智能垃圾桶系统的设计毕业设计

1、业设计题 目智能垃圾桶系统的设计姓 名许志兴系 部理工系年级专业2011 级 电 子 信 息 工 程指导教师徐 丽 莎年月 日摘要本文设计了一种基于STC89C52R的多功能垃圾箱控制系统。C该系统主要由超声波测距电路、光电感应模块、电机驱动模块和语音报警模块等功能模块组成，以超声波传感器、RPR220光电传感器和单片机为核心，通过传感器采集距离信息，再经过AD转换让单片机发出指令，如果超声波传感器检测到人与垃圾箱的距离小于设定距离，则垃圾箱自动翻盖，如果RPR220光电检测到垃圾箱已满，系统就会进行语音提示。本系统具有结构简单、性能稳定、操作方便、低成本、智能化等优点，为进一步隔离人与垃圾，

2、防 止人感染细菌找到了一个可行的解决方法。关键词 : 单片机，超声波传感器，RPR220光电传感器，垃圾箱Title A Multifunctional Bin Control SystemAbstract:This paper designs a multifunctional bin control system based on STC89C52RC. The cores of this system are ultrasonic sensor, RPR220 photoelectric sensor and single chip microcomputer (SCM). It con

3、sists of power circuit, sensor circuit, clock circuit and voice alarm module, etc. Using the sensor to collect distance information, then the information is to be conversed by AD, causes the SCM issues an instruction. If the ultrasonic sensor detects that the distance between people and dustbin is s

4、maller than set distance, dustbin lid would open automatically. If RPR220 photoelectric detects that dustbin is chock-full, the system would issue a voice message. This system , low cost and intelligentization. And would realize automatic flip of dustbin, voice prompt of dustbin being chock-full and

5、 regular spraying disinfectant. Thus it is a feasible method to completely isolate people and rubbish, and prevent people from infecting with the bacteria on garbage.Key terms: single chip microcomputer, Ultrasonic sensors, RPR220 photoelectric sensors, dustbin目录1 引言 31.1 选题的依据及意义 31.2 我国垃圾处理现状 41.3

6、 垃圾处理建议 52 系统整体实现 62.1 系统整体实现 62.2 单片机最小系统 72.2.1 STC89C52RC 单片机简介 72.2.2 复位电路 82.2.3 晶振电路 92.3 光电感应模块 102.4 电机驱动模块 102.5 超声波测距模块 122.6 语音模块 122.7 电源模块 133 系统软件实现 133.1 系统程序总体流程图 133.2 超声波测距模块的程序设计 143.3 控制电机正反转的程序设计 错 误！未定义书签。结论 16致谢 16参 考 文 献 171 引言社区即是公共场所，又不同于一般的公共场所，它是人们饮食起居的一个大的家庭。一般的公共场所，垃圾桶所

7、收容的垃圾多半为饮料瓶和一些纸类等固体物品，比较容易分类和回收。但在有的小区中，社区垃圾桶设计显然没有考虑到地域性的特点，在社区内安放的是一般公共场所所用的垃圾桶。由于生活垃圾种类的多样性，以及如何分类，除臭除蚊蝇等问题的欠缺，就容易产生诸多的问题。秉承以人为本的理念，方便人们的生活，同时又要环保节能，需要设计新型垃圾箱。1.1 选题的依据及意义目前，随着我国人口的不断增长和人民生活水平的提高，城市生活垃圾每年以5%10%的速度增长，这对城市的发展和人们的生活环境造成了很大的影响1。据报道，我国历年垃圾的堆积量达60 多亿吨，占用的土地面积超过5 亿平方米2，仅城市垃圾的年产量约 1. 5 亿

8、吨，近200座城市无适合场所堆放垃圾。虽然垃圾卫生填埋、垃圾发电、垃圾制沼气等技术为垃圾处理开辟了新途径，但在垃圾无害化处理之前，首要解决的问题是垃圾的分类收集和回收再利用，以及初步的杀菌消毒3。目前作为存放垃圾的垃圾桶往往留出专门的投物口，这样很容易污染周边环境。此外，工作人员往往需要逐个检查并清理垃圾桶，以防止垃圾溢出。此管理模式效率很低。目前，垃圾桶样式和结构单一化，不能较好地发挥分类回收，蚊蝇滋生、污水四溢、异味难耐等弊端暴露无异，因此设计集多种功能于一身的环保垃桶具有重要意义。垃圾桶是城市不可分割的一部分, 是城市形象的一个重要组成部分, 设想如果一个城市中的垃圾桶设计不好, 直接影

