智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案

1、-1 - 1、工作原理 整體架構(gòu)如圖1所示: 圖1作品系統(tǒng)架構(gòu)圖 程序分為3大塊：主程序?yàn)榈却訒r(shí)、定時(shí)中斷，熱釋紅外傳感器中斷。 工作原理： 當(dāng)人走到熱釋紅外傳感器的探測(cè)范圍內(nèi)，傳感器熱釋電元件在接收到人體 紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)過(guò) hn911內(nèi)部電 路處理將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平變換，當(dāng)檢測(cè)到人時(shí)向單片機(jī)提供了一個(gè)低電平（下 降沿），將此信號(hào)作為一個(gè)外部中斷信號(hào)（在設(shè)計(jì)此方案的時(shí)候，我們還想到 檢測(cè)的時(shí)候運(yùn)用圖像處理法，他的優(yōu)點(diǎn)就能夠容易區(qū)分垃圾種類(lèi)和準(zhǔn)確是否是 人，但其缺點(diǎn)是處理信息大，受到環(huán)境影響大，所以放棄）； 震動(dòng)傳感器是將 垃圾桶的震動(dòng)（被物體撞擊）或

2、者重量變化轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)，通過(guò)I/O 口單片機(jī) -2 - 可以查詢到此信號(hào)；當(dāng)PT2262/2272是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控 發(fā)射/接收芯片，其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集 成于一身，將垃圾的投入和垃圾桶是否滿轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)，通過(guò) I/O 口單片機(jī)可 以查詢到此信號(hào)；單片機(jī)在進(jìn)行初始化與設(shè)定定時(shí)時(shí)間后，就等待中斷信號(hào)， 當(dāng)外部中斷端有信號(hào)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入處理中斷，認(rèn)為此時(shí)有人來(lái)，通過(guò)查詢 I/O 信號(hào)，判斷是否打開(kāi)垃圾桶蓋，當(dāng)垃圾桶未滿即PT2262/227狒無(wú)信號(hào)打開(kāi)垃圾 桶蓋(單片機(jī)控制電磁鐵通電，蓋打開(kāi))，通過(guò)震動(dòng)傳感器和PT2262/2272信

3、號(hào) 的綜合判斷此人是否是投垃圾的，與此同時(shí)單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片發(fā)出一些幽默 的話語(yǔ)，提示大家愛(ài)護(hù)環(huán)境，也給大家?guī)?lái)一些快樂(lè)。正因?yàn)槭⑷簡(jiǎn)纹瑱C(jī)有很 方便休眠喚醒功能，在PAO加下降沿可是單片機(jī)喚醒，并且喚醒后執(zhí)行喚醒的 嚇一跳指令，所以在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有人來(lái)投垃圾， 單片機(jī)白動(dòng)的將除HN91似外的電 路電源關(guān)閉，之后單片機(jī)進(jìn)入休眠，從而大大減少能源的浪費(fèi)。做到了節(jié)能環(huán) 保。當(dāng)有人來(lái)時(shí)，通過(guò)HN91電路部分將單片機(jī)喚醒，單片機(jī)將以前關(guān)閉電源的 電路從新通電進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 四、作品功能、特色 本作品節(jié)能環(huán)保，干凈衛(wèi)生，具有一定的娛樂(lè)性，運(yùn)用廣泛，可適用于各 種中高級(jí)辦公樓等公共場(chǎng)合，其原理也可運(yùn)用至其他

4、領(lǐng)域，如防盜作用等， 具 有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 作品采用了 HT46F49日乍為主控單片機(jī)，以紅外傳感器、震動(dòng)傳感器、 語(yǔ)音 芯片為主要模塊，主要特點(diǎn)如下： (1) 節(jié)能環(huán)保。本作品有休眠喚醒功能，在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有人來(lái)投垃圾，單片 機(jī)白動(dòng)的將除紅外感應(yīng)以外的電路電源關(guān)閉，之后單片機(jī)進(jìn)入休眠，從而大大 減少能源-3 - 的浪費(fèi)；做到了節(jié)能環(huán)保。當(dāng)有人來(lái)時(shí)，又通過(guò)該電路部分將單片機(jī) 喚醒，單片機(jī)將以前關(guān)閉電源的電路從新通電進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 (2) 干凈衛(wèi)生。智能垃圾桶順應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)的追求，突破了傳統(tǒng)帶蓋垃圾 桶用手或腳開(kāi)蓋的思維屏障，感應(yīng)開(kāi)、關(guān)桶蓋讓人們?cè)趤G時(shí)少了份擔(dān)心，減少 了生活中各種病菌交叉感

