【《一种实现自动开盖功能的智能垃圾桶结构设计》9400字（论文）】

绪论课题研究的背景2019年底新冠肺炎疫情突然开始爆发，在较短时间的范围内疫情就已经蔓延到了全国各地。由于此次疫情爆发的十分突然，再加上人们对这种疫情的应对方式不正确，导致了许多人在不知不觉间感染了病毒。在疫情初期，医疗救护人员并没有较为有效的治疗手段去对付这种新型的冠状病毒，只能采取常规的手段去减轻病人的症状。疫情发生过后，经过有关专家的鉴定，此类病毒可以通过空气的飞沫、密切接触传播等途径感染正常人。在新闻里也有播放一些人员用手通过触摸被病毒附着上的电梯的按钮后，没有进行消毒处理就直接用手触摸口鼻等器官后感染了新冠病毒。还有就是人们外出把垃圾扔到垃圾桶时，由于接触到垃圾桶和垃圾的几率增大，如果此时恰好垃圾桶盖上附着的有一些残留的病毒时，这时就会增大感染病毒的风险。通过对以上内容的了解可知，如果人们用手触摸了某些不干净不卫生的东西就有可能会感染上未知的病毒，从而对自身的身体健康造成危害。而本设计所研究的智能垃圾桶就可以避免人们直接接触垃圾桶盖等脏乱的物品，从而大大减少了被感染病毒的风险。因此，本设计研究的智能垃圾桶不仅能够减少人们直接接触病毒的几率，而且使得传统垃圾桶也实现了智能化的改良，为未来智能化垃圾桶的发展做出了贡献。本设计的主要功能是通过采用热释电红外传感器来感应是否有人员前来扔垃圾，从而控制步进电机的旋转实现桶盖的开闭；通过超声波探测器模块发送和接收超声波的时间长短来模拟检测桶内的垃圾高度是否超高，从而把数据反馈给单片机，最后由单片机发送信号给SIM800L模块，最后由该模块发送短信给垃圾处理人员，从而完成整个垃圾处理的过程。研究现状国外研究据国外专家预测，在未来的几十年间垃圾的排放量将会持续的增加。而垃圾的堆放与处理的难题一直困扰着人类，甚至有的国家的个别城市因为十分糟糕的垃圾处理系统设计再加上城市清洁工的人员太少导致垃圾被所处堆放，甚至出现整个城市都仿佛淹没在垃圾之中的现象。因此，如何实施将垃圾进行有效的回收利用以及如何进行垃圾分类等措施需要世界人民共同努力。二十一世纪，智能垃圾桶的研究伴随着自动感应技术的发展也迎来了一个发展的时期。美国的企业研制了一款名为Transhbot的垃圾桶，它能够利用内置摄像头、金属探测器及马达、传感器等器件，可以实现自动进行分类处理的功能，解决了人们将垃圾投错垃圾桶的难题。但是对于目前的垃圾桶来说，它的功能还相对简单，不足以真正意义上取代现有的垃圾桶。况且此垃圾桶售价昂贵无法进行大面积推广。还有一种智能垃圾桶，由于在相同的垃圾桶体积下它能够装下比它大5倍的垃圾量，所以它被命名为“大胃王”。此垃圾桶融合了太阳能、物联网和高效压缩机等多项技术，可以说其智能化程度是比较高的的。它能够完成的主要功能是：当垃圾将要装满时，压缩机会将垃圾进行压缩处理，这样就会使得垃圾桶的盛放容量变大提高垃圾桶的利用效率。当垃圾装满时，通过物联网的联网功能，可以及时把垃圾桶的是否已经装满和垃圾桶的位置等信息发送给垃圾处理中心，以此来通知有关人员前来及时清理垃圾。另外，此垃圾桶是采用太阳能电池板，利用太阳能来储存能量发电，于是起到了环保与节约能源的作用。国内研究由于国内智能垃圾桶的发展与国外相比起步较晚，导致了我国智能垃圾桶的发展水平低于国际同期水平。我国的垃圾桶因受科技发展水平和国民素质等因素的影响所生产出来的垃圾桶，不仅制作粗糙而且结构简单。我国的智能垃圾桶的类型在大体上可以分为感应型和太阳能型垃圾桶。感应型垃圾桶主要体现在红外线测距技术或者是超声波感应。此类型的垃圾桶实现的功能是：通过感应器感应到是否有人员接近垃圾桶，当感应到有人时就自动打开桶盖，人员离开后就会自动关闭。这种智能垃圾桶既抑制了难闻的气味也减少了人员与垃圾桶盖接触的机会，也减少了对细菌和病毒接触的概率，因此大大减少了人们感染生病的风险，本设计就是属于此种类型的垃圾桶。