9、响到一个城市的形象，垃圾桶的作用是回收垃圾, 清洁环境。与周围环境不协调、外观设计粗俗、简陋的垃圾桶, 本身就是一个视觉垃圾。垃圾桶虽小, 却能折射出一个城市对细节的重视程度。比较而言, 很多发达国家垃圾桶的设计 , 多采用流线型的外观, 设计新颖, 功能合理, 并注重与周围环境的融合, 对一个城市形象的提升颇有益处。而在国内, 垃圾桶内的垃圾多数成为拾荒者的目标, 拾荒者捡走可以卖钱的垃圾后, 随之也使垃圾桶周围一片狼藉。有些垃圾桶设计与城市形象、周围环境割裂, 垃圾桶成为城市建设中不和的音符, 垃圾桶外观设计效果差完全是丑陋的工业产品, 缺乏艺术气息, 缺乏视觉美感, 垃圾桶旁边成为了城市

10、中最需要清理的卫生死角 , 城市环境的整体提高受到阻碍, 影响了城市的整体形象。垃圾桶应该与周围环境融为一体, 不应当是简单、机械地摆放到每个角落, 至少在视觉上应该让人感觉是舒服的 , 在心理上是愉悦的。垃圾桶外观设计应有一定的艺术欣赏性，同时要与周围环境相协调，在垃圾桶的表面设计宣传保护环境卫生的标语和口号，倡导人们爱护环境、保护环境，同时可以充分利用垃圾桶外壳的广告功能，设计一些广告宣传画等3。通过查资料, 我们获悉，全国约60%以上的城市陷入垃圾围城的困境。仅 “城市垃圾”的年产量就近1.5 亿吨，这些垃圾绝大部分都处于露天堆放的状况。它不仅影响城市景观，同时也污染大气、水和土壤，对人

11、民健康构成严重威胁。实际上，如果你手上拿着香蕉皮想扔，但一想到脏兮兮的垃圾桶，还要用手打开桶盖，实在是不想靠近的。那么怎么解决这一问题，让垃圾桶变得更具亲和力，就是首先要考虑的问题之一。对于解决垃圾桶这个问题的设计，可以从分类上加以研究。其实，垃圾桶的设计很大程度上是向着垃圾分类化发展的。当今世界，控制人口，节约资源，保护环境，实现经济、社会与人口、资源、环境协调发展，已成共识。像我们这样一个人口众多、能源资源匮乏的国家来说，垃圾真是太宝贵了。垃圾回收再利用可以消灭污染，保护市民健康，创造财富，节约一大批人的就业问题等等。所以说，垃圾是放错了地方的财富。1.2 我国垃圾处理现状目前，我国城市生

12、活垃圾最主要的处理方式仍然是采用集中堆放填埋，约占全国垃圾处理量的70%以上；其次是高温堆肥，这是我国早期采用的方法，如今约占20%以上；我国垃圾焚烧处理方式史于80 年代中期，采用焚烧法处理城市生活垃圾的数量还很少。近年来，我国进行了大量的城市生活垃圾处理研究，并陆续兴建了一批大、中型的城市垃圾处理设施，城市垃圾处理率得到迅速的提高，在一些垃圾热值较高的地区，已经开始采用垃圾余热发电4。但是，由于资金原因，国内仍然有许多城市采用集中堆放或简易填埋方式处置城市垃圾。并且在填埋时，由于没有很好的压实机械，这些填埋场未达使用年限就填满封场。沿海的许多城市垃圾填埋很难找到合适的场地。另有许多城市因为

