单片机技术在智能垃圾箱中的应用_熊国栋.pdf

现代计算机Modern Computer第 28 卷 第 24 期2022年12月25日文章编号:1007-1423（2022）24-0078-11DOI:10.3969/j.issn.1007-1423.2022.24.014单片机技术在智能垃圾箱中的应用熊国栋（荆楚理工学院计算机工程学院，荆门448000）摘要：详细介绍了如何利用51单片机设计制作智能垃圾箱。它以STC89C52为控制核心，利用传感器检测环境信息进行判断，由单片机驱动程序执行相应的组件，操作来控制箱盖的打开或关闭，无需人工操作箱体上的盖子，从而避免了传统手动开关盖子的不便和危害。关键词：单片机；垃圾箱；脉冲电机；C程序0引言随着现代城市和科学技术的不断发展和进步，人们的生活水平与过去几年相比有了很大提高，追求健康生活环境的时代已经开启。因此，相关的环保产品和设备也不断涌现。在日常生活中，有相当一部分的垃圾箱露天没有盖子或是盖子需要手动打开。通常有盖子的垃圾箱由于卫生状况不佳，导致人们不愿意用手直接触摸打开，甚至将垃圾直接放在一边放任不管。在炎热的夏天，如果清理不及时，垃圾会散发出难闻的刺鼻气味，增加细菌扩散的机会。同时，一些医疗机构的废物会滋生病毒和传播疾病，从而危及人们的健康。但目前，市场上自动控制垃圾箱开闭及相关产品非常少见，因此，开发一种能自动控制开闭并具有一定智能程度的垃圾箱已成为当前迫切需要解决的问题之一。1概述1 1.1 1国内外发展现状国内外发展现状目前世界上许多国家和地区已经实现了废物的合理处置，一些太阳能设施得到了广泛的应用。例如，英国剑桥大学结合当地环境，开发了符合当地实际需要的垃圾箱控制系统。该设备内置了一个小型压缩机，垃圾被压缩到一定大小以释放更多的存储空间，并由太阳能电池阵列供电。此外，通过手机和相关设备，附近的环卫工人可以快速了解垃圾存放情况，以便及时清理。进入21世纪，人工智能技术得到了广泛应用，我国智能家居产业发展迅速。作为智能家居的细分市场，智能垃圾箱的市场规模也在不断扩大。政策方面，随着垃圾强制分类的实施，中国垃圾分类行业的快速发展带动了智能垃圾桶的市场需求。就专利数量而言，中国约有3000项与智能垃圾箱相关的专利，其中实用新型专利约占60%。自动包装分类技术可以提高垃圾分类和垃圾处理的效率，备受青睐。1 1.2 2项目开发目的项目开发目的其目的是开发一种智能垃圾箱，主要实现红外检测、自动开关以及声光提醒等多项功能，以避免其影响人们的日常生活环境，降低细菌传播疾病的风险，保障人们的身心健康，而且也方便提供给人们卫生、清洁的垃圾投放环境。2需求分析2 2.1 1技术可行性技术可行性本设计的控制芯片，可以选择以STC89C52型单片机为中心，利用红外传感器检测周围是否有垃圾抛掷行为。如果有，它会自动打开垃实践与经验 78熊国栋：单片机技术在智能垃圾箱中的应用第24期圾箱的盖子，然后在一段时间后自动关闭。本设计的主要框架包括：红外传感器，用于检测是否有人需要扔垃圾；垃圾箱装满后，打开声光报警器；驱动步进电机的电路设计。通过以上分析，基于单片机技术设计智能垃圾箱是可行的。2 2.2 2经济可行性经济可行性本设计经济压力小，设计成本低，市场上同类设施少。此外，如果这种设计被正式使用，它将在废物的储存和管理方面发挥积极作用。2 2.3 3社会可行性社会可行性该设计的实现有利于公共场所和家庭厨房、浴室垃圾的储存，对于社会来说，具有一定的积极意义。3硬件设计3 3.1 1系统框架系统框架本设计的硬件主要基于 STC89C52单片机，采用软硬件结合的方式实现盖子打开的效果，并添加声光报警器，提醒此时垃圾箱已满。主要通过红外检测电路、电机驱动电路和声光报警电路三部分来保证系统的正常运行。总体系统框图如图1所示。图 1总体设计框图3 3.2 2单片机最小系统单片机最小系统3 3.2 2.1 1STCSTC8989C C5252单片机简介单片机简介STC89C52单片机是近年来推出的新一代51核单片机，51 系列单片机均属于 8 位的 CPU，为确保相应的代码效率稳步提升，需要积极地关注变量长度的合理控制1。