太阳能型垃圾桶主要的电源是通过太阳光作为能源。比如我国汇众丰源品牌的太阳能垃圾桶。此类垃圾桶还有个特点是全封闭能够有效地阻止气味的传播。但它的不足之处是电源完全依靠太阳能发电，一旦遇到连续若干天的阴雨天气就会使得储存的电量消耗殆尽，所以它的商用价值不高，难以推广。综上所述，智能化垃圾桶的研究已经开展了近几十年，但是它的商业化的发展仍然存在一些比较难以解决的问题。例如：容量有限、分类不彻底、频发故障、造价昂贵难以推广等问题。因此，下一步将要解决的问题就是降低开发成本、制造成本、提高产品的合格率等。只有解决以上问题，智能垃圾桶的发展才能更上一层楼，距离真正大面积的应用上智能化的垃圾桶指日可待。本文研究内容本次设计的内容可以分为三个部分：第一部分是硬件电路系统设计。具体的硬件电路包括单片机最小系统设计、热释电红外检测电路设计、步进电机驱动电路设计、超声波检测垃圾高度电路设计、GSM模块电路和按键电路设计。第二部分是软件的系统设计。此部分设计所使用的的编程语言是C语言，利用了Keil软件开发系统把程序烧录到单片机中。此部分的系统设计主要通过程序流程图的方式来介绍主要程序编写的逻辑结构。第三部分是进行软件调试和结果分析。从软件调试的过程中，可以发现编程语言是否正确，有没有出现逻辑错误等。最后把生成的.hex文件烧录到实际的硬件电路中，看看是否符合预期结果。如果符合预期结果，说明整个设计是正确的，最终就可以达到设计要求。REF_Ref72446721\h总体设计总体设计总体方案设计总体方案设计包括硬件与软件设计。对于硬件方案设计，本文主要介绍了硬件模块的选择方法。软件方案设计主要是使用了C语言编程、Keil、AD软件。硬件方案设计单片机硬件电路的主控芯片的选择主要有两种。一种是DSP芯片，另外一种是单片机芯片。这两种芯片相比较，其中DSP芯片性能最好，在功能方面也比单片机更加的强大。但是如果使用DSP芯片做开发时需要学习固定的语法，这样就会增加设计的难度，而且更突出的缺点是它的售价相比于单片机来说比较昂贵，这样所设计的开发成本就会增加。如果选择单片机的话，上述问题就会很好的规避过去，并且单片机物美价廉，在一定的程度上节约了成本。综上所述：本设计采用的是STC89C52RC单片机。此芯片对本设计来说开发资料相对丰富，有较为成熟的经验可以借鉴。对于本设计的开发研究是十分有利的。红外检测模块常见的用于检测人体的传感器有红外对和热释电等传感器。其中红外对管传感器的特点是检测距离短、指向性强，只要能够发出红外波被反射回来就会产生输出信号。正是由于这些特点导致它无法有效区分人和动物，因此它不适合作为人体检测传感器；而热释电传感器则广泛应用在人体检测方面，例如制作报警器和监控等设备上。它的优点是检测更加灵敏，距离更远，它的额定工作电压为3.3V~20V。除此之外该模块有一个菲涅尔透镜，它的优点是可以把红外信号更有效折射到传感器上。综合以上两个传感器可以看出热释电传感器更加适合本设计的要求。电机及其驱动模块本设计需要控制垃圾桶盖的开启与关闭，而且最重要的是控制开启与关闭桶盖的角度要符合实际中的应用。所以电机的选择有两种方式，一个是直流电机一个是步进电机。对于直流电机来说，它的工作方式是控制通过电流的时间和电压的极性变化从而改变转轴的旋转角度的大小，显然这种方式对于本设计而言并不适合。而采用步进电机就可以避免直流电机的这些缺点。因为步进电机能够较为完美的控制输出轴旋转的角度和方向。驱动模块选择的是ULN2003。此驱动具有耐高压和电流的特点，利用这个特点就可以使得单片机控制步进电机进行正常的工作。超声波模块超声波模块采用的是HC-SR04元件。该元件具有十分可靠的性能、精确地测量距离长度、而且价格低廉体积小的特点。对于本设计来说，是非常符合设计要求的。GSM模块对于GSM模块的选择，首先要考虑的是模块的大小问题。