13、缺乏资金，无法按标准要求建造填埋场或焚烧设施。有些城市或地区，虽然一次性的建设投资解决了，但长期运行的费用也难以维持，因而也很难达到无害化处理的目标。可堆腐的有机垃圾是我国城市垃圾中的主要成分之一。将垃圾中的可堆腐有机物进行堆肥处理是提高垃圾再生利用水平的主要途径。通过垃圾的堆肥处理，可显著提高垃圾资源化水平。促使垃圾堆肥处理发展的重要因素是实行垃圾分类收集。例如，厨余垃圾、园林修剪物、果品蔬菜加工残渣、养殖场、屠宰场废弃物等，单独分类收集后用于堆肥，既简化堆肥工艺，降低堆肥成本，又可提高堆肥质量，为打开堆肥市场开创有利条件。在焚烧方面，我国发展较慢，目前只有少数经济水平较高的城市引进国外设备

14、或部分引进国外设备建设了一些垃圾焚烧厂，并开发了一些小型焚烧炉，但同国外引进的大型炉排炉相比，技术上仍有差距。我国城市垃圾回收仍然以混合回收为主，采用定点垃圾箱回收，然后集中运至中转站，最后转运至处理厂。可回收的物资和有毒物质混合一起，加大了回收的难度。造成垃圾具有有机物含量高、水分高、热值低和成分复杂。我国垃圾连年产量增加其实是未能从源头上处理好垃圾的减量化，近年来，商品的包装越来越趋于种类多样化和数量剧增。包装物约占城市垃圾的30%， 垃圾中的废纸、废塑料，很大一部分来源于包装。一次性的筷子，一次性水杯，一次性拖鞋更多的消耗了资源，增加了垃圾的产量。1.3 垃圾处理建议实行分类收集，加强废

15、品回收。动员居民在垃圾的源头进行垃圾分类，提高居民环保意识的同时，还保护了环境，降低了回收的成本。建立一个健全的分类回收系统和运输系统，做好回收和利用相结合。针对我国国情，研究适合我国发展的垃圾处理方式。我国垃圾中含水高，热值低，生活垃圾多的特点，设计更加清洁的生产，减少有毒物质的产生。提高我国焚烧技术水平。借鉴国外技术的同时实现中小焚烧设备的国产化。针对不同的地区，因地制宜对垃圾进行处理。具备卫生填埋条件的地区，以填埋为主。缺乏卫生填埋，但垃圾热值高，主要以焚烧为主，余热用于发电供暖等。在条件适宜的地区，可以采用堆肥处理，产生沼气和高温堆肥5。加强居民的环保意识。目前我国居民的环保意识大大提

16、高，但是不可避免的，还有一些环保意识比较差。环卫部门的信息证实：分类回收上来的垃圾仍然需要重新分拣。居民的垃圾分类意识薄弱，是推进我国卫生事业的主要障碍。据调查，垃圾箱虽贴有“可回收”、“不可回收”和“有毒物质”字样，但是人们仍然视而不见，胡乱扔进去再说。一位青年女子坦言：“垃圾都是一扔了之，没想到还要分类。”一位错扔垃圾的先生说：“分类标志看是看到了，但扔的时候没去多想。因为平时在家垃圾都是混在一块儿扔，早就习惯了！”一位中年妇女说，她所理解的垃圾分类，就是把能够卖钱的废品挑出来，比如废旧报纸、杂志、易拉罐等。不知道为何要分类，哪些垃圾可回收，哪些不可回收。因此，提高居民的环保意识显得尤为重

17、要。2 系统整体实现2.1 系统整体实现此多功能垃圾箱控制系统所要实现的功能包括：垃圾箱的自动翻盖、箱满自动报警、 定时喷洒等。实现以上这些功能可以使用户方便投放垃圾，将两者初步隔离，且防止垃圾箱内细菌滋生。设计使用STC89C52R单片机为核心元件。 C系统整体框图2.2 单片机最小系统2.2.1 STC89C52RC单片机简介如图 2 为 STC89C51单片机的管脚图。图 2 STC89C52RC管脚图本设计采用的是STC89C52RC单片机10 ，其功能特性概述：4K 字节 Flash 闪速存储器，128字节内部RAM， 32个可编程IO 口线；， 2 个 16位定时器计数器，1 个

