《基于51單片機(jī)的自動(dòng)垃圾桶設(shè)計(jì)》10000字（論文）

基于51單片機(jī)的自動(dòng)垃圾桶設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\u1緒論 11.1研究背景與意義 11.2選題的研究現(xiàn)狀 21.3選題研究?jī)?nèi)容 32系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn) 42.1總體方案設(shè)計(jì) 42.1.1主控制器方案 52.1.2距離檢測(cè)方案 52.1.3桶蓋控制方案 62.1.4溢滿檢測(cè)方案 62.1.5溢滿報(bào)警方案 62.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 62.2.1超聲波測(cè)距傳感器模塊 62.2.2舵機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊 72.2.3紅外避障傳感器模塊 82.2.4蜂鳴器報(bào)警模塊 92.2.5單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 92.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 102.3.1主程序設(shè)計(jì) 102.3.2自動(dòng)翻蓋程序設(shè)計(jì) 11 122.3.3溢出檢測(cè)電路程序設(shè)計(jì) 133系統(tǒng)調(diào)試 143.1系統(tǒng)軟件調(diào)試 143.2系統(tǒng)硬件調(diào)試 153.3調(diào)試結(jié)果及分析 153.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 154總結(jié)與展望 16結(jié)論 17參考文獻(xiàn) 18附錄 191緒論現(xiàn)如今，我國(guó)綜合國(guó)力有了顯著提高，人口也同樣增長(zhǎng)迅速，城市里囤積的各式各樣的垃圾每年都會(huì)增長(zhǎng)5%~10%，這種現(xiàn)象對(duì)人們的日常生活環(huán)境和城市的形象造成了很嚴(yán)重的影響。據(jù)報(bào)道，我國(guó)每年的垃圾囤積量能夠高達(dá)60多億噸,各類生活垃圾所占用的城市土地面積就超過(guò)了5億平方米，每年的城市垃圾都會(huì)產(chǎn)生約1.5億噸，共有將近200座城市并沒(méi)有合適的垃圾堆放場(chǎng)所。盡管近年來(lái)出現(xiàn)了垃圾回收利用、垃圾發(fā)電、垃圾制沼氣等垃圾處理技術(shù)，但在保證垃圾無(wú)害處理以前，首要解決的就是垃圾回收利用以及初步殺菌消毒的問(wèn)題。目前我國(guó)對(duì)日益增長(zhǎng)的城市垃圾這一現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究調(diào)查，并陸陸續(xù)續(xù)建設(shè)了一批大型、中型生活垃圾處理回收設(shè)施，各類生活垃圾處理率得到了飛速提升，在一些城市垃圾堆積嚴(yán)重的地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始采用垃圾發(fā)電的方式來(lái)處理垃圾。為了響應(yīng)習(xí)近平主席的“金山銀山，不如綠水青山”以及“五位一體”的總體布局，營(yíng)造一個(gè)干凈衛(wèi)生健康舒適的生活環(huán)境，因此，解決垃圾刻不容緩。1.1研究背景與意義中國(guó)環(huán)保部數(shù)據(jù)庫(kù)顯示，在2017年我國(guó)大型中型城市產(chǎn)生的生活垃圾約為1.856億噸，數(shù)量之多無(wú)法計(jì)數(shù)，假設(shè)用卡車來(lái)裝載這些垃圾，每輛卡車裝載2.5噸，1.856億噸垃圾所裝載的卡車長(zhǎng)度連起來(lái)近51.6萬(wàn)公里，大約能繞地球赤道十二圈。全國(guó)每年垃圾囤積量已高達(dá)60億噸，占用了5億平方米的耕地面積，全國(guó)660個(gè)城市中共有200個(gè)城市陷入了垃圾包圍圈。在一般場(chǎng)合下，公共場(chǎng)所的垃圾桶中大部分是飲料瓶塑料袋或者紙類雜物，這些垃圾較容易回收和分類。但像社區(qū)這種公共場(chǎng)所，垃圾桶收容的垃圾五花八門，多半還會(huì)由于生活垃圾種類的多樣性，引起腐爛臭味和蚊蠅等問(wèn)題，非常影響公共衛(wèi)生。由于公共場(chǎng)合下人員的流動(dòng)量非常大，因此更應(yīng)該及時(shí)的清理垃圾。垃圾桶是城市中不可替代的一部分，它代表了城市形象。雖然我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)一直強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境人人有責(zé)、垃圾不亂扔亂放、垃圾分類回收再利用等，但是城市中仍有不計(jì)其數(shù)的垃圾亂扔現(xiàn)象。主要還是因?yàn)槔安粔蚋蓛?，一般人都想遠(yuǎn)離臟東西，所以有些人就會(huì)隨手將垃圾扔在垃圾桶蓋上或垃圾桶附近，甚至造成垃圾桶內(nèi)沒(méi)有垃圾桶外卻垃圾滿地的現(xiàn)象，這些行為給垃圾處理人員帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)，增加了他們分類垃圾資源回收再利用的難度，使得一個(gè)城市中最需要清理的衛(wèi)生死角變成了垃圾桶周圍，這嚴(yán)重的阻礙了城市的飛速發(fā)展城和整體環(huán)境優(yōu)化，對(duì)城市形象造成了惡劣影響。由于目前作為存放垃圾的垃圾桶基本上都留出專門的投物口，垃圾桶內(nèi)壁附著了大量污染物且無(wú)法清洗干凈，這些污染物滋生了大量的細(xì)菌真菌，導(dǎo)致惡臭溢散，十分難以忍受。且這些物質(zhì)散播到空氣中被人們呼吸進(jìn)入身體，極易引發(fā)肺結(jié)核、白喉、流感、腹瀉等多種疾病。傳統(tǒng)老舊垃圾桶往往需要清潔人員手動(dòng)檢查垃圾桶并逐一清理垃圾，但仍然經(jīng)常會(huì)有垃圾溢出的現(xiàn)象，這種處理方式非常消耗人力且效率很低。