電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)論文-基于單片機(jī)的垃圾分類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的垃圾分類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52RC的智能化垃圾分類(lèi)識(shí)別垃圾箱控制系統(tǒng)。目前，垃圾桶的樣式和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不能很好地起到分類(lèi)回收的作用，而且蚊蠅滋生、污水外溢、異味等弊端也在使用中暴露出來(lái)，對(duì)人們的生活和環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此設(shè)計(jì)一個(gè)集多功能于一體的智能化垃圾分類(lèi)識(shí)別垃圾箱控制系統(tǒng)很重要。該系統(tǒng)主要由繼電器驅(qū)動(dòng)電路、紅外感應(yīng)模塊、金屬檢測(cè)和濕度檢測(cè)模塊等功能模塊構(gòu)成。以cmos數(shù)字集成電路構(gòu)成的金屬檢測(cè)、RPR220紅外傳感器、HC-SR04超聲波監(jiān)測(cè)和STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)傳感器采集距離信息，LCD1602顯示當(dāng)前垃圾桶狀態(tài)，如果紅外感應(yīng)有人投放垃圾，通過(guò)LM393濕度傳感器、cmos六反相器數(shù)字集成電路金屬傳感器進(jìn)行檢查，本系統(tǒng)解決了人們用手去開(kāi)沾滿許多細(xì)菌的蓋，繼電器模擬進(jìn)行控制垃圾桶打開(kāi)關(guān)閉，檢測(cè)到有人靠近自動(dòng)開(kāi)蓋，離開(kāi)后自動(dòng)關(guān)閉。如果檢測(cè)到金屬，濕垃圾或者是其他不同的繼電器會(huì)打開(kāi)模擬進(jìn)行分類(lèi)投放垃圾。此設(shè)計(jì)具有垃圾分類(lèi)的功能，對(duì)當(dāng)前環(huán)境垃圾污染問(wèn)題做垃圾分類(lèi)處理找到了一個(gè)可行的解決方法。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；金屬檢測(cè)；紅外傳感器；垃圾桶；超聲波AbstractThispaperdesignsanintelligentgarbageclassificationandidentificationbincontrolsystembasedonSTC89C52RC.Atpresent,thestyleandstructureofthetrashcanisrelativelysimple,whichcannotplayagoodroleinclassificationandrecycling.Moreover,thebreedingofmosquitoesandflies,sewageoverflow,odorandotherdisadvantagesarealsoexposedinuse,whichhasaseriousimpactonpeople'slifeandenvironment.Therefore,itisveryimportanttodesignanintelligentgarbageclassificationandidentificationbincontrolsystem.Thesystemismainlycomposedofrelaydrivecircuit,infraredsensingmodule,metaldetectionmoduleandhumiditydetectionmodule.Withcmosdigitalintegratedcircuitofmetaldetection,RPR220infraredsensor,HC-SR04ultrasonicmonitoringandSTC89C52asthecore,throughthesensoracquisitiondistanceinformation,showsthecurrentstatusoftheLCD1602,ifinfraredsensingsomeoneputgarbage,throughLM393humiditysensor,cmossixinverterdigitalmetalsensorcheck,thissystemsolvesthepeopletocoverwithmanybacteria,therelaysimulationtocontrolthetrashcanopenandclose,detectedsomeoneclosetotheautomaticcover,andthenautomaticallyclosedafterleaving.Ifametalisdetected,wetwasteorotherdifferentrelayswillturnonthesimulationtosortthewaste.Thisdesignhasthefunctionofgarbageclassification,andfindsafeasiblesolutiontothegarbageclassificationandtreatmentofthecurrentenvironmentalgarbagepollutionproblem.Keywords:Singlechipcomputer;metaldetection;infraredsensor;trashcan;ultrasonic目錄TOC\o"1-3"\h\u7611前言 前言由于工業(yè)經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展，人民的物質(zhì)生活水平也逐步提高，我國(guó)居民生活垃圾數(shù)量正迅猛增加，環(huán)境隱患也日益凸顯，已經(jīng)逐漸成為我國(guó)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)主要制約性因素。