基于51单片机智能垃圾桶红外开盖的设计与制作

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目录

1产品功能分析...............................................................................................................1

1.1设计背景及内容.................................................................................................1

1.2功能分析.............................................................................................................1

2方案设计.......................................................................................................................2

2.1单片机芯片遴选.................................................................................................2

2.2步进电机的遴选.................................................................................................2

2.3按键方案的遴选.................................................................................................3

2.4系统框图.............................................................................................................3

3产品硬件设计...............................................................................................................3

3.1ST89C51核心板电路设计.................................................................................3

3.2红外传感器设计.................................................................................................4

3.3步进电机设计.....................................................................................................5

3.4蜂鸣器设计.........................................................................................................5

3.5复位电路设计.....................................................................................................6

4产品软件设计...............................................................................................................6

4.1主程序流程图.....................................................................................................7

4.2ULN2003A程序设计..........................................................................................7

4.3编程软件介绍.....................................................................................................8

4.4软件程序清单.....................................................................................................9

5产品制作与调试...........................................................................................................9

5.1系统电路组装步骤.............................................................................................9

5.2系统仿真调试...................................................................................................10

5.3产品装配图.......................................................................................................10

6产品使用方法.............................................................................................................11

参考资料.........................................................................................................................12

附录1元器件清单........................................................................................................13

附录2电路原理图........................................................................................................13

I

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附录3PCB设计图.......................................................................................................14

附录4作品实物照.......................................................................................................15

附录5部分软件主程序代码.......................................................................................16

II

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基于51单片机智能垃圾桶红外开盖的设计与制作

1产品功能分析

1.1设计背景及内容

随着城市化进程的加快和人们生活水平的提高，垃圾成为一个日益突出的

问题。传统的垃圾桶使用过程中存在一些问题，比如需要手动开盖投放垃圾，

不够卫生；垃圾桶容易满溢，导致异味和环境卫生的问题；垃圾桶管理的不便，

无法及时的了解垃圾桶的状态等，为了解决这些问题，智能垃圾桶应运而生。

垃圾桶内置红外传感器，当有人靠近或手在传感器范围内时，垃圾桶的盖

子会自动打开，方便用户投放垃圾，避免了直接接触垃圾桶的不便。除了外面

感应有无人或物的红外传感器外，该垃圾桶里面还配备了一个红外感应装置，

可以判断垃圾桶是否已满，提醒用户及时清理。当用户投放完垃圾后，垃圾桶

的盖子会自动关闭，避免异味散发和显露垃圾的问题，保持环境卫生。智能垃

圾桶通过红外开盖功能和其他装置，提供了更便捷、卫生、节能的垃圾处理方

式，为用户带来更好的使用体验。

（1）设计的内容：

1）红外传感器检测是否有人靠近垃圾桶扔垃圾。

2）垃圾桶满后报警。

3）步进电机驱动电路的设计。

（2）设计的要求及预期的成果：

1）红外感应：设计需要具备红外传感器，能够检测到人体接近或离开的信

号。当有人靠近垃圾桶时，红外传感器能够触发相应的动作。

2）自动开合盖：当红外传感器检测到人体接近时，设计需要实现自动开启

垃圾桶的盖子，以便用户投放垃圾。当人体离开一段时间后，盖子应该自动关

闭，保持垃圾桶的整洁和卫生。

3）声音提示：当容量接近上限时，可以通过蜂鸣器发声提醒垃圾清理人员

及时清理。

1.2功能分析

（1）红外（外部）检测到有人或物靠近并触发传感器时，步进电机左转

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90度，人离开后步进电机右转90度后关闭。

（2）红外（内部）检测是否装满，如果检测到已经装满垃圾，那么LED和

蜂鸣器报警，提醒用户及时清理。

（3）当垃圾装满后，检测到有人或物靠近时不会主动开盖，只能通过手动

按键打开垃圾桶盖。

2方案设计

2.1单片机芯片遴选

方案一:

STC8C51单片机经历了长期的发展和应用验证，具有较高的成熟度和稳定

性、较低的功耗特性、丰富的外设资源、成本相对较低，适用于一些对成本敏

感的项目。

方案二:

STM32具有较高的处理性能和存储容量，可以处理复杂的嵌入式应用。拥

有丰富的外设资源和价格相对较高，相比较51单片机，STM32的学习曲线较陡

峭，需要具备一定的嵌入式系统开发经验。

通过分析得出选择方案一。

2.2步进电机的遴选

方案一:

步进电机通过单片机的输出引脚控制驱动器，从而精确地控制步进电机的

转动。垃圾桶盖子可以使用步进电机驱动一个带有螺旋机构的杆，通过杆的伸

缩实现垃圾桶盖子的自动开启和关闭。具有非常精确的位置和速度控制和较高

的扭矩输出，且不需要额外的位置反馈装置。

方案二:

直流电机通过单片机的输出引脚控制驱动模块，从而控制电机的转动方向

和速度。垃圾桶盖子可以使用直流电机与齿轮传动机构相结合，实现垃圾桶盖

子的自动开启和关闭。但是需要定期维护电刷，以确保其正常运行，相对于其

他类型的电机，直流电机的成本较高，而且直流电机需要外部直流电源供电，

这可能增加了一些安装和布线的复杂性。

通过以上分析比较方案一更合适该设计。

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2.3按键方案的遴选

方案一

采用矩阵按键可以将多个按键组合在一起，当同时按下多个按键时，可能

会发生按键冲突，导致无法准确识别按键。

方案二

采用独立按键，每个独立按键都有自己独立的电路连接，由于每个按键都

有独立的电路连接，按键通常具有较高的可靠性和稳定性。

通过上述分析比较选择方案二。

2.4系统框图

系统框图所示如下图。

检测是否有人

步进电机

红外传感器

独立式按键

单片机

检测垃圾是否

装满红外传感器声光报警

图1系统框图

3产品硬件设计

3.1ST89C51核心板电路设计

STC89C51是一款常用的单片机，采用了高集成度的封装，体积小巧，适合

在各种应用场景中使用，具有较高的运算速度和处理能力。并采用C语言或汇

编语言编写STC89C51的程序代码，使用适合STC89C51的编译器，将代码编译

成可执行的机器码，将编译好的机器码通过编程器烧录到STC89C51的闪存中。

通过适当的输入和操作，测试程序在STC89C51上的运行情况，确保程序功能正

常，如果程序出现问题，可以使用调试工具，如调试器或仿真器，对程序进行

3

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调试和排错，根据提示进行修改重新进行相关功能的实现。

（1）STC89C51相关特点

STC89C51支持UART串口通信，具有专门的引脚用于串口数据传输,引脚

可以用于多种不同的功能，包括输入、输出、中断、定时器、串口通信等。这

使得STC89C51非常灵活，可以适应各种应用需求。

（2）STC89C52相关参数

运行频率高达33MHz，具有8KB的Flash存储器和丰富的外设接口，包括

UART、SPI、I2C等。它还支持多种中断源和定时器/计数器功能，适用于各种

嵌入式应用。

图2STC89C51RC电路原理图

3.2红外传感器设计

红外传感器是一种常用的感应器件，它是利用红外线的特性进行感应，通

过接收和解析红外线信号来实现物体的检测和测距。探测距离可以根据不同型

号和设计而有所不同，通常在几厘米到几米之间，探测角度也会因型号和设计

而有所差异，一般在几度到几十度之间。具有快速的响应速度，可以在毫秒级

别内检测到物体的变化，还具有灵敏度调节功能，可以根据实际需求进行调节，

以适应不同环境和物体的检测，广泛应用于人体检测、距离测量、避障、自动

化控制等领域。对于我们普通的电子初学的人说，红外传感器的优势特征更是

我们学习单片机技术和开发相关温度产品的不二之选。

（1）模块特点

响应速度快、灵敏度调节功能，适应不同环境、较低功耗设计、对物体精

确感应。

（2）产品应用范围

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家庭安防、智能门锁、物体检测、交通监控、环境监测。

红外传感器原理图如下图所示。

图3红外传感器原理图

3.3步进电机设计

该步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收

到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它

的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移

量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的

速度，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。

本设计采用的步进电机是混合式步进电机。混合式步进电机混合了永磁式

和反应式步进电机的优点它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五

相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。所以，本设计采用

此种步进电机。

步进电机的具体工作状态的电路原理图如图4所示。

图4步进电机控制系统图

3.4蜂鸣器设计

当有物体遮挡时蜂鸣器会准时响起闹钟警报发声装置，本装置采用的有源

自激型蜂鸣器，当蜂鸣器在工作状态是的时候电流普遍会比较大，就会导致单

片机的I/接口不会直接驱动，这时需要三极管来进行开关电路的驱动，如图5

所示该三极管是一个PNP型，当基极有低电平通过时三极管导通，蜂鸣器发声，

相反当通过高电平的时候，三极管关闭，分明其不会发声。

5

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图5蜂鸣器报警电路原理图

3.5复位电路设计

复位电路是一种常见的电子电路，用于控制和管理其他电路或设备的复位

操作。它的作用是在特定的条件下将电路或设备恢复到初始状态，以确保系统

的可靠性和稳定性。该复位电路使用一个电容和一个电阻及按钮组成的复位电

路。将电容的上端连接到VCC（电源正极），下端连接到单片机的复位引脚（通

常是RST引脚）和地。将一个电阻连接到单片机的复位引脚和地之间。当电容

充电时，复位引脚保持高电平，单片机正常工作。当按钮被按下时电容放电，

复位引脚被拉低，从而使单片机重新启动。

复位电路原理图如图6所示：

图6复位电路原理图

4产品软件设计

该系统在程序开始时，进行引脚和外设的初始化设置，包括设置红外传感

器引脚、LED指示灯引脚、电机控制引脚等，使用51单片机的GPIO口读取红

外传感器的信号。当红外传感器检测到有物体靠近时，会输出一个高电平信号，