18、5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器以及时钟电路。中央处理器CPU会在空闲模式的状态下停止工作，但是在此种状态下又同时允许随机存储器RAM、 串行通信口、定时计数器和中断系统继续工作。在掉电模式下会保存随机存储器RAM里面的内容，但是振荡器停止工作，而且同时禁止其他的所有部件工作，直至下一个硬件复位。STC89C52R引脚功能简介：CP0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地图 1 址。因为是分时输出，所以应该在外部加锁存器将这个地址数据锁存，地址锁存, 信号用ALE。P1 口是专门供用户使用的IO 口

19、 , 是准双向口。P2 口是从系统扩展时作高8 位地址线用。不扩展外部存储器时,P2 口也可以作为用户 IO 口线使用 ,P2 口也是准双向口。P3口是双功能口, 该口的每一位均可独立地定义为第一IO 功能或第二IO 功能。 作为第一功能使用时操作同P1 口。P3口作为一些特殊功能口，如下表1 所示。表 1 P3 口替代功能引脚替代功能说明P3.0RXD串行数据输入P3.1TXD串行数据输出P3.2INT0外部中断0 输入P3.3INT1外部中断1 输入P3.4T0定时器0 外部计数输入P3.5T1定时器1 外部计数输入P3.6WR外部RAM写选通输出P3.7RD外部RAM读选通输出2.2.2

20、 复位电路为了不影响系统运行后的正常工作，在单片机开始启动时，都需要重新复位，使得CPU以及系统各部分处于初始状态，并且从初态开始工作。常见的复位方式有2 种： 手动复位和上电复位。由于本次设计的系统是位于垃圾箱内部，考虑到实际使用过程中，在 垃圾箱外安装手动复位按钮容易被来往人流按到造成不便，所以使用了上电复位的方式。复位电路图如图3 所示。图 3 复位电路图如上图所示，上电复位的电路便是在单片机的复位输入引脚RST上接一个电容到电源 Vcc 端，而后下接一个电阻到地，这样组成的。上电复位电路的工作原理：复位电路通过电容加给RST端一个短暂信号，由于上电的瞬间电容充电电流最大，所以电容就相当

21、于短路，即RST断获得一高电平信号。这个高电平信号是跟着Vcc 对电容的充电过程而逐渐回落，所以RST端的高电平持续时间的长短取决于电容的充电时间。电容两端的电压一旦达到与电源Vcc 相同的电压值时，给电容充电的电流就会减少至零，即停止给电容充电，电容就相当于开路，RST端就为低电平，程序就能够正常运行。2.2.3 晶振电路晶振电路是用来给系统提供基本的时钟信号。为了使得系统各部分能够保持同步，一般来说一个系统共用一个晶振。本次设计的系统采用的是仅用一个晶振来实现同步的。晶振电路如图4 所示。图 4 晶振电路如上图所示，本次设计的晶振电路由2 个 20uF的负载电容和1 个为12MH晶振构成，

22、两端分别连接单片机的XTAL1端口和XTAL2端口。晶振是晶振电路组成的重要部分，其作用是为系统提供基准的频率。晶振的频率高低直接影响着单片机运行的速度，一般情况下，晶振频率越高，单片机的运行速度就可 以越快。图 4中 C2和 C3成为负载电容，由于晶振产生的应该是完整的正弦波，如果2 个负载电容不等，那么它们两端的电压会不同，使得产生的正弦波肯定是不完全对称的。因此要保证C2与 C3的大小相同，特性相同，一般会采用20pF至 30pF的电容，本设计所用的电容是20pF。选择晶振的范围通常在1.2MHz-12MHz之内。在STC89C52R单片机实际正常的运作情况下，运用电路分析、C模电等理论