如今，無(wú)論是政府還是居民，都越來(lái)越重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)，現(xiàn)在無(wú)論是走到哪里都能看見(jiàn)垃圾桶，特別是小區(qū)或者是酒店門(mén)口都有專(zhuān)門(mén)的區(qū)域放置分類(lèi)垃圾桶，這極大的方便了垃圾分類(lèi)回收工作，可以回收的垃圾不再是填埋場(chǎng)而是直接送到工廠，既節(jié)約了土地，也避免了大量的資源浪費(fèi)。避免填埋造成的污染，把廢變?yōu)閷?。將有害垃圾在處置前即做好分?lèi)，可以直接減少垃圾中的重金屬、有機(jī)污染物。方便進(jìn)行病菌等無(wú)害化處理。將濕垃圾提前分類(lèi)可以減少垃圾集中處理時(shí)水、土壤和空氣污染的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案選擇本論文設(shè)計(jì)智能垃圾箱分類(lèi)識(shí)別控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容為垃圾分類(lèi)、智能感應(yīng)和繼電器驅(qū)動(dòng)。智能分類(lèi)提示大幅度保護(hù)環(huán)境，解決廢棄物分類(lèi)，數(shù)據(jù)最后通過(guò)LCD顯示。系統(tǒng)功能確認(rèn)后，需要對(duì)功能進(jìn)一步細(xì)化，功能與功能之間是否有關(guān)聯(lián)性和特殊連接關(guān)系，依據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行關(guān)鍵器件選型及方案確定，如本文主要關(guān)鍵器件是單片機(jī)及外圍電路最小系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)采集與處理電路根據(jù)系統(tǒng)功能選擇什么樣的架構(gòu)模型以及關(guān)鍵技術(shù)。為了使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度小、成本低等特點(diǎn)該課題設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下表所示：表2.1課題設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1紅外檢測(cè)功能2通過(guò)繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3垃圾分類(lèi)檢測(cè)功能4LCD1602液晶顯示5金屬檢測(cè)功能單片機(jī)是本方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵控制核心，本方案設(shè)計(jì)中使用的單片機(jī)是STC89C52單片機(jī)。與單片AT89C51的比較如下表2.2所示。表2.2兩種擬訂方案的單片機(jī)型號(hào)參數(shù)對(duì)比型號(hào)AT89C51STC89C52位數(shù)88晶振頻率24MHz12MHz工作頻率0-24MHz0-40MHzFlash程序儲(chǔ)存器4KB8KB存儲(chǔ)器128byteRAM，4KROM512Byte，8KROM，自帶4K字節(jié)EEPROM定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器I/O口32個(gè)32個(gè)通信接口2個(gè)串口2個(gè)串口引腳個(gè)數(shù)44(PQFP)40(PDIP)ADC接口無(wú)無(wú)工作電壓3.8V-5.5V5.5V~3.3V/3.8V~2.0V工作溫度0-74°C/-41°C-86°C-40°C-85℃/0-75℃價(jià)格10元左右10元左右得出結(jié)論，它們的基本參數(shù)都是一樣的，主要的區(qū)別如下：1、前者為12T模式，后者可以是12T模式，也可以是6T模式2、AT89C51單片機(jī)只有128字節(jié)的RAM，而STC89C52單片機(jī)有著512字節(jié)的RAM3、前者工作電壓為5V，后者可以是3.3V--5V4、前者只有4K內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間，后者有最多64K存儲(chǔ)空間5、前者只能通過(guò)編程器編程，后者有ISP功能經(jīng)對(duì)比，決定使用單片機(jī)STC89C52。系統(tǒng)功能分析本設(shè)計(jì)選擇使用STC89C52單片機(jī)為核心元件。主要功能包括：智能開(kāi)蓋、裝滿報(bào)警以及對(duì)垃圾的類(lèi)型進(jìn)行具體分類(lèi)等功能。在垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和成本貫穿了整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的一環(huán)。