目前，垃圾桶結(jié)構(gòu)單一化，使得細(xì)菌滋生、惡臭溢散、污水四溢、蚊蠅疾病等弊端暴露無(wú)異，因此設(shè)計(jì)智能環(huán)保垃圾桶具有重要意義。垃圾是細(xì)菌以及各類真菌和蚊蟲(chóng)的溫床，只有不定時(shí)清理垃圾避免垃圾囤積的情況和亂扔亂丟現(xiàn)象，生活的環(huán)境才能更加健康舒適?，F(xiàn)如今市面上大多是帶桶蓋的傳統(tǒng)垃圾桶，操作方式也不外乎是手動(dòng)翻蓋或腳踏式，正是這些傳統(tǒng)垃圾桶的不人性化導(dǎo)致了上述情況和問(wèn)題的產(chǎn)生。為了跟上社會(huì)發(fā)展的腳步，適應(yīng)科技生產(chǎn)的潮流，本設(shè)計(jì)打造了一種以傳感器和單片機(jī)為核心使垃圾桶具有自動(dòng)翻蓋和溢出報(bào)警功能的智能垃圾桶，以解決上述問(wèn)題。1.2選題的研究現(xiàn)狀垃圾桶是一種無(wú)法替代的生活用品，按功能定位可分為家用垃圾桶和公用垃圾桶，按操作方式可分為手動(dòng)垃圾桶和腳踏垃圾桶，按材質(zhì)可分為環(huán)保垃圾桶和塑料垃圾桶。如今還出現(xiàn)了一種桶身透明用來(lái)分辨桶內(nèi)是否有爆裂物或危險(xiǎn)物以及有毒物質(zhì)的特殊垃圾桶，又稱為"反恐垃圾桶”。國(guó)外的新型垃圾桶在功能上有所創(chuàng)新之處主要有這樣幾種：①垃圾桶的可伸縮性。是指能夠根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整垃圾桶的尺寸容積，以此讓垃圾桶方便攜帶。②廚余垃圾和廁所垃圾異味防逸出。一方面采用密封圈密封垃圾桶，另一方面使用低溫保鮮垃圾；但是這種方式不但會(huì)降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的本身使用壽命，還會(huì)產(chǎn)生大量的電能消耗。③垃圾的分類與回收。對(duì)垃圾進(jìn)行分類是一項(xiàng)非常麻煩且復(fù)雜的項(xiàng)目，一般適用于公用垃圾桶，研究起來(lái)十分復(fù)雜且成本極高。而我國(guó)目前來(lái)說(shuō)，大部分的智能垃圾桶所設(shè)計(jì)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都很簡(jiǎn)單，導(dǎo)致這些垃圾桶的功能作用十分單一，基本能夠分成三類：①腳踏式：腳踏式垃圾桶采用杠桿原理結(jié)構(gòu)。垃圾桶蓋的支架同踏桿和連桿互相連接，利用杠桿原理控制支架使垃圾桶蓋沿桶口邊緣平滑地移動(dòng)到桶身側(cè)邊使桶蓋完全打開(kāi)，這種操作方式的弊端就是使用不便捷。②按鈕翻蓋式：一般在垃圾桶上桶蓋關(guān)閉置有幾個(gè)按鈕，上方按鈕按下后垃圾桶蓋會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)垃圾放入垃圾桶內(nèi)后，一種是過(guò)兩三秒自動(dòng)關(guān)閉桶蓋，另一種則需要人手動(dòng)按下桶蓋關(guān)閉按鈕。實(shí)際上，這種垃圾桶仍然需要手動(dòng)接觸，只是不像傳統(tǒng)意義上的以人力利用杠桿原理將桶蓋打開(kāi)，而是以電能通過(guò)機(jī)械力將桶蓋打開(kāi)。這一設(shè)計(jì)僅僅節(jié)省了一點(diǎn)微不足道的人力，并沒(méi)有解決直接接觸的弊端。③紅外傳感側(cè)拉式：這種新型側(cè)拉式垃圾桶，它的操作方式非常便捷，開(kāi)蓋也避免了與翻蓋垃圾桶的桶口區(qū)域重疊問(wèn)題，但由于其傳感感應(yīng)靈敏度不高且響應(yīng)速度慢，效率低下，容易使人們產(chǎn)生亂丟現(xiàn)象，無(wú)法做到足夠的便捷。經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前生產(chǎn)的垃圾桶主要有下列有待改進(jìn)的地方：1、垃圾桶封閉性不佳或直接沒(méi)有蓋，既會(huì)向周圍散發(fā)惡臭，又容易滋長(zhǎng)細(xì)菌和蚊蠅，對(duì)環(huán)境和人類的影響巨大。2、無(wú)法處理垃圾溢滿的情況，也就是垃圾桶缺少溢出報(bào)警功能，無(wú)法及時(shí)清理垃圾，不但會(huì)容易產(chǎn)生垃圾亂丟現(xiàn)象還會(huì)由于不及時(shí)清理導(dǎo)致垃圾掉落在周圍引發(fā)惡臭逸散，既影響城市形象又會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)生隱患。目前市面上各類垃圾桶功能多樣外形各異，但操作方式卻不外乎是用腳踩或手動(dòng)翻蓋。在如今這個(gè)傳感器技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，各類傳感器和機(jī)械裝置與公眾生活飛速融合在一起。各種智能設(shè)備節(jié)省了大量人力財(cái)力，在可見(jiàn)的將來(lái)，人工智能和自動(dòng)化技術(shù)必將得到更為廣泛的應(yīng)用，以此看來(lái)，新型智能垃圾桶也將會(huì)是一個(gè)良好的發(fā)展趨勢(shì)。垃圾桶作為人類生活中不可或缺無(wú)法替代的重要裝置，也必然會(huì)跟隨時(shí)代的發(fā)展和需要向著精巧和智能的方向改進(jìn)。盡管目前的垃圾桶已經(jīng)在智能化人性化方向初步發(fā)展，但仍然距離理想形態(tài)差之甚遠(yuǎn)。1.3選題研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)研究主要通過(guò)Arduino單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶的自動(dòng)開(kāi)蓋控制以及垃圾裝滿報(bào)警功能，主要包括超聲波測(cè)距模塊、舵機(jī)模塊、紅外避障傳感器以及蜂鳴器模塊。