5、染的機(jī)率。同時(shí)具有良好的密封性好，無(wú)垃圾異味溢 出，確保四iS空氣清新。 (3) 娛樂(lè)性。本作品的語(yǔ)音系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同情況發(fā)出一些幽默詼諧的話語(yǔ)， 娛樂(lè)大眾的同時(shí)也吸引人們有意識(shí)地將垃圾丟進(jìn)桶內(nèi)，更能吸引小孩去撿垃圾 往里丟，從而使人們養(yǎng)成不亂扔垃圾的好習(xí)慣，讓我們周?chē)沫h(huán)境更加美麗。 (4) 運(yùn)用廣泛。本作品可有多種色彩、多種容量、多種材料選擇，提升了 公共場(chǎng)合及居家檔次，滿足了人們崇尚人性和時(shí)尚，不斷塑造個(gè)性和魅力的生 活品味；是辦公、家用、公用、會(huì)議、醫(yī)療等使用的理想選擇。 五、作品結(jié)構(gòu) (一)碩件部分 硬件電路部份包括：電源電路模塊 HT46F49融片控制中心模塊；信號(hào)檢測(cè) 電路模塊；控

6、制電路模塊與語(yǔ)音電路模塊四部份。分別說(shuō)明如下 ： Mod_1模塊：電源電路模塊實(shí)現(xiàn)給 HT46F49律片機(jī)供電功能。 Mod_2莫塊：使用HT46F49或片，建立基本輸入輸出模型。實(shí)現(xiàn)與 Mod_3 模塊的串行通信功能，以及實(shí)現(xiàn)基本控制功能。 Mod_3模塊：信號(hào)檢測(cè)電路模塊是由各插孔的檢測(cè)電路分別與各個(gè)用電器 相串聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的檢測(cè)。 -4 - 熱式紅外傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部紅外熱源的檢測(cè)。 震動(dòng)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部重量和形變的檢測(cè)。 紅外光傳感器模塊在 Mod_2模塊中HT46F49E的控制下對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼 功能的紅外遙控發(fā)射/接收。 Mod_4 塊： 控制電路模塊用一個(gè)電磁鐵實(shí)

7、現(xiàn)桶蓋的打開(kāi)與關(guān)閉。 語(yǔ)音電路模塊主要用編程實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的提醒功能及播報(bào)功能。 1、Mod_1模塊解析： 電源電路是由變壓器、橋式整流電路、 集成器7085及一些電容所組成。家 用電器使用的220v交流電壓通過(guò)變壓器降壓、橋式整流電路整流后， 再通過(guò) 7805集成器將電壓穩(wěn)定成為5v的直流電壓，給單片機(jī)HT46R2部電。為了解 決電信號(hào)中的干擾問(wèn)題，我們?cè)诩善?085的兩邊并接電容用以濾波。電路圖 如下所示: 圖2 電源模塊電路圖 2、Mod_2莫塊解析:-5 - HT46F49E 圖 3 HT46F49E3 HT46F49E 單片機(jī)引腳功能表 工作電壓： fSYS=4MHz 2.2V 5

8、.5V fSYS=8MHz 3.3V5.5V fSYS=12MHz 4.5V5.5V ? 13到23個(gè)雙向輸入/輸出口 ?與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入 ? 8位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有溢出中斷和7級(jí)預(yù)分頻器 ?內(nèi)置晶體和RC振蕩驅(qū)動(dòng)電路 ?看門(mén)狗定時(shí)器 ?具有PFD功能，可以用來(lái)發(fā)聲 ?暫停和喚醒功能可降低功耗 ?在VDD =5V系統(tǒng)頻率為48MHz時(shí)，指令周期 為0.5 p s 在本作品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，HT46F49E單片機(jī)采用5V穩(wěn)壓電源供電。工作在 PB5匚 P田匚 PAiPFLilT PA2匚 PA1匚 PAGE PB3AN32 PB2AN2C PB1/AN1 匚 PBO/A

9、NOC vssc PCOC p匚 pc2r 8 9 10 11 12 13 14 PB6 27 PB? PA4.FMR 26 25DPA54NT 24 J PAfi 23;ZIPA7 0SC2 21 DOSCl VDD 20 1巾盡 1& 17 J PDtPA/M1 PDO/PA/MO 16 口 PC4 15 PC3 -6 - 48MHz時(shí)鐘頻率。由于采用RISC結(jié)構(gòu)，此系列單片機(jī)具有高運(yùn)算速度和高性 能的特性有了集成的A/D和PWM能的優(yōu)勢(shì)，再加上低功耗、高性能、靈活控 制的輸入/輸出和低成本等特性 3、Mod_2tJI塊解析： 信號(hào)檢測(cè)電路部分分為三大塊：熱式紅外傳感器、震動(dòng)傳感器