設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)在滿足要求的同時(shí)，也需要應(yīng)用性。系統(tǒng)能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，考慮設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性、操作的便利性、擴(kuò)展性。如果實(shí)現(xiàn)以上這些功能就可以讓使用用戶丟垃圾時(shí)更加方便，同時(shí)垃圾和人也可以做到初步的隔離，能夠有效的防止細(xì)菌在垃圾桶里滋生。系統(tǒng)功能確認(rèn)后，需要對(duì)功能進(jìn)一步細(xì)化，功能與功能之間是否有關(guān)聯(lián)性和特殊連接關(guān)系，依據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行關(guān)鍵器件選型及方案確定，如本文主要關(guān)鍵器件是MCU及外圍電路最小系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)采集與處理電路根據(jù)系統(tǒng)功能選擇什么樣的架構(gòu)模型以及關(guān)鍵技術(shù)。功能設(shè)計(jì)：1)超聲波檢測(cè)滿溢程度，測(cè)障礙物低于8厘米的一檔，8-16厘米的二檔，高達(dá)48厘米的為五檔。2)LCD1602液晶顯示當(dāng)前垃圾桶狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)信息。3)如果有人在扔垃圾，紅外傳感器就會(huì)探測(cè)到當(dāng)前的掩體。當(dāng)它檢測(cè)到有人扔垃圾，傳感器開(kāi)始檢測(cè)，液晶倒計(jì)時(shí)6秒。4)濕度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)垃圾是否為濕垃圾，如果是濕垃圾則2號(hào)繼電器打開(kāi)5s后自動(dòng)關(guān)閉。5)金屬檢測(cè)模塊檢測(cè)是否為金屬類(lèi)型。6)當(dāng)物品被檢測(cè)出為金屬垃圾時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警提醒。如果沒(méi)有檢測(cè)為濕垃圾或金屬垃圾系統(tǒng)判定為干垃圾，同時(shí)1號(hào)繼電器打開(kāi)5s后自動(dòng)關(guān)閉。7)當(dāng)檢測(cè)出垃圾為金屬垃圾時(shí)需要使用按鍵模塊打開(kāi)3號(hào)繼電器進(jìn)行強(qiáng)制回收，防止其他無(wú)關(guān)人員翻動(dòng)造成垃圾、污染。8)當(dāng)檢測(cè)到不同屬性的垃圾時(shí)，單個(gè)設(shè)備給繼電器提供低電平。這時(shí)會(huì)打開(kāi)繼電器，模擬垃圾的投入操作。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)STC89C52RC單片機(jī)簡(jiǎn)介該芯片是stc89c51芯片的升級(jí)版，STC89C52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytesISP的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的STC89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。如圖3.1為STC89C52單片機(jī)的管腳圖。圖3.1STC89C52RC管腳圖單片機(jī)選用STC89C52RC型號(hào)，P3口的具體功能見(jiàn)下表。表3.1P3口替代功能引腳替代功能說(shuō)明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)輸入P3.1TXD串行數(shù)據(jù)輸出P3.2INT0外部中斷0輸入P3.3INT1外部中斷1輸入P3.4T0定時(shí)器0外部計(jì)數(shù)輸入P3.5T1定時(shí)器1外部計(jì)數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫(xiě)選通輸出P3.7RD外部RAM讀選通輸出復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用10-30μF，51單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。單片機(jī)工作之后，只要在RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機(jī)就能有效地復(fù)位。復(fù)位電路圖如圖3.2所示。圖3.2復(fù)位電路圖如圖3.2所示，通過(guò)將單片機(jī)的復(fù)位輸入銷(xiāo)RST的電阻連接到電源的VCC端子形成電復(fù)位電路。復(fù)位電路通過(guò)電容器向RST終端追加。電容器充電時(shí)充電最多這些對(duì)應(yīng)于短路，這意味著RST接收高電平信號(hào)。在給電容器充電時(shí)高電平信號(hào)逐漸減少。電容器兩端的電壓與電源電壓相同給電容器充電的電流停止向電容器充電。