23、计算出来12MHz的晶振最合适，所以本系统采用的是12MHZ的晶振。在最后硬件焊接的过程中，会安排元器件的分布，一般情况下，为了减少寄生电容、稳定振荡，会将晶振电路和单片机靠近安装。2.3 光电感应模块光电感应模块是通过光电传感器在有效范围内检测有无物体，然后将信息传给单片5 所示。图 5 光电感应模块电路此传感器模块中使用了2 个互相并联的RPR220传感器电路11。 RPR220的 4 脚接入LM393的正输入端，LM393的负输入端接入一个滑动变阻器，这个滑动变阻器就决定了负实际上，+5V电压、R4和 U4组成了一个三极管的最小应用系统。当 RPR220U4电压约等于0， 即 LM393

24、的正输入端的电压为0。 所以LM393的负LM393的输出端会输出低电平，这样单片机就可以执行程序。当没有检测到光线射入，LM393的正输入端电压大于负输入端时，输出端输出高电RPR220是一种一体化反射光电探测器。因为RPR220的塑料透镜使得这类传感器具有最后RPR220光电传感器的体积小且结构紧凑，适合放在垃圾箱外2.4 电机驱动模块步进电机 12是将电脉冲信号转变为角位移或者是线位移的开环控制元件。在步进电线性关系，并且具有瞬间启动和急速停止的优越特性，所以只需改变脉冲的顺序，就可以很方便的改变转动的方向在速度控制领域使用广泛。只有使用脉冲信号作为驱动信号，才能使步进电机正常运作。无脉

25、冲信号的时候，6 所示。图 6 电机驱动电路图本次设计采用的电机驱动是ULN200313芯片，它由一个单片高电压、高电流的达林顿ULN2003 工作电压高，可以在高负载电流并行运行，还能够在关50V 的电压，另外其工作电流大，灌电流可达500mA。ULN2003芯片与单片机之间的接口电路比较简单，只需将ULN2003芯片的4、 5、 6、7 引脚分别与单片机的P2.3、 P2.2、 P2.1 、 P2.0 口连接，用于单片机与电机驱动之间的10、 11、 12、 13 引脚分别与步进电机的1、 2、 3、 4 借口连接，用于控制步进9 引脚与步进电机的5 引脚连接，一同接入电源输入端，8 引脚

26、接地线。ULN2003的输入端驱动端口为P2.0(A) ， P2.1(B) ， P2.2(C) ， P2.3(D) 。控制步进电AB组BC组CD组DA组；反转次序：AB组AD组CD组CB组，一5.625 度。 当单片机P2.0 口和 P2.1 口给芯片高电平，P2.2 口和 P2.3 口给低AB组转动；当P2.1 口和 P2.3 口给高电平，P2.0 口和 P2.3 口给低电平，BC组PMW的转速度就越快，高PMW的转速度越慢。2.5 超声波测距模块超声波测距14,15 环境要求不高，由于穿透力强能够在雨雾天正常工作。所以本次设计的超声波电路中就使用了HC-SR04超声波测距模块。这个模块有4

27、个引脚， 1 和 4引脚分别接5V电源和接地，2 脚是触发信号的输入端，3 脚是回响信号的输出端2 脚和 3 脚分别接在单片机的P3.4 口和 P3.5 口。 超声波测距模块的工作原理是：采用单片机的IO口触发测距，即当单片机发送一个10us 的高电平脉冲给超声波模块的输入端TRIG后，单片机内部定时器清零。当超声波传感器的输出端ECHO为高电平时，单片机内部定时器开始工作；当输出端ECHO变为低电平时，定时器停止工作，读取定时器T0 的时间，通过公式算出距离。超声波测距模块电路图如图7 所示。7 超声波测距模块电路图2.6 语音模块语音模块采用WT588D16语音模块。因为WT588D的 I

28、O端口较多，并且带控制功能和外置FLASH存储器，所以能做FLASH单片机，另外还能当作普通的语音芯片作为从片发声。更为重要的是还能够按照样品直接投掩膜，管脚完全不用做改动，且便宜一半的价格。WT588D语音芯片是一款功能强大的可重复擦除烧写的语音单片机芯片。软件操作方式简单易掌握，融合了语音组合技术，大大缩短了语音编辑的时间。一线串口控制模式可通过发码端控制语音播放、停止、循环播放和音量大小，或者直接触发0 219 地址位的任意语音，发码速度600us 2000us； 通过发码能够切换三线串口控制模式和三线串口控制 IO 口扩展输出模式，三线串口控制模式下，能控制语音播放、停止、循环播放和音