如果选择的模块较大那么在以后的布局中难以和其它模块相聚集，为以后的成品设计带来麻烦。其次要按照对于本设计所需要用到的功能要求选择合适的器件，最后按照选择元器件的成本问题从中挑选合适的模块。按照这个选择方式，本设计最终选中了SIM800L这个元器件来作为GSM模块使用。SIM800L模块的优点是它与单片机的通信方式较为简单，只要串联一个二极管就可以正常工作。软件方案设计软件方案是本设计主要利用三种软件来进行设计研究。其中利用AD软件画出电路原理图，利用C语言编写设计程序，利用Keil软件来把程序烧录到单片机中。最后通过软件的不断调试才制作出本设计的智能垃圾桶。本章小结本章内容阐述了总体设计方案。该方案总共分为三部分进行论述，其中占据主要部分的为硬件电路设计。本章主要通过对于硬件电路各个模块元器件的选择方法以及每个电路模块功能的简单介绍使得读者对本设计论文内容有一个整体性认识。REF_Ref72446740\h硬件系统设计硬件系统设计单片机最小系统设计单片机最小系统是指：单片机能够正常发挥作用所需要用到的最小元件组成的系统。一般包括:单片机、晶振电路、复位电路。具体如图3.1所示：图3.1STC89C52最小系统设计复位电路设计（1）复位电路的用途：当系统受到干扰溢出时，就会执行复位操作。复位电路如图3.2所示。（2）如果进行复位操作只需要在RST处接个高电平持续一段时间就可以实现。图3.2复位电路设计时钟电路设计此时钟电路采用的是内部时钟方式。振荡频率选择的是11.0592MHZ。具体设计如图3.3所示：图3.3时钟电路设计人体红外检测电路设计人体红外采集电路设计在红外感应器中有两个主要的元器件。一个是热释电红外传感器(PIR)，一个是菲涅尔透镜。实物图请见下图3.4所示：图3.4菲涅尔透镜与HC-SR501实物图本设计采用的热释电红外传感器(PIR)为HC-SR501PIR传感器。它具有功耗低、成本低、坚固耐用、灵敏度高、可靠性强等特点。广泛应用于各类自动感应电器设备。HC--SR501人体感应模块功能介绍（1）全自动感应:当人进入其感应范围时就会输出高电平，否则输出低电平。（2）光敏控制：当时间为白天或光照强度高时没有感应。（3）温度补偿（4）两种触发方式：不可重复和可重复触发两种方式选择。（5）具有感应封锁时间：（6）工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。（7）功耗低。（8）输出信号为高电平。HC--SR501人体感应模块使用说明（1）感应模块通电后会有一定的初始化时间。（2）应尽量避免干扰源直射透镜，防止引进干扰信号。（3）感应模块采用双元探头。（4）感应范围如下图所示：图3.5感应范围菲涅尔透镜介绍菲涅尔透镜，有两种制作方法：一种为聚烯烃材料注压成的薄片，这种制作而成的透镜被广泛采用。另外一种为玻璃制作的，其用途比较狭窄，一般情况下不会考虑使用。工作原理：从透镜的剖面看，它的表面是由锯齿型凹槽组成，它的中心部分是椭圆形弧线。虽然它们相邻的凹槽的倾斜角度不同，但是它们能将接收到的光线聚集在一个位置，从而形成一个焦点。人体检测原理人的身体都有恒定的温度，通常为37度左右，因此人体会发出特定的红外线。此红外线通过菲涅尔透镜聚集在PIR上。当PIR接收到人体发射出来的红外线时，就会出现失去电荷平衡的现象。这时热释电元件对外释放能量，方便后续电路经过处理后产生报警信号。步进电机驱动电路设计步进电机介绍步进电机工作原理是将直流变换为交流达到控制的目的。用这种方法给电机输入信号，这样电机就会正常运行。现在比较常用的步进电机有反应式、永磁式、混合式三种。本设计采用的是永磁式步进电机其型号为28BYJ48。由于它步距角大、动态转矩特性好而且价格低廉等特点，完全满足负责作为智能垃圾桶的桶盖开启与闭合的功能的要求。