方案主要以Arduino單片機(jī)為控制核心，通過(guò)HC-SR04超聲波傳感器檢測(cè)測(cè)距范圍內(nèi)是否有人或物靠近，若有，則經(jīng)Arduino控制啟動(dòng)SG90舵機(jī)，控制中心產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)信號(hào)線進(jìn)入舵機(jī)產(chǎn)生直流偏置電壓并傳輸電壓差給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以控制電機(jī)正轉(zhuǎn)打開(kāi)桶蓋，4~5秒后舵機(jī)內(nèi)部利用減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電壓差為零，此時(shí)伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并自動(dòng)關(guān)閉垃圾桶蓋。垃圾裝入后再通過(guò)LM393紅外傳感器模塊檢測(cè)垃圾桶內(nèi)的垃圾高度是否超過(guò)了限定高度，如若超出高度則表示裝滿，此時(shí)Arduino單片機(jī)將控制蜂鳴器報(bào)警，以提示人們處理垃圾。主要內(nèi)容包括：1.人或物測(cè)距功能。2.單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。3.垃圾溢出檢測(cè)功能。4.蜂鳴器報(bào)警功能。2系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)2.1總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要包括溢滿報(bào)警、溢滿檢測(cè)、距離檢測(cè)、桶蓋控制以及主控制器。每個(gè)模塊方案皆需要選擇，為實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶系統(tǒng)的各個(gè)功能選擇適合的器件方案，其電路設(shè)計(jì)也同樣重要，因此，各個(gè)模塊之間的連接關(guān)系、硬件設(shè)計(jì)以及軟件編寫都必須嚴(yán)格選擇。由于本方案設(shè)計(jì)的多功能垃圾箱控制系統(tǒng)包括垃圾箱自動(dòng)翻蓋以及箱滿自動(dòng)報(bào)警功能，因此，本方案選擇Adurino單片機(jī)系統(tǒng)、LM393紅外避障傳感器模塊、SG90舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及蜂鳴器報(bào)警模塊來(lái)完成整個(gè)智能垃圾桶的設(shè)計(jì)。利用HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊和LM393紅外避障傳感器模塊作為單片機(jī)主要的輸入信號(hào)來(lái)源，當(dāng)Arduino單片機(jī)處理完輸入的信號(hào)后，將PWM信號(hào)傳輸給舵機(jī)模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊，以此完成智能垃圾桶系統(tǒng)的目標(biāo)功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)流程圖如圖2.1所示。 超聲波測(cè)距模塊 Adurino 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊單片機(jī)系 紅外避障模塊 統(tǒng) 蜂鳴器警報(bào)模塊圖2.1結(jié)構(gòu)框圖2.1.1主控制器方案Arduino單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器核心，是各種功能模塊的連接樞紐，因此系統(tǒng)選用ArduinoUNO單片機(jī)，ArduinoUNO單片機(jī)是整個(gè)ArduinoAVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)板系列的標(biāo)準(zhǔn)模板，它的內(nèi)部存儲(chǔ)模塊具有超強(qiáng)的存儲(chǔ)能力，這款單片機(jī)的能耗也很小，在低功耗方面表現(xiàn)優(yōu)異，單片機(jī)處理器核心是ATmega328，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)單且成本低廉，滿足所有設(shè)計(jì)需要。單片機(jī)在設(shè)計(jì)出廠后做了加密處理，后期產(chǎn)品中使用后，加密的信息無(wú)法通過(guò)任何手段解密，因此不會(huì)被盜取文件。ArduinoUNO單片機(jī)的執(zhí)行速度也很快，搭配了一個(gè)16MHz晶體振蕩器，穩(wěn)定性很強(qiáng)，在很多復(fù)雜場(chǎng)景下都可以穩(wěn)定運(yùn)行。2.1.2距離檢測(cè)方案距離檢測(cè)方案選用超聲波測(cè)距傳感器。因?yàn)槌暡m然方向性極強(qiáng)，但反而損耗很少的能量，能夠在各種媒介中傳播較遠(yuǎn)，所以經(jīng)常性的用于測(cè)距方面的工作，例如超聲檢測(cè)儀器和探傷儀都是通過(guò)超聲波來(lái)工作的。通過(guò)超聲波檢測(cè)距離與其它方式相比較而言十分方便、結(jié)果精準(zhǔn)、計(jì)算簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、便于控制，而且在測(cè)量準(zhǔn)確度上能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，所以超聲波在許多工業(yè)領(lǐng)域都有非常普遍的應(yīng)用。超聲波傳感器的工作原理是通過(guò)速度的傳播來(lái)測(cè)量距離遠(yuǎn)近的，首先需要發(fā)射一束超聲波并測(cè)量其接收到反射波的時(shí)間，其次通過(guò)發(fā)射波和反射波的時(shí)間差利用公式計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。因?yàn)槌暡ǖ奶攸c(diǎn)是容易定向發(fā)射、發(fā)射方向精準(zhǔn)、強(qiáng)度易于掌控且無(wú)需與被測(cè)物體直接接觸，所以利用超聲波測(cè)距是本設(shè)計(jì)方案距離測(cè)量這部分的理想手段。2.1.3桶蓋控制方案桶蓋控制方案選用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制。