表示垃圾桶盖被打开。当红外传感器检测到有人或物靠近时，通过控制电机引

脚，使电机转动，将垃圾桶盖自动打开，当红外传感器没有检测到人或物时，

通过控制电机引脚，使电机转动，将垃圾桶盖自动关闭。在主循环中，红外传

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感器不断检测，以实时监测垃圾桶盖的开闭情况。在软件设计过程中，需要合

理利用51单片机的GPIO口资源，编写相应的逻辑控制代码，实现红外传感器

的检测和控制电机、LED指示灯的操作。程序编译无误后，烧录到相应的硬件

装置上也就是对应的开发板，进行相应的测试以及调试完成要达到的功能显示。

4.1主程序流程图

主程序流程图如图7所示：

图7主程序设计流程图

4.2ULN2003A程序设计

由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003A放大再连接到相应的电机接

口。

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用ULN2003A控制步进电机打开垃圾桶的盖子。当红外传感器检测到有物体

接近时，表示垃圾桶的盖子被打开。当红外传感器检测到垃圾桶盖子被打开时，

通过控制ULN2003A的输出引脚，将信号传递给步进电机，从而控制垃圾桶的盖

子关闭。

图8ULN2003A原理图

4.3编程软件介绍

本次设计需要用到的编程软件是keil5编写软件，需要新建一个工程，在

该工程中进行编写所需要的程序对其进行下载、编译测试。程序下载到单片机

需要用到下载软件stc-isp-15xx-v6.87E.exe-快捷方式。注意要生成.hex文

件。如果产生编译错误要查看错误的出处进行修改，再次进行相关的编译测试，

直到编译成功没有错误，效果图如图9所示：

图9程序编译图

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4.4软件程序清单

软件程序清单如下图所示。

图10软件程序清单图

5产品制作与调试

5.1系统电路组装步骤

（1）检查元器件清单。

（2）使用万用表测试元器件的电阻的数据以及其它元器件正负极。

（3）保证金属表面清洁，用砂纸磨擦拭烙铁头。

（4）按照相关电路图焊接元器件。

（5）打开焊接使用的硬件设备，加热到三百五十度左右即可使用。

（6）焊接时，一手拿焊锡丝，一手拿电烙铁使其倾斜，使用适量的焊锡，

之后将烙铁头和焊锡丝同时对准焊接点，开始熔化焊锡，当焊锡浸润整个焊接

点后，同时移开烙铁头和焊锡丝。同样的方法焊接其余的元件。

（7）当所有的元件焊接好以后，检查电路是否有误，焊接点是否牢固，是

否接好线，是否有脱落的器件，正负极是否接反，如若有错误产生应及时修改。

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（8）测试相关的软硬件调试功能，显示没有出错则电路组装调试完成。

5.2系统仿真调试

通过软件的调试，在ISIS7Professional仿真软件中进行仿真。画仿真

图连接好各个元器件，在STC单片机芯片中加入.hex文件，然后单击最下栏中

的运行按键，这样最后的运行效果就会出现，其中呢，运行显示的红色方块代

表的是高电平，蓝色方块就是低电平。如图11所示：

图11系统测试图

5.3产品装配图

如下图12所示。

图12装配图

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6产品使用方法

（1）调试该产品前应检查相关的数据线接口是否连接完好防止出错。

（2）将软件程序烧录到硬件设备上，烧录成功后。给垃圾桶的电路板供电。

可以使下载器或者外部电源适配器。将垃圾桶放置在合适的位置，当有人靠近

垃圾桶触发红外传感器时垃圾盖，当垃圾桶前方没人或物时垃圾盖会按延时的

多少关闭。还有当垃圾桶装满垃圾时有人靠近，垃圾桶不会打开，必须人为的

按下按键打开，同时蜂鸣器和LED都会工作。

（3）完成测试以后，整理好设备。

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参考资料

[1]朱清慧编著.基于Proteus显示控制系统设计与实例.北京：清华大学出版社，2011

[2]张亚华.电子电路计算机辅助分析与辅助设计.北京航空工业出版社，2004

[3]莫正康.电力电子应用技术.北京：机械工业出版社，2009

[4]曾晓宏.数字电子技术.北京：机械工业出版社，2008

[5]江晓安.模拟电子技术.陕西：西安电子科技大学出版社，2007

[6]王宗培.步进电动机及其控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2009

[7]余永权.单片机应用系统的功率接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006

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附录1元器件清单

附录2电路原理图

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附录3PCB设计图

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附录4作品实物照

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附录5部分软件主程序代码

#include<reg52.h>//包括一个52标准内核的头文件

#include<intrins.h>

#defineucharunsignedchar//定义一下方便使用

#defineuintunsignedint

#defineulongunsignedlong

//***********************************************

sbitHW1=P3^3;