涵盖闪存程序存储器、脉宽调制、通用异步收发器、串行外围接口模块。由于采用了模块化设计，因此该型号的单片机在扩展性和便携性方面都有良好的性能，在各种工业控制领域都有广泛应用。其封装引脚图如图2所示。图 2STC89C52引脚图3 3.2 2.2 2主要特点主要特点（1）作为 8051单片微控制器的增强版，它有6或12个时钟机器周期，并与以前的8051型号的代码完全兼容。（2）工作电压为 5.53.3 V（5 V 微控制器）或3.82.0 V（3 V微控制器）。（3）工作频率在040 MHz，而普通8051微控制器的工作频率在080 MHz，实际工作频率甚至高达48 MHz。（4）存储程序的空间可以达到8 k字节，并且有4096位的操作存储空间。（5）具有32个公共导入和导出，P1P4复位后上拉较弱，可用作准双向口。漏极开路时可以通过P0端口输出，当没有上拉电阻时可以使用总线扩展，具有上拉电阻时可以输入和输出信号。（6）该芯片不需要专业的编程/模拟器。通过引脚 P3.0，P3.1可以在几秒钟内将程序下载到芯片上。（7）具有重复使用功能，并将提供监控能力。（8）有3个16位定时/计数器。79现代计算机2022年（9）PowerDown可通过下降沿或低电平外部中断唤醒。（10）通用异步串口、定时器软件可以实现完整的多个UART。3 3.2 2.3 3引脚功能引脚功能VCC（40针）：电源电压。VSS（20针）：接地。引脚 32至 39分别属于芯片的 P0端口，为P0.0至P0.7，这是一个具有漏极开路功能的8位双向 I/O 端口。当所有引脚驱动 8 个 TTL 负载时，它们可以用作输出端口。通过为端口P0输入“1”，端口 P0也可以用作高阻抗输入端口。P0端口具有低8位地址和8位多路复用总线，可以在访问外部程序和数据存储时提供服务。由于该接口具有良好的通用性，被广泛应用于各种设备，如计算机、打印机等。当需要从外围设备或存储过程读取或写入信息时，只需从端口将其插入即可。此时，内部上拉电阻将启动电源。使用闪存编程时，此端口起到接收指令信号的功能。在验证程序是否有问题时，需要使用外部上拉电阻来验证指令信号输出。引脚 1 至 8 属于端口 P1，对应于 P1.0 至P1.7。该端口是一个具有上拉电阻的8位双向输入/输出端口。通过输出缓冲器的输入和输出电流可以实现4个TTL输入。端口的“1”输入通过内部阻力增加，然后可以用作输入端口。当用作输出端口时，外部下拉区域将由于内部下拉而输出电流信号。P1端口还具有一些附加功能，比如计时器。引脚 21 至 28 统称为 P2 端口，对应于 P2.0至P2.7。它们用作8位双向输入/输出端口，具有内部阻力以传输数据，必要时可用作更高的8位地址总线。P3端口作为标准传输接口，每个引脚也有其独特的功能，详见表1。RST（9引脚）：复位输入。表示允许的地址锁存信号输出（ALE）的引脚为30，当访问其他外部ROM时，可以锁存较低的输出脉冲。引脚 31 的 VPP 是控制外部 ROM 访问的引脚。引脚18和19（XTAL1和2）分别用于连接到外部时钟电路的输入和输出端口。表 1P3引脚功能表P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串口的数据接收端口）TXD（串口的数据发送端口）INT0（下降沿、低电平中断的外部中断0）INT1（下降沿、低电平中断的外部中断1）T0（定时/计数器0的外部导入接口）、T1（定时/计数器1的外部导入接口）WR（外部的COM的导入接口）RD（外部的COM读取接口）3 3.3 3复位电路复位电路为了在内部执行复位指令，单片机需要在RST引脚上输入高电平信号并保持两个机器周期。一般情况下，电路中的复位电路会在通电时自动复位并手动复位按钮。