舵機(jī)是一種能夠精準(zhǔn)操控轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度的電機(jī)，一般適用于如本設(shè)計(jì)這種需要調(diào)控角度變化并可以精準(zhǔn)保持的控制系統(tǒng)。實(shí)際上，舵機(jī)帶有反饋環(huán)節(jié)，因此能夠利用舵機(jī)進(jìn)行位置的精準(zhǔn)控制以及輸出較高的扭矩，一般通過(guò)單片機(jī)核心控制器向舵機(jī)的信號(hào)線發(fā)送PWM信號(hào)以此控制舵機(jī)的輸出量。2.1.4溢滿檢測(cè)方案垃圾溢滿檢測(cè)方案選擇紅外避障傳感器模塊。紅外避障傳感器可以對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射管發(fā)出的紅外光如果有障礙物，則紅外光遇到障礙物反射回紅外接受關(guān)，檢測(cè)到信號(hào)，這樣實(shí)現(xiàn)檢測(cè)垃圾桶溢滿功能。2.1.5溢滿報(bào)警方案溢滿報(bào)警方案要求擁有一個(gè)報(bào)警功能，我們選擇利用蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。蜂鳴器能夠進(jìn)行蜂鳴，完全可以滿足報(bào)警功能的需要。單片機(jī)通過(guò)一個(gè)接口就可以對(duì)蜂鳴器進(jìn)控制，非常簡(jiǎn)便且成本低廉，單片機(jī)通過(guò)PWM波就可以對(duì)蜂鳴器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1超聲波測(cè)距傳感器模塊日常生活中經(jīng)常使用且專用于檢測(cè)移動(dòng)物體距離的傳感器除了有超聲波傳感器之外還有紅外避障傳感器以及熱釋電傳感器。熱釋電傳感器普遍適用于針對(duì)人體的檢測(cè)，例如走廊自動(dòng)感應(yīng)燈，弊端是對(duì)人體的移動(dòng)偏向有要求，只有與傳感器方向平行才能精準(zhǔn)感應(yīng)。相比于熱釋電紅外傳感器，超聲波傳感器能夠檢測(cè)相對(duì)較短的距離，且精度和靈敏度高、方向性好易于控制、抗干擾能力強(qiáng)不易受到因素影響。本設(shè)計(jì)使用HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊，額定工作電壓3.3V~5V，整個(gè)非接觸式距離檢測(cè)范圍高達(dá)2cm~400cm，測(cè)距精確度也可達(dá)3mm，整個(gè)測(cè)距模塊包括核心控制器、超聲波發(fā)射器以及接受器，如圖2.2.1所示。圖2.2.1HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊基本工作原理：(1)超聲波測(cè)距傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)來(lái)測(cè)量距離，所以至少要給10微秒的高電平信號(hào)。(2)超聲波測(cè)距傳感器模塊需自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，作用是用于檢測(cè)有無(wú)信號(hào)折返，以此判斷反射波接收時(shí)間；(3)如若反射波有信號(hào)折返，則通過(guò)引腳端輸出一個(gè)高電平，利用波段折返的時(shí)間等于電平持續(xù)時(shí)間來(lái)推算障礙物距離。該傳感器擁有測(cè)距方便快捷且易于操控、噪聲干擾小、精準(zhǔn)度高方向性好且易于使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備循跡以及裝配線計(jì)數(shù)等眾多場(chǎng)景。2.2.2舵機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊由于本設(shè)計(jì)方案需要操控垃圾桶的開(kāi)蓋方式以及開(kāi)蓋角度，因此無(wú)法選用傳統(tǒng)的直流電機(jī)，因?yàn)橛绊懼绷麟姍C(jī)工作的因素只有通電時(shí)間和引腳極性，并不適合與本設(shè)計(jì)方案搭配使用，而舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度可操控性則是本方案的最佳選擇，利用舵機(jī)就能夠方便精準(zhǔn)地操控旋轉(zhuǎn)角度和輸出量。本次設(shè)計(jì)所選用的是SG90舵機(jī)，它是利用PWM脈寬調(diào)制信號(hào)充當(dāng)控制信號(hào)，其周期為20ms、脈沖寬度為0.5ms~2.5ms、舵盤位置為0-180度且呈線性變化。實(shí)際上當(dāng)供給舵機(jī)一定脈寬時(shí)，不論外界扭矩如何改變，它的輸出軸都會(huì)在一個(gè)固定角度上保持不變，直到另一個(gè)寬度的脈沖信號(hào)到來(lái)才會(huì)改變相應(yīng)角度到新的位置上固定不變，如圖2.2.2所示。圖2.2.2舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊基本工作原理：(1)單片機(jī)接收來(lái)自信號(hào)線的PWM脈沖調(diào)制信號(hào)以此操控電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，同時(shí)伺服電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，利用摩擦減速后輸出給舵盤。(2)舵機(jī)的位置反饋電位計(jì)與輸出軸之間相互連接，當(dāng)舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出軸會(huì)帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)將電壓信號(hào)輸出到單片機(jī)電路板以此進(jìn)行反饋，之后控制核心會(huì)以位置反饋電位計(jì)反映的位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。