙物移走，小燈滅，反應比較靈敏。2）當紅外感應模塊周圍有人活動時，連接的小燈點亮，亮一段時間后，小燈滅并延時，再次期間，再有人活動小燈不亮，過了延時期，才會正常感應。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）