10、、紅外光傳感器。 (1) 熱式紅外傳感器模塊 這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的 紅外輻射必須非常敏感。 為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲泥爾 濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。 被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的 兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作 用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。 一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接 收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào) 處理而報(bào)警。 菲泥爾

11、濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距 (感應(yīng)距離)，從而產(chǎn)生不 同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。 HN911型熱釋電紅外探頭模塊的內(nèi)部電路框圖 如圖所示。-7 - I 圖4 HN911HN911 型熱釋電紅外探頭模塊以及內(nèi)部電路框圖 平時(shí)端輸出低電平，端輸出高電平。當(dāng)有移動(dòng)發(fā)熱體迸太監(jiān)視范圍時(shí)， 熱釋電紅外傳感器接收到紅外能量，并輸出檢測(cè)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器放大后, 由比較器進(jìn)行比較判斷，再由信號(hào)處理電路處理后輸出控制信號(hào)。此時(shí)輸出端 變?yōu)楦唠娖?，而輸出端變?yōu)榈碗娖?。在模塊的外部可接增益調(diào)節(jié)電位器， 以調(diào)節(jié)放大器的增益。 HN911型熱釋電紅外探買(mǎi)模塊的主要特性參數(shù)見(jiàn)表。 表:HN911

12、型熱釋電紅外探頭模塊主要特性參數(shù)4 5 3 HN911 2 1 6 ( 放犬放犬 比較比較 溫度補(bǔ)隹溫度補(bǔ)隹 外接南外接南 益調(diào)節(jié)益調(diào)節(jié) 電位器電位器 9V+5V 熱祥電熱祥電 傳感器傳感器 延時(shí)延時(shí) -8 - 頊 目 頊 目 套 數(shù) 電源電壓（V） 5*10% 敢大器頻竟壓 0 7 他靠府應(yīng)度（S） 2500 輸出延時(shí)“） 2 傳感威平想匍 iar ! r 監(jiān)控距離?。?15* 放天辨增 70 工作溫度（T） Sijp WIIEr 隍電亍幣坳 KK 注：根據(jù)傳感器視場(chǎng)和靈敏度經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定傳感器放置角度來(lái)合理確定監(jiān)控距 濾光片 人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)10um左右，將濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線

13、通 過(guò)的窗口。濾光片。濾光片為 6um多層膜干涉濾光片，這種對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈 的短波（約為5um一下）具有高的反射作用，而對(duì) 6um以上的人體發(fā)出的紅外 熱源（10un）有高的穿透性，其光譜特性。 如圖所示: -9 - 放大電路為單片機(jī)提供一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)入處理“是否丟垃圾程序流程 圖”。 (2) 震動(dòng)傳感器 此模塊運(yùn)用應(yīng)變器對(duì)重量和形變非常敏感，加上一個(gè)差動(dòng)橋，大大提高了 靈敏度在經(jīng)過(guò)A/D將其轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)。下面介紹： 薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上 或藍(lán)寶石上制成的(上圖所示)。它通過(guò)改變真空沉積時(shí)襯底的溫度來(lái)控制沉積 層電阻率

14、的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適于不 同試件材料的溫度白補(bǔ)償薄膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片 和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，并避免了它的缺點(diǎn)，是一種較理想的應(yīng)變片。 差動(dòng)電橋 應(yīng)變片、薄膜和厚膜應(yīng)變片傳感器一般采用惠斯通電橋?；菟雇姌?qū)?yīng)200kQ 圖5 放大電路 圖6薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 -10 - 變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)換為差分電壓如圖 1所示。+Exc和-Exc終端加上激勵(lì)電 壓后，+VOU而-VOU咳端上出現(xiàn)與應(yīng)變成正比的差分電壓。 圖7惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片 全橋電路時(shí)單臂靈敏度的四倍.為了提高其靈敏度采用全橋電路.將應(yīng)變片 貼在垃圾桶的內(nèi)側(cè)面，利用

15、全橋電路靈敏度高的特點(diǎn)測(cè)量垃圾桶震動(dòng)幅度.并轉(zhuǎn) 換成電壓接入單片機(jī)分析。 (3) 紅外光傳感器 PT2262/2272是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射 /接收芯片 圖8紅外光傳感器 AO Al AJ AS A4 A5 A&/D0 AT/D1 Vss 18 16 15 14 13 12 10 J VDD Mut 1 OSC1 1 OSC2 1 IE AL1/D5 J ALO/D4 A9/D3 說(shuō) 圖1 FT2262-IR 10 3 VDE VT 1 OSC1 1 OSC2 1 LI1T J US J D4 J D3 D2 FT2272引腳囹 Bout TE A10/D4 A11/