28BYJ48介绍本设计使用的步进电机是四相永磁式电机，内部有6个齿轮可以记作0-5，每个齿轮上都有磁性。实物图如图3.6所示。此电机有5根线，一般情况下，红色线为公共端，此电机接5V电源供电。另外的四种颜色为橙、黄、粉、蓝。这四种颜色对应的线就是A、B、C、D。电机转动原理：当ULN2003接收到脉冲信号时，就会驱动电机转动一定的角度。因此可以通过控制脉冲的个数来决定电机转动的角度大小。图3.628BYJ48步进电机实物图超声波检测电路设计此电路设计采用的是HC-SR04器件。因为此器件需要测量垃圾表面与垃圾桶盖之间的距离是否超过所设定的距离长度，以此距离的长度来判断桶内垃圾是否已经装满。所以此器件在实际应用中需要安装在垃圾桶盖的位置。具体电路如图3.7所示：图3.7超声波检测电路设计模块HC-SR04基本工作原理:（1）采用I0口Trig触发测距。（2）发送8个40khz的方波，检测是否有信号返回。（3）当有信号返回，通过I0口Echo输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。实物图如图3.8图3.8超声波探测模块电气参数通过对HC-SR04超声波模块电气参数的了解可以清晰的看出该模块的功能特性，方便后续的硬件电路设计，比如在硬件电路板上要确保它的供电电压大小、电流大小合适、工作频率等处在适合的参数，防止因电流过大导致电路板损坏。而此模块的工作电压为5V、电流为15mA、频率为40KHz。超声波时序图图3.9超声波时序图GSM短信模块电路设计GSM模块发送短信使用的是SIM800L元件。该元件需要并联一个二极管才能使用5V的电压进行供电，因为其元件的瞬时电流很大,如果单独对该元件直接供电则会直接导致元件工作不稳定无法正常运行。具体的电路连线如图3.10所示：图3.10SIM800L短信模块接线图SIM800L功能特性SIM800L的功能比较丰富，它可以完成普通手机的一些基本功能，比如：发送短信、拨打或接听电话、通过GPRS，TCP/IP等连接到互联网等功能。具体特性如表3.1所示：表3.1SIM800L功能特性说明功能特性说明支持四频GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS1900。支持网络2G网络。支持广播FM广播。数据类型发送和接收GPRS数据。发射功率GSM850的4类（2W）DCS1800的1类（1W）。信息类型短信和语音电话等。通讯录管理支持类型SM、FD、LD、RC、ON、MC。SIM800L的工作模式SIM800L的工作模式总体上可分为三种工作模式：正常工作、关机模式和最小功能模式。在正常工作模式中，该模块可以正常接收和发送信息。本设计在此模式下利用AT命令发送短信给垃圾处理人员通知前来收集垃圾。关于该AT命令的用法在本文的附录中有详细的程序说明，这里不在一一叙述。关机模式可以使用PWRKEY引脚关机。最小功能模式是用“AT+CFUN”命令实现。GSM天线接口该模块提供了GSM天线接口引脚。为了方便天线调试和认证测试，应该增加一个射频连接器和天线匹配网络。此电路图如下图3.11所示：图3.11GSM天线接口连接电路SIM800L实物图SIM800L实物图中黄色螺旋金属管为天线，文字部分为硬件基本信息。实物图如图3.12所示：图3.12SIM800L实物图按键电路设计本设计的按键电路总共有两个按键。它们执行的功能是控制步进电机的转动，从而达到手动控制垃圾桶的开启与关闭。按键原理图如图3.13所示：图3.13按键电路本按键电路的设计是为了在人体检测模块出现故障，无法准确识别出人员扔垃圾时，人们可以通过手动按键的方式控制垃圾桶盖的开启与关闭。结合本设计程序以及总原理图可知：K1按键的功能是控制垃圾桶盖的关闭，K2按键的功能是控制垃圾桶的关闭。