當(dāng)電容器被打開(kāi)時(shí)，RST端處于較低水平，程序工作。晶振電路設(shè)計(jì)典型的晶振取12MHZ，晶振越大，則單片機(jī)的處理速度越快。電路如圖3.3所示。圖3.3晶振電路如圖3.3所示，本項(xiàng)目使用由兩個(gè)20uF負(fù)載容量和12MH晶體振動(dòng)組成的晶體振動(dòng)電路徑分別連接X(jué)TAL1端口和XTAL2端口。使用20pF電容器是為了確保C10和C11具有相同的特性?？紤]到STC89C52RC單片機(jī)的實(shí)際工作和電路的分析，我認(rèn)為12Mhz的晶體振蕩器是最合適的。濕度感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)與LM358相比，LM393更適合用在安裝垃圾桶的表面上，更容易設(shè)計(jì)。因此，本設(shè)計(jì)濕度傳感器選用LM393。表3.2LM393和LM的各特征LM3931.工作溫度范圍：0°C--+70°C2.電源電壓范圍寬3.消耗電流小，ICC=0.4mA；4.輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2mV；5.VIC=0~VCC-1.5V；6.輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；7.輸出可以用開(kāi)路集電極連接“或”門(mén)；8.可以表面安裝LM3581.頻率補(bǔ)償2.電壓增益高3.增益頻帶寬4.電壓范圍寬雙電源(±1.5一±15V)5.壓擺率(0.3V/us)6.電流低功耗7.共模輸入范圍寬8.差模輸入范圍寬9.輸出電壓擺幅大我們可以直接采用濕度傳感器來(lái)判斷垃圾是否是干垃圾還是濕垃圾，因?yàn)槔绻菨竦?，并且濕度達(dá)到一定值就可以利用LM393比較器進(jìn)行判斷。濕度傳感器LM393的主要特征如表3.3所示。表3.3LM393的各特征工作電源電壓工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2~36V，雙電源：±1~±18V消耗電流消耗電流小，Icc=0.8mA輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2mV共模輸入電壓共模輸入范圍寬輸出兼容性輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容輸出特點(diǎn)輸出可以用開(kāi)路集電極連接“或”門(mén)圖3.4LM393原理圖與大多數(shù)比較器類(lèi)似，如果輸出端和輸入端之間存在寄生電容耦合容易振動(dòng)。當(dāng)輸入電阻降低到10k或更小時(shí)，反饋信號(hào)減小，即使正反饋和負(fù)反饋略微增加寄生容量也不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。全部未使用的比較器引腳都應(yīng)接地。水位傳感器檢測(cè)低水位時(shí)，393比較器輸出低水位，MCU檢測(cè)低水位。紅外感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)傳感器模塊中選用了兩個(gè)RPR220傳感器電路并聯(lián)。之所以選擇RPR220是因?yàn)樗且粋€(gè)集成的反射紅外探測(cè)器。它的塑料透鏡使傳感器具有很高的靈敏度，其內(nèi)置的可見(jiàn)光濾光片可以減少雜散光對(duì)測(cè)量的影響，從而減小檢測(cè)誤差。而且RPR220的體積很小，結(jié)構(gòu)緊湊，適合放置在垃圾箱殼體的夾層中。紅外線傳感器檢測(cè)是否有物體，并將信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。模塊電路圖如圖3.5所示。圖3.5紅外感應(yīng)模塊電路選擇兩個(gè)RPR220傳感器電路并聯(lián)連接。RPR220體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，適合放在夾層中。繼電器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)在這次設(shè)計(jì)中，繼電器電路發(fā)揮了很大的作用，當(dāng)檢測(cè)到不同類(lèi)型的垃圾時(shí)，單片機(jī)會(huì)給相應(yīng)的繼電器提供低電平信號(hào)模擬信號(hào)接收到的繼電器打開(kāi)，打開(kāi)垃圾箱投入垃圾的操作。圖3.6繼電器原理圖如上圖3.6的繼電器原理圖所示，是能夠使用小電流控制大電流的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。繼電器的其他作用如下表3.2所示。表3.2繼電器的作用擴(kuò)大控制范圍信號(hào)達(dá)到某一定值時(shí)，可以按不同形式，同時(shí)換接多路電路放大用一個(gè)很微小的控制量，可以控制很大功率的電路綜合信號(hào)當(dāng)多個(gè)控制信號(hào)輸入多繞組繼電器時(shí)可達(dá)到預(yù)定的控制效果自動(dòng)、遙控、監(jiān)測(cè)與其他電器一起組成程序控制線路，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我將代表垃圾桶的三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接到單片機(jī)的p3.5、p3.6和p3.7上，驅(qū)動(dòng)電路如圖3.7所示。