利用Arduino單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，充分展示了舵機(jī)優(yōu)秀的可操控性，且單片機(jī)可以自由擴(kuò)展和切換各種模塊和操控方式，例如利用鍵盤或串口輸入信息來(lái)操控舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，后手動(dòng)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)速和串口極性。2.2.3紅外避障傳感器模塊紅外避障傳感器也叫紅外對(duì)管傳感器，對(duì)管指的是紅外避障傳感器擁有一對(duì)紅外發(fā)射管和接收管。本設(shè)計(jì)采用了紅外避障傳感器模塊，其工作原理是利用反射回來(lái)的紅外線探測(cè)目標(biāo)，因此影響探測(cè)距離和精準(zhǔn)度的兩個(gè)重要因素就是被測(cè)物體的反射率和外形。紅外避障傳感器在檢測(cè)條件下對(duì)外部環(huán)境的抗干擾能力強(qiáng)，由于紅外避障傳感器是擁有發(fā)射和接收兩對(duì)管的，若發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的一束紅外線，且在檢測(cè)方向遇到了障礙物并將紅外線反射回接收管，此時(shí)，經(jīng)過(guò)紅外避障傳感器中的LM393比較器處理之后，指示燈亮起且引腳將輸出低電平信號(hào)。紅外避障傳感器的有效檢測(cè)工作范圍是2cm～30cm，其工作電壓為3.3V-5V，且可通過(guò)電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，十分適合本方案。由于該傳感器無(wú)需與待測(cè)量物體有直接接觸的的工作原理，因此該傳感器在檢測(cè)時(shí)響應(yīng)速度快且精確度高；由于其可以利用內(nèi)部電位器來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)距范圍，因此在工作時(shí)抗干擾能力強(qiáng)、易于操作便于裝配。本設(shè)計(jì)所使用的紅外避障傳感器模塊比較器是LM393型號(hào)，其性能穩(wěn)定可靠，可以普遍應(yīng)用于各種工業(yè)范圍的避障、計(jì)數(shù)或者循跡等眾多情況，如圖2.2.3所示。圖2.2.3紅外避障傳感器模塊2.2.4蜂鳴器報(bào)警模塊蜂鳴器是一種會(huì)發(fā)出聲音的電子器件，原理與繼電器相似，常常用于報(bào)警、提示、警示等場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用于各類不同工業(yè)領(lǐng)域的電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器的種類也十分豐富，這里主要選用有源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)警報(bào)功能。實(shí)際上，蜂鳴器在用法和作用上和喇叭也非常相似。一般工作情況下電路中電流比較大，電路上的普通電平不夠驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，僅僅一個(gè)管腳難以使蜂鳴器運(yùn)行并使其工作，因此必須添加電流拓寬電路，多加一個(gè)三極管來(lái)增大流經(jīng)蜂鳴器的電流，其引腳結(jié)構(gòu)如圖2.2.4所示。圖2.2.4蜂鳴器報(bào)警模塊2.2.5單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)在需要迅速處理大量信號(hào)或數(shù)據(jù)的一般情況下，我們會(huì)利用DSP來(lái)處理，但是DSP的芯片價(jià)格略貴，且必須要利用其專用的開(kāi)發(fā)環(huán)境和程序語(yǔ)法，相對(duì)使用單片機(jī)來(lái)說(shuō)比較困難。單片機(jī)的低成本高能耗和易于操作的特點(diǎn)使得它非常適用于本智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)采用的ArduinoUNO單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，其控制核心微處理器是ATmega328P。Arduino單片機(jī)集成了6個(gè)模擬輸入管腳，14個(gè)數(shù)字輸入、輸出管腳，其中還有6個(gè)管腳可用于輸出PWM信號(hào)。它擁有16MHz的晶振時(shí)鐘，提供電源插孔、復(fù)位按鈕以及ICSP接頭，并通過(guò)USB連接上位機(jī)燒錄代碼。一般情況下只需要將USB數(shù)據(jù)線與電腦相連接就能供電并下載燒錄程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，抗干擾性非常強(qiáng)。該單片機(jī)在同系列中較為經(jīng)典，擁有較為豐富的相關(guān)資料手冊(cè)，可以在三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，利用Arduino來(lái)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的核心控制器方案性能非常穩(wěn)定，且燒錄程序步驟和代碼簡(jiǎn)單方便，是理想的單片機(jī)選擇，如圖2.2.4所示為本設(shè)計(jì)電路圖。2.2.5設(shè)計(jì)完整電路圖2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.3.1主程序設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)思路如下：首先將自動(dòng)垃圾桶系統(tǒng)啟動(dòng)后開(kāi)始進(jìn)入初始化，由超聲波測(cè)距傳感器模塊探測(cè)設(shè)定距離內(nèi)是否有人或物靠近，若超聲波傳感器檢測(cè)到人或物品與垃圾箱的距離小于設(shè)定距離，則電壓差控制舵機(jī)正轉(zhuǎn)使得垃圾箱自動(dòng)翻蓋開(kāi)啟，待垃圾投入4~5秒后桶蓋又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原位，特別的，垃圾桶蓋將會(huì)保持開(kāi)啟狀態(tài)直到扔垃圾的人離去。