基于单片机的智能垃圾桶设计

陈卓然 王 璇 赵东阳 夏丹宁 马鑫泉

（吉林师范大学博达学院 计算机与信息科学学院，吉林 四平 136000）

当今社会，人们对环境保护日益重视，垃圾分类及垃圾回收显得尤为关键且重要，最近几年全国对垃圾分类的提倡使垃圾桶的需求量激增，而智能垃圾桶成为当前社会的趋势。在投放垃圾时，智能垃圾桶能智能开盖并识别金属、非金属以及是否为可回收材料。此外，智能垃圾桶还具有利用物联网的功能，将数据传回手机App端进行大数据统计，从而使垃圾得到最大限度的回收，提高利用率，既能节省人力物力，又能为环境保护作出贡献。

1 智能垃圾桶设计方案

1.1 智能垃圾桶设计思路

第一，功能设定，设计可感应人体靠近，完成自动开盖功能；第二，功能设计，对于无意垃圾处理人员及有意垃圾处理人员进行检测，在检测时间内，确认为真正的倒垃圾人员，进行开盖动作；第三，检测垃圾桶内垃圾存储量，当垃圾超出范围，进行报告处理；未超限则进行开盖动作；第四，对于超限的数据进行上报处理，处理后的数据清零；第五，设置验算功能，完成以上各步骤后再次验算检测桶内垃圾数据，无问题开启开盖等待功能；第六，统计系统的误差统，根据垃圾分类错误次数计算误差，统计误差百分比。

1.2 智能垃圾桶的总体设计

智能垃圾桶由垃圾桶身部分、桶盖部分、控制系统部分组成。控制系统的主要功能：第一，对垃圾桶桶盖进行延时开合的控制，利用红外线对垃圾桶周围进行检测，如果有人体靠近，则自动打开垃圾的桶盖，实现垃圾桶的自动开合功能；第二，检测垃圾桶内部垃圾存储量的位置，如果垃圾已经存储状态为满，则提示垃圾已满，不开启垃圾桶盖；第三，结合反馈数据对已满状态的垃圾桶信息进行上传，通过蓝牙模块将已满信息传到手机App上，以提示工作人员进行垃圾桶清理。系统总体功能设计如图1所示。

图1 系统总体功能设计图

根据以上功能设计，拟选用的STC89C52RC作为本设计的中控单片机。STC89C52单片机为宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，带8K字节闪烁可编程可擦除式只读存储器[1]。

通过STC89C52RC中控模块，提供系统总体用电的供电模块、检测人身体接进自动开合桶盖的红外传感器模块、垃圾位置检测的金属传感器模块、蓝牙上报模块4部分共同构成了智能垃圾桶系统。

2 超级垃圾桶设计内容

2.1 总体供电模块

系统主要可采用锂电池进行供电，太阳能电池辅助供电[2]，其中锂电池选用7.4V，220000mA的2S。调整锂电池的直流电压降压至5.0V，再升至9.0V进行总体供给电量。舵机MG995R与舵机180度LDX-218并行连接电源电路，电源电路通过与STC89C52RC芯片的连接到显示电路，与此同时，芯片驱动发射电路经过超声波发射转换器到达终端，终端经过超声波接收转化器到接收电路，再回到芯片，从而实现电路的驱动。锂电池供电，太阳能辅助，可以最大可能性的保证系统的用电及其续航能力，并且可以大量节约能源，遇到特殊的外部环境，系统主控电路也可以正常完成工作。

2.2 自动开合桶盖模块

系统由红外传感器模块进行红外检测，探测周围有无人体接近桶身，如果有人接近并且时间在检测时间内，红外检测电路探测在设定距离内是否有人接近垃圾桶，如果有人出现在红外感应范围内，传感器装检测到的数据传送回微控制系统，经过延时判断是否是经过，还是投放垃圾的情况，确认垃圾投放后，桶盖自动打开；同时检测继续，若检测周围无人，将无人数据进行回传，经预先设置好的时间，关闭桶盖。

2.3 检测垃圾的传感器模块

系统控制垃圾的投放存储内容装满到一定的高度，由检测电路的传感器拾取位置数据进行检测，当超出设定高度移置时，由微控制系统运算后，控制桶盖不接受后继开盖指令，并将相关数据传送到蓝牙模块。只有高度检测不超过开盖标准设定的高度，桶盖才可进行开盖动作。

2.4 蓝牙上报模块

蓝牙模块功能是实现手机App端的连接。利用通用输入输出模块，对外部数据的收集，经过处理后，可提供输出两路PWM脉冲宽度调制波，结合蓝牙传输系统以实现微控制系统的串行口与其通信，最后将得到的数据通过蓝牙设备返回到手机App端进行显示。各模块运行流程如 图2所示。

图2 模块运行流程图

3 软件设计部分

软件设计功能是协助微处理系统实现各功能子模块的数据传输，用程序实现各模块的功能。系统程序首先会将各个模块进行初始化运作。为了使得红外感应模块能够正常测距，同时防止外界各种反射所造成的回传干扰，设定了300ms的延时。在延时结束以后，计时器即将开始计时，如果其已经到达了设定的时间，系统将会开始运作。在计时器工作的同时，波测量模块检测到人与垃圾箱的距离小于所设定的距离50cm时，舵机LDX-218正向旋转，控制盖子的开启，在延时5s后电机反转，控制盖子关闭。同时，金属传感器感应到物体后，系统会开始探测金属或非金属垃圾是否满溢，并在此前提下控制金属或非金属盖子是否开启。

4 智能垃圾桶设计方案的可行性分析

STC89C52RC芯片与红外线检测器相结合，控制理论研究、算法实现、应用探索等方面已取得了一些初步成果，并具有较好的理论基础，具有很强的可行性。智能垃圾桶涉及多个学科，需要群智能系统协同控制、数据处理、深度学习等多个领域的技术积累，这些技术在现实生活中已经有了很多的应用。因此，智能垃圾桶的应用在技术上是可行的。

5 结语

智能垃圾桶具有智能进行垃圾分拣、节省时间、环保高效的优势。本文给出了智能超级垃圾桶的总体解决方案，详细介绍了研究的主要内容、关键技术、实验方案等，为后续系统开发奠定了基础[3]。