圖3.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖金屬檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)在我們投放垃圾的時(shí)候當(dāng)紅外線感知到人的時(shí)候，金屬探測(cè)器開(kāi)始檢測(cè)投入垃圾中的金屬。如果有金屬的話，按下按鈕打開(kāi)特殊的垃圾回收按鈕。金屬物體由金屬和信號(hào)的諧波場(chǎng)強(qiáng)度的變化和金屬的幅度來(lái)識(shí)別。由探測(cè)線圈產(chǎn)生的旋渦在被測(cè)試的金屬中產(chǎn)生旋渦。渦流作用于探測(cè)改變了探測(cè)線圈的阻抗和探測(cè)振蕩器的振幅。將幅度變化作為檢測(cè)信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)音頻電路發(fā)聲。音頻信號(hào)根據(jù)被測(cè)金屬的大小和距離而變化。圖3.8金屬檢測(cè)模塊流程圖本模塊選用CMOS六反相器數(shù)字集成電路用作金屬探測(cè)器，探測(cè)器的原理電路圖如下圖3.9所示。探測(cè)器的靈敏度高，檢測(cè)距離遠(yuǎn)。我認(rèn)為這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，方案也很容易實(shí)現(xiàn)。圖3.9總電路設(shè)計(jì)原理圖調(diào)整電位器W將振蕩器置于臨界振蕩狀態(tài)。在正常振蕩時(shí)，電壓將超過(guò)0.6V，Q2短路，Q3斷開(kāi)。用萬(wàn)用表測(cè)量電容兩端電流，當(dāng)電容器兩端電流相等或接近1/3倍電流值時(shí)即為金屬；若在同一位置上有兩個(gè)以上相同大小的電阻也可能是金屬。當(dāng)金屬接近探測(cè)線圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)渦流，增加電路能量損耗，從而導(dǎo)致振蕩器振蕩較小，Q2被切斷，R2被充電C4，以此來(lái)判斷金屬。電源模塊單片機(jī)的供電電源開(kāi)關(guān)控制如下圖3.10所示，該電路是我的課題設(shè)計(jì)中單片機(jī)的供電電路整體。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的所有設(shè)備都用5V供電。所以，只要用USB連接我們的PC、電池和充電寶，就可以直接使用。但是這個(gè)電路是耗電少的周邊電路，請(qǐng)注意可以這樣設(shè)計(jì)。但是，芯片上寫(xiě)著5V供電，卻遭遇了非常高耗電的電路。設(shè)計(jì)其他電路時(shí)，需要注意電路中的電流是否能達(dá)到這些元件動(dòng)作的要求。圖3.10電源電路圖液晶顯示器芯片因?yàn)橐@示兩行溫濕度數(shù)據(jù)，所以只需要一兩行顯示器。因此我選了LCD1602。這款液晶顯示屏是由美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的。在性能上比目前使用的CRT更先進(jìn)。它采用了最新的彩色技術(shù)。具有高對(duì)比度及高動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。它能顯示兩行數(shù)據(jù)，每行16個(gè)字符，完全符合設(shè)計(jì)要求。它不僅體積小，功耗低，而且顯示效果特別好。LCD1602有以下16個(gè)引腳：引腳號(hào)引腳名稱(chēng)引腳功能1GND電源接地端2VCC5V電源正極3VL調(diào)節(jié)顯示器對(duì)比度4RS寄存器選擇端5RW讀寫(xiě)信號(hào)線6E使能端口7~14D0~D7雙向數(shù)據(jù)端口15BL+背光正極16BL-背光負(fù)極LCD1602液晶屏不需要額外的電源轉(zhuǎn)換模塊背光電源的電路由電位計(jì)控制，電位計(jì)的電阻值通過(guò)調(diào)整來(lái)控制背光亮度。LCD602上顯示了28個(gè)字符，而對(duì)字符變量的比較則揭示了所需的內(nèi)容。RS、RW的值控制單片機(jī)對(duì)引腳的讀寫(xiě)：RSRW操作命令00寫(xiě)入指令寄存器(清清屏等)01讀busy(DB7)，以及讀取DB0—DB6的值10顯示各字符11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)圖3.11液晶顯示模塊原理圖超聲波測(cè)距模塊HC-SR04和US-100相比，HC-SR04精度更高，盲區(qū)更小，因此超聲波電路采用了HC－SR04。該模塊的作用是監(jiān)測(cè)滿溢程度。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用超聲波測(cè)距，模型為HC-SR04超聲波模塊，由超聲波接收電路、控制電路和電源電路四部分組成。超聲波測(cè)距HC-SR04該模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離準(zhǔn)確。US-1002cm到4.5m測(cè)距功能，工作穩(wěn)定可靠。超聲波測(cè)距模塊的電路圖如下圖3.12所示。圖3.12超聲波測(cè)距模塊電路圖下圖3.13是超聲波的實(shí)物圖。