當(dāng)垃圾桶裝滿時(shí)，紅外避障傳感器檢測(cè)垃圾高度，若超出規(guī)定高度感應(yīng)到垃圾箱已滿，再經(jīng)單片機(jī)判斷控制溢出報(bào)警電路，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行警報(bào)提示防止溢出。實(shí)際上，溢滿報(bào)警并不會(huì)時(shí)時(shí)刻刻都開(kāi)啟，此功能只會(huì)在垃圾桶開(kāi)蓋后才會(huì)發(fā)出溢滿警報(bào)，用于提醒人們及時(shí)清理垃圾防止繼續(xù)投入。主程序流程框圖如圖2.3.1所示：開(kāi)始開(kāi)始初始化否初始化否檢測(cè)到有人？檢測(cè)到有人？是蜂鳴器報(bào)警是蜂鳴器報(bào)警檢測(cè)到溢滿？是檢測(cè)到溢滿？是否否打開(kāi)垃圾桶蓋打開(kāi)垃圾桶蓋是是5秒內(nèi)檢測(cè)到有人？5秒內(nèi)檢測(cè)到有人？否否關(guān)閉垃圾桶蓋關(guān)閉垃圾桶蓋圖2.3.1設(shè)計(jì)流程圖2.3.2自動(dòng)翻蓋程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用的是可以精準(zhǔn)控制角度的舵機(jī)，自動(dòng)翻蓋的控制信號(hào)輸入為檢測(cè)人體距離的超聲波測(cè)距傳感器，輸出PWM信號(hào)至舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)直接控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。若傳感器檢測(cè)到有人或物接近設(shè)定距離，則輸出信號(hào)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)蓋，等人離開(kāi)后4~5秒，輸出信號(hào)控制電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)相同角度關(guān)蓋。利用程序代碼來(lái)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度從而使桶蓋自動(dòng)翻開(kāi)合適的位置。垃圾桶自動(dòng)開(kāi)蓋流程如圖2.3.2所示。開(kāi)始開(kāi)始接收器收到反射波的接收器收到反射波的計(jì)時(shí)時(shí)間小于設(shè)定值是是桶蓋為關(guān)？桶蓋為關(guān)？否是否否是否電機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反射波計(jì)時(shí)時(shí)間大于反射波計(jì)時(shí)時(shí)間大于設(shè)定值且桶蓋為開(kāi)是是否否電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)返回返回圖2.3.2自動(dòng)翻蓋流程圖2.3.3溢出檢測(cè)電路程序設(shè)計(jì)溢出檢測(cè)電路設(shè)計(jì)部分通過(guò)檢測(cè)紅外避障傳感器的輸出來(lái)給設(shè)定的垃圾高度變量賦值，若大于設(shè)定值則判斷為垃圾已滿，控制單片機(jī)輸出PWM信號(hào)控制蜂鳴器報(bào)警，用這樣的方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)溢出的目的。垃圾溢出監(jiān)測(cè)流程圖如圖2.3.3所示。開(kāi)始開(kāi)始紅外檢測(cè)高度紅外檢測(cè)高度變量大于設(shè)定值是是蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警否否紅外檢測(cè)高度紅外檢測(cè)高度變量小于設(shè)定值是是否否蜂鳴器停止報(bào)警蜂鳴器停止報(bào)警返回返回圖2.3.3溢出檢測(cè)電路流程圖當(dāng)紅外檢測(cè)變量值大于設(shè)定值時(shí)輸出為1，及判斷為垃圾溢出，此時(shí)蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到變量小于設(shè)定值時(shí)輸出為0，及判斷為垃圾以處理，此時(shí)蜂鳴器停止報(bào)警。3系統(tǒng)調(diào)試硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原來(lái)是相互分開(kāi)的，所以在分別調(diào)試硬件和軟件系統(tǒng)好后再把程序下載到單片機(jī)中查看系統(tǒng)的具體工作情況，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)試。調(diào)試是為了檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路和軟件代碼是否能夠完整地運(yùn)行成功，同時(shí)輸出結(jié)果是否為預(yù)想中的目標(biāo)。整個(gè)調(diào)試過(guò)程反映了編程的邏輯性問(wèn)題以及硬件連接有缺陷等等問(wèn)題。下述內(nèi)容詳細(xì)描述了每個(gè)模塊調(diào)試過(guò)程以及相應(yīng)問(wèn)題的解決方法。3.1系統(tǒng)軟件調(diào)試1.選擇單片機(jī)型號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)是Arduino，這里使用ArduinoIDE專用開(kāi)發(fā)環(huán)境。首先選擇ArduinoUNO芯片，其次選擇好正確的端口。如圖3.1.1所示：圖3.1.1端口調(diào)試2.編寫好整個(gè)系統(tǒng)功能的代碼后，左擊箭頭標(biāo)志開(kāi)始上傳代碼，上傳成功后再點(diǎn)擊對(duì)號(hào)標(biāo)志，IDE菜單欄編譯器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)編寫程序的格式和語(yǔ)法錯(cuò)誤。若沒(méi)有語(yǔ)句錯(cuò)誤，則打開(kāi)串口監(jiān)視，選擇9600波特率，等待一會(huì)兒開(kāi)始顯示數(shù)據(jù)代表上傳成功。如圖3.1.2所示：圖3.1.2串口監(jiān)視3.上傳完成后，就會(huì)在目標(biāo)文件夾燒錄單片機(jī)所使用的文件。