在复位电路中，所谓的上电自动复位通常通过对外部电容器进行充电和放电来实现。一般来说，将电路电压上升时间设置在一毫秒内可以达到自动上电复位的效果。在某些情况下，通电复位的效果往往很差，因此需要选择按钮手动复位。本系统的设计是使用手动复位按钮。按键手动复位有两种方式，一种是电平复位，另一种是脉冲复位。电平复位可通过RST和电源连接实现。按下按钮手动复位电路如图 3 所示。时钟频率调整为 12 M，电容器选择为10 uF，电阻为10 K。图 3复位电路图 80熊国栋：单片机技术在智能垃圾箱中的应用第24期3 3.4 4时钟电路时钟电路本设计所用的单片机可以由内部时钟信号产生，也可以由外部来实现。内部时钟电路图见图4。在石英晶体与XTAL1和2连接后，可以形成自激振荡器以产生内部时钟脉冲信号，此时形成振荡电路。在电路中，图4所示的两个电容器C2和C3启动稳定频率并快速启动振动。电容值可从 5300 pF 中选择，典型值为 30 pF。晶体振荡的范围通常为1.212 MHz，典型值设置为12 MHz。本设计中的时钟电路采用晶体振荡器电路，具体电路图如图4所示。图 4晶体振荡器电路图3 3.5 5步进电机驱动模块步进电机驱动模块3 3.5 5.1 1步进电机简介步进电机简介步进电机是一种通过脉冲信号产生角位移的机械式电机。电机的每个旋转角度表示接收到一个脉冲信号。步进电机是按照稳定的角度一点点地旋转，为了达到精确的定位效果，可以利用输入脉冲信号的个数来控制；同时，可以通过改变输入脉冲信号的频率来操纵电机的速度和加速度，从而达到调速的效果。本设计使用的步进电机为28BYJ-48型四相八拍混合式步进电机，工作电压为直流电源电压，512 V 之间。当步进电机需要保持旋转时，可以将脉冲信号连续输入。转子旋转幅度是一个固定值，因为每个脉冲信号只改变步进电机的功率状态一次。当转子通过变桨时，表明通电状态已完成一个循环。四相电机的公共功率模式包括单相绕组四拍（A-B-C-D-A-），两相绕组四拍（AB-BC-CD-DA-AB-）和八拍（A-AB-B-BC-C-CD-DA-A-）。驱动模式如表2所示。橙色、黄色、粉色和蓝色分别对应A、B、C和D相。表 2步进电机驱动方式连线序号54321导线颜色红橙黄粉蓝对应接线VccDCBA分配顺序1+2+3+4+5+6+7+8+5伏电源连接到红色线，单片机P1.3端口连接到橙色线，P1.2端口连接到黄色线，粉色线连接到P1.1端口，蓝色线连接到P1.0端口。3 3.5 5.2 2ULNULN20032003芯片芯片STC89C52单片机端口输出信号小，无法支持电机操作，此时可以使用ULN2003芯片将信号放大后再传输到相应的电机接口。ULN2003芯片是一种高压大电流集成电路，包含7对达林顿管，通过高压输出和钳位二极管实现电感负载的转换。芯片与 MCU的接口电路相对简单：1针连接到 MCU 的 P2.3 端口，2 针连接到单片机的P2.2端口，3针连接到MCU的P2.1端口，4针连接到MCU的P2.0端口，可用于单片机与电机驱动器之间的数据传输。ULN2003芯片特点：（1）输出的额定集电极电流可达到500 mA。（2）高压输出：50 V。（3）与多种逻辑类型兼容的输入。（4）可作为步进电机驱动器使用。图5是系统的驱动电路，它控制着作为整个系统核心的各个模块的工作。图 5步进电机驱动电路 81现代计算机2022年3 3.6 6红外传感器模块红外传感器模块设计中使用的红外传感器具有同时发射和接收红外线的功能，对环境光具有良好的适应性。通过发射管发射一定频率的红外线，与障碍物接触后，传感器的接收管反射并接收到红外线。在下一步中，经过比较器电路的进一步处理后，绿色指示灯将点亮，同时，传感器的信号输出端口将输出低电平数字信号。它具有安装速度快、干扰因素少、应用范围广的特点。人体表面温度通常稳定在一个固定值，因此人体产生的红外光的波长是恒定的。身体释放的红外线被传感器探头吸收，然后菲涅耳透镜将其聚集在热释电元件上，打破电荷平