圖3.13超聲波實(shí)物圖按鍵模塊當(dāng)檢測(cè)出當(dāng)前垃圾為金屬垃圾時(shí)蜂鳴器報(bào)警提醒，按下按鍵打開(kāi)3號(hào)繼電器，5s后自動(dòng)關(guān)閉。按鍵模塊原理圖如圖3.14所示。圖3.14按鍵模塊原理圖報(bào)警模塊本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要語(yǔ)音提示報(bào)警，從設(shè)計(jì)成本和難度選擇蜂鳴器作為報(bào)警裝置，目前常用的蜂鳴器主要有有源型和無(wú)源型。其中有源型是蜂鳴器本體只提供報(bào)警裝置，其電源和驅(qū)動(dòng)電路都是外部提供，無(wú)源型是外部不需要提供電源電路，只需要提供驅(qū)動(dòng)控制電路即可，活動(dòng)的蜂鳴器不適合這個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選擇活動(dòng)型蜂鳴器由于活動(dòng)蜂鳴器的消耗功率為0.2W，因此可以通過(guò)外部信號(hào)來(lái)控制蜂鳴器的聲音大小和警報(bào)時(shí)間。該設(shè)計(jì)的蜂鳴器的工作電壓為5V±0.5V，系統(tǒng)需要外部增加驅(qū)動(dòng)電路，提升帶載能力，為了使得控制電路簡(jiǎn)單，用三極管作為驅(qū)動(dòng)芯片。選擇三極管型號(hào)放大能力為100倍，因此驅(qū)動(dòng)能力足以讓蜂鳴器正常工作，由于控制是低電平有效，故選用9012型號(hào)PNP型三極管。驅(qū)動(dòng)與控制電路如下圖：圖3.15蜂鳴器驅(qū)動(dòng)與控制電路如上圖所示蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，其中三極管1腳接電源VCC，2腳通過(guò)限流電阻R接到單片機(jī)GPIO口，3腳接到蜂鳴器線圈引腳，蜂鳴器線圈另一端接到GND。當(dāng)GPIO口級(jí)別高時(shí)，三極管處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，蜂鳴器線圈沒(méi)有電源，蜂鳴器不工作，當(dāng)GPIO口由高電平切換到低電平時(shí)，蜂鳴器線圈得電，由蜂鳴器工作原理，此時(shí)蜂鳴器開(kāi)始工作，通過(guò)控制GPIO口高低電平時(shí)間，就能控制蜂鳴器工作時(shí)間。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境、工具常用的系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是Keil軟件。軟件結(jié)構(gòu)是由功能模塊程序和子模塊程序兩大組成模塊構(gòu)成?；A(chǔ)程序模組通常在芯片出廠時(shí)調(diào)試時(shí)可以直接調(diào)用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。最后一個(gè)程序主要用于應(yīng)用程序和通信程序的設(shè)計(jì)。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil軟件應(yīng)用廣泛，可用于51/52及STM32系列的單片芯片。51系列使用KeilC51版本STM32使用KeiluVision版本。Keil軟件是一個(gè)類(lèi)似微軟Windows的圖形化界面，該開(kāi)發(fā)環(huán)境非常易于使用而且適合與仿真器相結(jié)合的軟件編譯，模擬，修改。Keil軟件是分層的，Keil的優(yōu)點(diǎn)有很多，與WINXP、WIN7/10、Linux、Ubuntu等多操作系統(tǒng)兼容與模擬器組合使用，支持在線調(diào)試和模擬實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，使用穩(wěn)定性。使用方式可定制化，提高軟件開(kāi)發(fā)效率，程序編寫(xiě)中出現(xiàn)的問(wèn)題可實(shí)時(shí)報(bào)警，并可定位在錯(cuò)誤的地方，便于查找，增強(qiáng)軟件的穩(wěn)固性。軟件開(kāi)發(fā)工具在軟件開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要編譯、修改和模擬軟件。這需要調(diào)試一個(gè)類(lèi)似虛擬硬件的工具模擬器，它作為軟件的“運(yùn)行”程序發(fā)揮作用?？梢宰鳛橛布M(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試的早期階段進(jìn)行物理調(diào)試。軟件工作流程啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)重置為零一次，然后初始化程序。軟件系統(tǒng)開(kāi)始工作，控制中心向輸入模塊發(fā)出指令，傳感器數(shù)據(jù)被發(fā)送給控制部，控制部將會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理過(guò)后的數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。當(dāng)系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)輸出時(shí)向控制部輸出模塊發(fā)送請(qǐng)求。最后處理過(guò)后的數(shù)據(jù)也會(huì)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。