本章小结本章内容从硬件电路设计中详细的介绍了每个模块的使用方法以及它在电路中起到的作用。通过对以上内容的分析，可以了解到一下内容：（1）单片机如果要正常工作，必须要有最小系统组成。（2）人体红外检测电路要选择合适的元件以及功能模式。（3）在超声波检测电路中了解了HC-SR04工作原理并能计算出检测范围大小。（4）在GSM模块中了解SIM800L的使用手册，掌握该元件的使用功能。（5）在步进电机模块中了解28BYJ48的工作方式以及使用方法。（6）在按键电路设计中掌握了两个按键的功能。REF_Ref72446757\h系统软件设计系统软件设计主程序设计主程序流程图系统的展示了整个系统软件的编程内容，更可以大致的反映出本设计编程的逻辑思维，有助于帮助理解本程序。主程序流程框图如图4.1所示：开始开始开机延时距离大于10厘米测距系统初始化扫描按键函数串口系统初始化发送短信结束发送标志位为1发送标志位清零测距系统初始化秒清零启动一次测距否否是是图4.1主程序流程图检测电路子程序设计本程序框图模拟了当人员靠近垃圾桶准备扔垃圾时，人体检测电路的工作流程。此流程图主要是依据热释电人体感应模块是否接收到红外信号，来判断人员是否靠近垃圾桶从而控制步进电机的旋转来模拟垃圾桶盖的开启与关闭。打开盖子开始打开盖子开始热释电有信号延时10秒热释电无信号结束计时清零关闭盖子否否否是是是图4.2检测电路流程图自动翻盖子程序设计自动翻盖程序主要写了步进电机的工作内容。在程序中主要是通过向电机发送脉冲的方式来控制电机的正转与反转以及转动的角度大小。自动翻盖程序流程图如图4.3所示：电机正转打开盖子电机正转打开盖子开始有人靠近开始人离开电机反转关闭盖子是是否否图4.3自动翻盖流程图GSM短信子程序设计GSM模块是通过超声波感应器检测到桶内垃圾已满，然后经过一个延时程序后，由GSM模块发送信息给垃圾处理人员。GSM短信子程序流程图如下：超声波模块检测超声波模块检测开始垃圾满时GSM模块发送短信报警延时30秒结束否是图4.4GSM短信报警程序流程图本章小结通过本章各个模块的子程序流程图的介绍，可以大致了解到本程序的设计流程以及编程语言的逻辑框架，也为后续的程序编程的解读提供了理论参考依据。REF_Ref72446775\h系统调试系统调试系统软件调试（1）首先要选择单片机型号。图5.1选择单片机型号（3）编译程序代码图5.2编译程序代码（3）编写好项目的软件代码，生成.HEX文件。如图5.2所示。图5.3设置生成.HEX文件（4）烧录.HEX文件。（5）调试步进电机正反转。实验测试与结果在实验测试时出现了一些硬件电路焊接问题，比如在焊接时出现了虚焊漏焊的情况。这种情况主要是因为焊接的操作不规范出现焊锡用量不合理导致的。本设计在实际动手操作中还出现了由于焊枪温度过高导致差点烧坏电路板的情况。最后把焊接好的电路板利用万能表检查每个引脚看是否能够正常工作。最后，经过本次毕设，已经完全满足了设计要求。具体功能如下所示：（1）利用PIR探测是否有人靠近垃圾桶。当人靠近垃圾桶正前方时，桶盖经过10秒延时自动开盖，当人扔完垃圾远离垃圾桶后，在经过10秒延时桶盖自动关闭。（2）超声波实时检测桶内垃圾高度：当垃圾高度距离桶盖不到12厘米左右时，经30秒延时，GSM模块就会发送短信报警到手机。（3）短信报警内容：垃圾箱将满，请尽快处理。实物展示：图5.4智能垃圾桶外观图5.5智能垃圾桶正面图5.6智能垃圾桶背面焊接本章小结本章内容主要介绍了软件的系统调试步骤与硬件电路焊接时所出现问题的研究。最后是本设计成品功能的展示。此实物成果在功能上已经基本满足本设计要求，在功能要求上也基本实现了智能化垃圾桶的设计目标。REF_Ref72446793\h总结与展望总结与展望总结本设计经过查阅书籍和搜集网上关于智能垃圾桶的讨论等资料内容，再查找了国内外相关资料后，最终对智能垃圾桶的认识达到了一定的基础。