sbitHW2=P3^5;//红外IO端口定义，HW1是检测是否有人扔垃圾，2是是否满

bitHW2_flag=0;//红外触发标志位

sbitbeep=P3^4;//蜂鸣器端口定义

sbitled1=P1^0;//指示灯IO

sbitkey1=P1^5;//按键IO

bitkey1_flag=0;//按键按下标志位

ucharloop;//步进电机转动变量

bithand_flag=0;

uintm_i;//电机转动次数计数

ucharms,c_ms,p_ms=199;

ucharopen_time=0;

ucharbeep_num;//蜂鸣器响次数控制变量

ucharopen_flag=0;//控制电机转动与不转动总开关，置一，执行电机控制，否则不执行电

机控制

bitopen_flag1=1;//该变量，等于0，说明是开盖子，等于1是关盖子

ucharcodefz[]=//正转数据

{0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};

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ucharcodezz[]=//反转数据

{0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};

voidDelay800us()//短延时函数

{

unsignedchari,j;

i=2;

j=139;

do

{

while(--j);

}while(--i);

}

voidproc()//正反转函数

{

if(open_flag==1&&!open_flag1)//关

{

P2=zz[loop];//将正转数据赋值给P2端口，P2接的是步进电机

loop=(loop+1)%8;//循环加，Loop变化范围是0-7，这样结合上一句话就可

循环将转动数据送给P2

Delay800us();//短延时一下，调节这个短延时，可以控制步进电机的转动

速度，越小就越快

m_i++;//变量加加，当加到1080，相当于送1080次电机转动数

据，就停止加，同时停止驱动电机，1080是目测的，差不多刚好打开盖子的数据

if(m_i==1080)

{

m_i=0;//清零

open_flag=0;//清零，关电机控制

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open_flag1=1;//数据反转

}

}

elseif(open_flag==2&&open_flag1)//开

{

P2=fz[loop];//步骤和上面的基本一致，都是送电机转动数据，使其转动，

然后转动1080次，就停止转动

loop=(loop+1)%8;

Delay800us();

m_i++;

if(m_i==1080)

{

m_i=0;

open_flag1=0;

open_flag=0;

}

}

}

voiddis_pose()

{

if(!HW1)//当这个红外被触发，相当于垃圾桶满了

{

led1=0;//指示灯电量

if(!key1)//按键按下

{

if(key1_flag)//这个标志位只有当按键没按下的时候才会置一，功能是确保

只执行一次

{

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key1_flag=0;//清零，这样只有当按键松开之后才回去置一，才会再次执

行

if(open_flag1)//如果此时为关盖子

{

hand_flag=1;

open_flag=2;//变量置2执行开盖子

}

else

{

hand_flag=0;

open_flag=1;//如果是开盖子，执行这个，会去关盖子

}

}

}

elsekey1_flag=1;//按键松开，就置一

}

else

{

led1=1;//指示灯熄灭

if(!HW2)//这个红外被触发，有人要扔垃圾

{

if(HW2_flag)//和按键的功能是一样的，确保只执行一次

{

HW2_flag=0;//清零，只有人离开才会置一

if(open_flag1)open_flag=2;//执行开盖子

}

}

else

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{

HW2_flag=1;

}

}

}

voidmain()

{

TMOD=0x10;//定时器1，16位工作方式

EA=1;//打开总中断0

TH1=0x4c;

TL1=0x00;//装载定时器1数据

TR1=1;//开始定时

ET1=1;//是能定时器1

while(1)

{

if(open_flag==0)//等于0，不去执行电机控制函数

{

P2=P2&0xf0;//P2赋值常数

m_i=0;//计数清零

}

else

{

proc();//调用电机控制函数

}

}

}

voidtime_1()interrupt3//定时器处理函数

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{

TH1=0x4c;

TL1=0x00;//重新装载初值

ms++;

dis_pose();//红外处理函数

if(!HW1)//检测到人手

{

p_ms++;//累加

if(p_ms>=200)//变量大于200，，则

{

p_ms=0;//清零重新累加，并且蜂鸣器响