將下載連接器與單片機(jī)接口正確連接，在菜單欄中選取正確的串口，確認(rèn)無(wú)誤后點(diǎn)擊下載按鈕即可開(kāi)始燒錄，復(fù)位單片機(jī)后開(kāi)始運(yùn)作即代表燒錄成功。3.2系統(tǒng)硬件調(diào)試在確保元器件沒(méi)問(wèn)題后，首先，電路的調(diào)試運(yùn)行必須要監(jiān)測(cè)是否有斷開(kāi)或者短路現(xiàn)象，PCB電路板是否有電路走線不對(duì)、電路引腳虛焊或者電烙鐵焊錫用量過(guò)多過(guò)少導(dǎo)致的引腳接觸不良等情況。檢查完畢后將已經(jīng)完全焊接好的電路板通上電，并使用萬(wàn)能表仔仔細(xì)細(xì)將所有引腳的電壓檢查清楚，看是否在規(guī)范值內(nèi)。3.3調(diào)試結(jié)果及分析在開(kāi)始獨(dú)立進(jìn)行模塊和程序調(diào)試的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)自己給自己挖了很多坑導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正確運(yùn)行，因此想要解決問(wèn)題只能每個(gè)模塊分別檢查，這也是模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)所在。盡管過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，然而經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整軟件和硬件以達(dá)到完美適配效果，最終也達(dá)到本次設(shè)計(jì)的預(yù)期，以下記錄了具體出現(xiàn)的問(wèn)題情況。程序無(wú)法下載至單片機(jī)解決辦法如下：1.檢查芯片和連接器是否還能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，重裝芯片以排除驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，重啟電腦或IDE軟件，檢查端口是否接觸好。2.檢查是否是單片機(jī)自身問(wèn)題，嘗試更換單片機(jī)3.多按幾次單片機(jī)的復(fù)位鍵嘗試是否可以使用。舵機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)解決辦法如下：1.舵機(jī)的工作原理和過(guò)程要比普通電機(jī)繁雜，與電機(jī)相同的是都必須要使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路或檢查驅(qū)動(dòng)電路是否正常。2.若是因?yàn)殡娐分须妷哼^(guò)低的情況導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則必須將編譯好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分參數(shù)加以修改，使電機(jī)正常工作。3.單片機(jī)引腳輸出電流較小，考慮添加上拉電阻。4.如若輸入電壓過(guò)低導(dǎo)致不能啟動(dòng)電機(jī)，嘗試更換新電池。3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果本次畢業(yè)設(shè)計(jì)基本完成了預(yù)定的目標(biāo)，設(shè)計(jì)成果滿足下列要求：1.實(shí)時(shí)探測(cè)是否有人或物接近垃圾桶投擲垃圾，并自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋；當(dāng)人接近垃圾桶一定距離的時(shí)候，垃圾桶可在1秒內(nèi)開(kāi)蓋；當(dāng)人離開(kāi)后可在4~5秒后自動(dòng)關(guān)蓋。2.實(shí)時(shí)檢測(cè)垃圾的多少并溢出報(bào)警，當(dāng)垃圾高度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)則電路控制蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，當(dāng)垃圾被清理到預(yù)設(shè)高度以下時(shí)關(guān)閉報(bào)警。圖3.4智能垃圾桶外觀4總結(jié)與展望在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我使用Adurino單片機(jī)作為核心控制芯片，達(dá)到了自動(dòng)開(kāi)蓋和垃圾溢出報(bào)警的主要功能，完成了基于Adurino單片機(jī)的自動(dòng)垃圾桶設(shè)計(jì)。首先利用超聲波測(cè)距傳感器感應(yīng)是否有人要扔入垃圾，如果有人扔垃圾則輸出信號(hào)到單片機(jī)，再經(jīng)單片機(jī)處理后輸出脈沖信號(hào)令伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)開(kāi)蓋，人離開(kāi)~秒再自動(dòng)關(guān)蓋。利用舵機(jī)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用伺服電機(jī)來(lái)自動(dòng)控制開(kāi)蓋的原因是其旋轉(zhuǎn)角度易于操控。當(dāng)桶內(nèi)垃圾的高度超出預(yù)設(shè)高度時(shí)，紅外避障傳感器會(huì)將PWM信號(hào)輸出給單片機(jī)控制核心，待其處理數(shù)據(jù)后再驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出溢出警報(bào)。在軟硬件聯(lián)合調(diào)試過(guò)程中一定會(huì)遇到一些困難問(wèn)題，為了完成所有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，則應(yīng)該堅(jiān)持完善和仔細(xì)的解決所遇到的困難。