29、量，或者直接触发0 219 地址位的任意语音，三线串口控制IO 口扩展输出可以扩展输 出 8 位，在两种模式下切换，能让上一个模式的最后一种状态保持着进入下一个模式。语音模块电路图如图8 所示。8 语音模块电路图2.7 电源模块稳压电路的作用是保证电路正常工作。低于稳定电压电路不能正常工作，高于稳定电压可能损坏电路或者电路起保护。稳压电路如图9 所示。图 9 稳压电路电源模块主要用了稳压芯片L7805CV17， 1 脚和 3 脚分别是输入端和输出端，2脚接外接电源接通后9V电压从 1 脚进入， 经过稳压后从3脚输出5V电压。L7805CV还特L7805CV是一种固定电压(5V) 三端集成稳压器

30、。无需外接元件；内部热过载保护；输出电100mA；内部短路电流限制就是L7805CV的四大特点。3 系统软件实现3.1 系统程序总体流程图通电后， 系统程序首先会将各个模块进行初始化。为了使得超声波模块能够正常地测200ms的延时。延时结束后，的同时超声波测量模块和光电感应模块也开始工作，如果超声波测量模块检测到人与垃圾箱的距离小于所设距离80cm， 那么步进电机正转，并伴有语音播报 “垃圾放置请分类”，延时 3s 后电机反转。如果光电感应模块感应到物体就会语音播报“1 号垃圾箱已满”或者“ 2 号垃圾箱已满”。系统程序总体流程图如图 10 所示。开始等待外部设备上电稳定各个功能模块初始化10

31、 系统程序总体流程图3.2 超声波测距模块的程序设计超声波测距模块除了能感应有无物体靠近，还能够在一定范围内还能测出靠近物体和自身的距离。当单片机发送一个10us 的高电平脉冲给超声波模块的输入端TRIG后，单片机内部定时器清零。当超声波传感器的输出端ECHO为高电平时，单片机内部定时器开始工作；当输入端ECHO变为低电平时，定时器停止工作，读取定时器T0 的时间，通11 所示。过公式算出距离。超声波测距子程序流程图如图开定时器返回11 超声波测距子程序流程图本系统超声波测距子程序如下：void send_wave() c_send = 1;delay();c_send = 0;TH0 = 0

32、;TL0 = 0;TR0 = 0;flag_i;delay_uint(700);10us的高电平触发给定时器0 清零关定时器0 定时改变这个参数可以调整电机转速结论经过努力查阅大量单片机、电机控制、太阳能利用、红外传感器、超声波、激光应 用、无线通信等方面资料和参考文献。通过多次实验实践，将智能垃圾箱各个模块调试完善，分析传统垃圾箱和现有智能垃圾箱的发展，结合当今科技跨越式发展，微型计算机技术、各种传感技术在日常生活生产中的广泛应用，为了迎合社会全面智能化，信息化趋势，学习、研究出了可移动智能垃圾箱。通过将各种传感器、显示器和语音等功能应用在垃圾箱上，并让垃圾箱拥有了可移动性，打破了人们对传统

33、垃圾箱的理解，使人们在生活中随处可见的垃圾箱变得更加人性化。将太阳能电池板装在垃圾箱上并用太阳能跟随器，可以及时检测到太阳光照最强的方向，让太阳能利用率达到最高。创新的将吸尘器功能与垃圾箱相结合，节省了大量的人力、物力资源。另一方面，垃圾箱上的显示和语音提示可以增添人们对垃圾箱和扔垃圾的兴趣，提高人民对环境保护意识，增强生态危机感，为人类高效、可持续稳定发展做出一定贡献。致谢本篇论文得以完成, 首先要感谢徐丽莎老师的细心指导。徐老师开阔的视野，为我提供了极大的发挥空间，在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了徐老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生! 由于时间仓促、自身等原因，文章错误疏漏之处在所难免，恳请各位老师斧正。参考文献1 侍倩， 柳丽霞 . 生活垃圾卫生填埋场产气规律及污染J. 环境科学