圖4.1主程序流程圖傳感器模塊程序設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)程序采用信號(hào)查詢方法，首先從系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)接下來(lái)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)Echo的高級(jí)持續(xù)時(shí)間，HC-SR04傳感器模塊的操作時(shí)序圖如下所示。圖4.2HC-SR04模塊運(yùn)行時(shí)序圖下圖是HC-SR04模塊軟件運(yùn)行流程圖。圖4.3HC-SR04模塊軟件運(yùn)行流程圖核心代碼如下：voidDelayUs2x(unsignedchart){while(--t);}floatGet_S(void){longi=0;floatS;//距離變量TRIG=1;//觸發(fā)信號(hào)是高電平脈沖，寬度大于10usDelayUs2x(10);TRIG=0;while(!ECHO&i<300000)i++;//等待高電平TR0=1;i=0;while(ECHO&i<300000)i++;//等待低電平TR0=0;S=TH0*256+TL0;//取出定時(shí)器值高8位和低8位合并(單位時(shí)間為us)S=S/58;//讀出來(lái)是厘米TH0=0;TL0=0;//清除定時(shí)器0寄存器中的值returnS;}金屬檢測(cè)程序設(shè)計(jì)當(dāng)輸出諧振頻率低于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入多次中斷子例程。如果輸出諧振頻率值低于設(shè)定的閾值系統(tǒng)多次訪問(wèn)中斷子例程。下圖是金屬檢測(cè)程序流程圖。圖4.4金屬檢測(cè)程序流程圖中斷子程序的檢測(cè)時(shí)間不能太短。不那樣做的話，程序的死周期的中斷變得容易發(fā)生。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)時(shí)間為1秒，系統(tǒng)的動(dòng)作以100個(gè)循環(huán)中斷，可以滿足設(shè)計(jì)要求。核心代碼如下：sbitRelay3=P3^7;//金屬垃圾繼電器miao=5;//繼電器開(kāi)啟5秒lcd_write_char(14，1，miao+0x30);//顯示秒switch(Classification)//顯示垃圾信息{case(1):lcd_write_str(0，1，"Drygarbage");Relay1=0;break;//干垃圾case(2):lcd_write_str(0，1，"Wetgarbage");Relay2=0;break;//濕垃圾case(3):lcd_write_str(0，1，"Metalwaste");Relay3=0;break;//金屬垃圾default:Relay1=1;Relay2=1;Relay3=1;break;}Else按鍵模塊程序設(shè)計(jì)開(kāi)機(jī)后程序開(kāi)始運(yùn)行。所有的按鈕都常開(kāi)開(kāi)關(guān)。按鍵時(shí)它就關(guān)閉了。按鍵時(shí)，通過(guò)查詢或中斷確定是否按鍵輸入和按下哪個(gè)鍵并通過(guò)傳輸命令執(zhí)行按鍵控制的繼電器或程序。圖4.5按鍵模塊流程圖系統(tǒng)仿真與調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境搭建搭建測(cè)試環(huán)境注意事項(xiàng)（1）硬件系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境的設(shè)置，應(yīng)確保各部件與萬(wàn)用板連接時(shí)不會(huì)太近或者太遠(yuǎn)了。濾波器容量盡量接近電源，使電源輸出更加穩(wěn)定。同樣的部件可以盡量保持功能的完整性減少資源的消耗量。（2）焊接時(shí)，務(wù)必注意溫度并且盡量不要反復(fù)焊接。系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境搭建在硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成后，將基于系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)的對(duì)象焊接在萬(wàn)用板上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求后對(duì)PCB進(jìn)行采樣和焊接，硬件調(diào)試環(huán)境主要包括焊接對(duì)象和功能對(duì)象、電源模塊、示波器、萬(wàn)用表。實(shí)物焊主包括以下幾個(gè)方面：（1）確定本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中對(duì)功能模塊進(jìn)行分類(lèi)所需的元器件，將所使用的元器件安裝在設(shè)計(jì)圖上的位置，分別用萬(wàn)用表檢測(cè)二極管的極性、五色環(huán)電阻阻值和電容容值。（2）確定系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局，并創(chuàng)建模板。