雖然整個(gè)設(shè)計(jì)成果已經(jīng)符合畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的預(yù)期完整需求，但由于時(shí)間問(wèn)題使得本方案并沒(méi)有做到十分完善和成熟，且并未達(dá)到理想目標(biāo)，雖然本畢業(yè)設(shè)計(jì)所做的智能垃圾桶可以自動(dòng)開(kāi)蓋且具有溢出報(bào)警功能，但距離心目中的智能化和人性化還有很長(zhǎng)一段路要走，我認(rèn)為還有以下幾個(gè)方面可以提升：1.提升語(yǔ)音質(zhì)量。現(xiàn)在使用的蜂鳴器智能發(fā)出滴滴聲以此報(bào)警，音調(diào)單調(diào)容易使人煩躁。2.改變開(kāi)蓋部分機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)由于有材料限制，因此使用簡(jiǎn)單的線拉方式來(lái)開(kāi)桶蓋。這種操作方式在使用舵機(jī)的情況下存在高延遲和低速度的巨大問(wèn)題，因此以后可以用齒輪配合改進(jìn)機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)。3.更換超聲波檢測(cè)傳感器：雖然超聲波傳感器可以完成本設(shè)計(jì)方案的測(cè)距功能，但超聲波傳感器易受到周圍環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致輸出波動(dòng)較大，所以可使用性能更加穩(wěn)定的傳感器來(lái)替換。結(jié)論經(jīng)過(guò)努力查閱大量單片機(jī)、電機(jī)控制、各類傳感器元件、測(cè)距儀器、紅外與超聲波工作原理、智能垃圾桶等方面的文獻(xiàn)和參考資料。多次實(shí)踐調(diào)試后自動(dòng)翻蓋垃圾桶的各個(gè)模塊都已經(jīng)完善，隨著傳統(tǒng)垃圾桶和現(xiàn)有智能垃圾桶的飛速發(fā)展以及當(dāng)今科技的飛速發(fā)展，微機(jī)技術(shù)、人工智能等各種信息化技術(shù)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中得到了更為普遍的應(yīng)用，因此為了加速社會(huì)的智能化人性化，本設(shè)計(jì)研究出了自動(dòng)翻蓋垃圾桶。本設(shè)計(jì)通過(guò)將各種傳感器和其他輔助功能應(yīng)用在垃圾桶上，以此讓垃圾桶變得更加智能化和人性化，更新了人們對(duì)智能垃圾桶的理解，使得生活中隨意可見(jiàn)但又不可或缺的垃圾桶變得更加人性化。自動(dòng)翻蓋設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的時(shí)間和人力資源。另一方面，垃圾箱上的溢出報(bào)警提示可以有效杜絕人們亂扔垃圾以及垃圾溢滿等現(xiàn)象，提高人民對(duì)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)，增強(qiáng)生態(tài)危機(jī)感，為人類生態(tài)文明建設(shè)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出必要的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)[1]侍倩，柳麗霞.生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)產(chǎn)氣規(guī)律及污染[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005

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Co.,Ltd.*@fileultrasonic_basic_test.c*@authorGeorge*@versionV1.0*@brief超聲波自動(dòng)感應(yīng)垃圾桶代碼*@details*@parHistory見(jiàn)如下*/#include<Servo.h>Servomyservo;//createservoobjecttocontrolaservo#defineSPEED5#defineCLOSETIME3000//關(guān)閉垃圾桶延時(shí)#defineMIN_ANGLE180#defineMAX_ANGLE100#defineOPEN_DIS15//引腳定義constintEchoPin=12;//超聲波接受引腳constintTrigPin=13;//超聲波觸發(fā)引腳floatcm;//超聲波直接檢測(cè)到的距離floatcm_filter=0;//超聲波濾波后得到的距離floatk=0.5;//濾波系數(shù)floatget_ultrasonic_dis();//距離讀取并濾波/***Functionsetup*@authorGeorge*@date2017.07.25*@brief初始化配置*@param[in]void*@retvalvoid*@parHistory無(wú)*/voidsetup(){Serial.begin(9600);pinMode(TrigPin,OUTPUT);pinMode(EchoPin,INPUT);pinMode(A4,OUTPUT);pinMode(2,INPUT);digitalWrite(TrigPin,LOW);//低高低電平發(fā)一個(gè)短時(shí)間脈沖去TrigPindelayMicroseconds(2);digitalWrite(TrigPin,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(TrigPin,LOW);cm=pulseIn(EchoPin,HIGH)/58.0;//將回波時(shí)間換算成cmcm_filter=cm;myservo.attach(9);//attachestheservoonpin9totheservoobjectfor(inti=MIN_ANGLE;i>MAX_ANGLE;i--){myservo.write(i);delay(50);}for(inti=MAX_ANGLE;i<MIN_ANGLE;i++){myservo.write(i);delay(50);}}/***Functionloop*@authorGeorge*@brief獲取數(shù)據(jù)并打印*@param[in]void*@retvalvoid*@parHistory無(wú)*/charflag_open=0;voi