在对比了国内外此类产品的研究后，才确定了本设计的研究功能。本次设计的智能垃圾桶主要使垃圾桶具有了红外感应、自动开盖、垃圾超限短信报警的功能。而本次设计由于本人目前知识水平有限无法做出功能更强大的智能垃圾桶，只是在垃圾桶上加入了一些感应性的功能来让它显示的智能。因此，此设计也能算上实现了智能化的基本要求。由于自己知识水平有限，导致本次设计的智能垃圾桶还有很多不足之处。比如：按照设计要求短信报警延时时间无法达到精确控制、当垃圾桶内有超长或超宽的纸箱等未经过压缩的垃圾时超声波探测会误判为垃圾已满发送短信报警、人体红外感应模块太过灵敏会导致误判开启桶盖等问题。这些问题正是以后本设计需要进行改进的地方。展望本论文已经完成了对智能垃圾桶的设计与研究工作。在设计过程中也基本涵盖了本科阶段所学习的专业课知识。但是随着科技的日新月异的发展，本设计还有很多地方能够通过升级改造，进一步增加设计的功能。以下内容就是可以升级改造的方向：（1）由于时间精力有限，在硬件的设计过程，其实可以采用多个步进电机来控制多个垃圾桶，每个垃圾桶都对应一种垃圾的类型，这样也可以起到垃圾分类的作用。（2）本设计后续也可以加入语音识别功能，比如通过人说出垃圾的名字，智能垃圾桶就会打开相应的垃圾桶。通过此功能也可以实现垃圾分类。（3）可以利用基于GPU深度学习来设计垃圾桶。通过应用Tensorflow深度学习框架大量的对垃圾图片进行学习识别，在用步进电机来打开相应的垃圾桶从而达到垃圾分类的功能。（4）可以把超声波探测器改为液位感应器，这样可以避免因桶内有未经压缩的纸箱或者其它超高的固体垃圾而导致垃圾桶内垃圾已满的误判。但改为液位感应器后，此设计只适用于一些装有厨余泔水之类液体垃圾。参考文献[1]李航,徐圆圆.国内分类垃圾桶发展现状与分析[J].安阳工学院学报,2019,18(2):37-39.[2]物联传媒.垃圾桶的进化史,也是人类行为与文明的变迁史[OL].(2018-1-31）[2019-04-25]./a/220033085_472880[3]刘红,许妙佳.智能垃圾桶的研究与设计[J].上海电机学院学报,2019.18-20.[4]何共建,熊兵,吴开云,贺佐强.面向智慧城市的智能垃圾桶监管系统[J].计算机时代,2018,(6):76-80.[5]朱莹.智能垃圾桶的设计与研究[D].中国矿业大学,2019.[6]王涛,马宁,张兰云.基于单片机的智能垃圾桶设计[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2020(05):180-181.[7]刘攀,陆霖波,赵晓艳,成慧翔,张虎.新型智能垃圾桶控制系统设计[J].电子技术与软件工程,2020(17):75-76.[8]白桂峰.基于STC89C52的家用智能垃圾桶设计[J].自动化与仪表,2019,34(03):97-100.单片机原理及应用案例教程[9]包宋建,杨守良.单片机原理及应用实验教学设计与案例[J].工业控制计算机,2019,32(06):134-135+137.[10]李美锟,杨明夏,凌滨.基于GPU深度学习的家用智能垃圾桶设计[J].电子测试,2021(01):8-11.[11]郭浩岩,顾伟帆,徐佳.基于STC89C52的寝室智能垃圾桶的设计[J].价值工程,2019,38(21):132-134.[12]刘红,许妙佳.智能垃圾桶的研究与设计[J].上海电机学院学报,2019.18-20.[13]何共建,熊兵,吴开云,贺佐强.面向智慧城市的智能垃圾桶监管系统[J].计算机时代,2018,(6):76-80.[14]QiYan.TheModelingandImplementationoftheIntelligentFamilyBalconyFarmSystemBased