根據(jù)設(shè)計(jì)要求單片機(jī)的最小系統(tǒng)采用中、縱接近板底的輸入信號(hào)，板頂是輸出信號(hào)端橫向左側(cè)是信號(hào)輸入端，中部是信號(hào)處理端，右側(cè)是信號(hào)輸出端。（3）垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的布局完成后將各功能模塊的部件依次插入板中，觀察整體配置是否合理不合理的情況下，焊接前重新檢查面板是否滿足要求。（4）在使用電烙鐵之前首先將零部件固定在板上，用刀將電氣元件的過(guò)長(zhǎng)的部分切斷，最后根據(jù)電烙鐵的電氣關(guān)系焊接系統(tǒng)的線路焊接，焊接后進(jìn)行進(jìn)一步檢查主要檢查是否存在焊點(diǎn)不實(shí)、漏焊的器件、是否短路、電氣關(guān)系、功能模塊電路等情況。圖5.1無(wú)通電顯示圖5.2通電顯示給電路板通電后，各個(gè)模塊開(kāi)始工作，超聲波測(cè)距模塊通過(guò)LCD液晶顯示模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾滿溢狀態(tài)，顯示當(dāng)前垃圾滿溢程度情況。圖5.3垃圾桶滿溢顯示當(dāng)超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)垃圾桶內(nèi)已滿，程序停止工作，并顯示為“Trashfull”。圖5.4紅外感應(yīng)模塊工作紅外感應(yīng)模塊感應(yīng)到有人靠近扔垃圾時(shí)，開(kāi)始檢測(cè)當(dāng)前垃圾種類(lèi)，計(jì)時(shí)6s。圖5.5檢測(cè)垃圾為干垃圾圖5.6檢測(cè)垃圾為濕垃圾檢測(cè)過(guò)程中如果濕度監(jiān)測(cè)模塊檢測(cè)當(dāng)前垃圾為濕垃圾，則中間的濕垃圾垃圾桶自動(dòng)開(kāi)啟，開(kāi)啟時(shí)間為5s。如果在計(jì)時(shí)結(jié)束前還未檢測(cè)為濕垃圾或金屬垃圾，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟干垃圾垃圾桶，開(kāi)啟時(shí)間同樣為5s。圖5.7檢測(cè)垃圾為金屬垃圾檢測(cè)過(guò)程中如果檢測(cè)為金屬垃圾，蜂鳴器報(bào)警提醒并且需要手動(dòng)按下回收按鈕打開(kāi)金屬垃圾垃圾桶強(qiáng)制回收，防止有拾荒人員或其他無(wú)關(guān)人員翻動(dòng)垃圾，造成污染。垃圾分類(lèi)系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件的構(gòu)成完成后，就可以隨時(shí)進(jìn)行在線模擬。第一步是確認(rèn)系統(tǒng)的軟件程序是否符合設(shè)計(jì)要求。不一致時(shí)，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)是否和預(yù)先設(shè)計(jì)的狀態(tài)保持一致。第二，確認(rèn)子函數(shù)的定義是否正確、合理。最后，確認(rèn)軟件的優(yōu)先級(jí)設(shè)置是否正確。最后在實(shí)際調(diào)試的報(bào)告中，垃圾分類(lèi)識(shí)別程度達(dá)到了系統(tǒng)要求。系統(tǒng)硬件調(diào)試軟件程序?qū)懞靡院缶幾g成功即可燒到單片機(jī)中，本系統(tǒng)硬件部分調(diào)試主要包括三個(gè)部分：（1）控制中樞驗(yàn)證：確保電源系統(tǒng)正常工作電源發(fā)生問(wèn)題的話，系統(tǒng)整體可能會(huì)燒毀。取出芯片機(jī)器芯片用萬(wàn)用表接通電源，在5V范圍(誤差范圍)測(cè)量輸入電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)的供電電壓在正常范圍內(nèi)。滿足于電源切斷系統(tǒng)電源的情況并將單片機(jī)插入底座的要求，則送電再次測(cè)量電壓正常，按復(fù)位鍵后測(cè)量值正常。（2）系統(tǒng)功能驗(yàn)證：如果上述驗(yàn)證沒(méi)有問(wèn)題，則在發(fā)生問(wèn)題的情況下請(qǐng)盡快解決。功能可以正常進(jìn)入功能驗(yàn)證階段，逐個(gè)驗(yàn)證模塊功能是否完善。記錄驗(yàn)證過(guò)程。經(jīng)驗(yàn)證、系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)功能的需要。 （3）系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證：在高溫環(huán)境(40℃以上)下連續(xù)運(yùn)行六小時(shí)記錄系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)的變化，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以垃圾桶系統(tǒng)可以在高溫環(huán)境正常穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)論本設(shè)計(jì)充分考慮了位于城市中垃圾回收區(qū)的環(huán)境和回收設(shè)施特點(diǎn)，綜合考慮了公共設(shè)施的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)一步豐富了城市垃圾桶的功