16、D5 A0 A1 OSC1 OSC2 -11 - PT2262-IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有“ 1”、“0”和“開(kāi)路”三種狀態(tài)，數(shù) 據(jù)輸入有“ 1”和“0”兩種狀態(tài)。由各地址、數(shù)據(jù)的不同接腳狀態(tài)決定，編碼 從輸出端Dout輸出，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。其編碼時(shí)序波形如圖2所示。 Dout輸出的編碼信號(hào)是調(diào)制在38kHz載波上的，OSC1 OSC2外接的電阻決定 載頻頻率，一般電阻可在430k470k之間選擇即可。PT2272的暫存功能是指 當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)，PT2272的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出位即變?yōu)榈碗娖?。而鎖存功能是 指，當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)，PT2272的數(shù)據(jù)輸出端仍保持原來(lái)的狀態(tài)，直到下次接 收到新

17、的信號(hào)輸入。圖3是紅外發(fā)射和接收的典型應(yīng)用原理圖，為了能正確解 調(diào)出調(diào)制的編碼信號(hào)，接收端需加一級(jí)前置放大級(jí)，保證輸入 PT2272的信號(hào) 幅度足夠大。PT2272各輸出端通過(guò)各種接口即可控制相應(yīng)的負(fù)載。PT2262/2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射 /接收芯片。其中發(fā)射芯片 PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)射電路變得非 常簡(jiǎn)潔。 接收芯片PT2272的數(shù)據(jù)輸出位根據(jù)其后綴不同而不同，數(shù)據(jù)輸出具有“暫 存”和“鎖存”兩種方式，方便用戶使用。后綴為“ M為“暫存型”，后綴為 “L”為“鎖存型”。 因此可以用這一對(duì)芯片外加輔助電路對(duì)垃圾進(jìn)行檢測(cè) .

18、將其輸出(電壓)放大調(diào) 節(jié)接入單片機(jī)。 4、Mod_4模塊解析： (1)控制電路模塊 此模塊主要采用電磁鐵來(lái)控制垃圾桶蓋的打開(kāi)與關(guān)閉。本作品中選用拍合 式電磁鐵，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 -12 - 線圈1套在鐵心2上，兩者固定不動(dòng)，銜鐵3是運(yùn)動(dòng)部分。當(dāng)線圈部分通過(guò)一 定值電流過(guò)后，在鐵心、銜鐵、氣隙中間就產(chǎn)生一定數(shù)量的磁通 中。圖中虛線 所示為磁通流過(guò)的路徑。在磁通的作用下，產(chǎn)生一定大小的電磁吸力，將銜鐵 吸向鐵心，企圖是氣隙4減到最小。圖中箭頭表示銜鐵吸引時(shí)運(yùn)動(dòng)的方向。當(dāng) 線圈中電流停止后，電磁吸力就消失。 當(dāng)電磁鐵通電后，產(chǎn)生電磁吸力，再運(yùn)用杠桿原理使桶蓋打開(kāi)；當(dāng)電磁鐵 斷電后，電磁吸力消失，

19、此時(shí)垃圾桶蓋由于重力作用關(guān)閉。 （2）語(yǔ)音電路模塊 ISD25120有10個(gè)地址輸入端A0 A9,錄址能力可達(dá)1024位，地址空間 0 1023。其分配情況是：地址0 299作為分段用，地址600 767未使用， 址768 1023為工作模式選擇（即 A8、A9均為高）。ISD25120的地址線有兩 用途，一是作為工作模式控制，二是作為分段錄放音的起始段地址。當(dāng)最高位 地址（MSB A& A9都為高電平時(shí) （即地址 768 1023）,地址端AAA6就作 為工作模式選擇端MA M對(duì)應(yīng)7種工作模式。當(dāng)A8、A9任一位為低或都為 低時(shí)（即地址0 599）,只要在分段錄/放音操作前（不少于300ns）給地址A0 A9賦值，操作就從該地址開(kāi)始。AUX IN輔助輸入，VSSD VSSA字地和模擬-13 - 地，SP* SP-揚(yáng)聲器輸出，VCC展擬信號(hào)電源正極，MIC、MIC REF麥克風(fēng)輸 入端和輸入?yún)⒖级耍珹GCg動(dòng)增益控制，ANA IN、ANA OU催擬信號(hào)輸入和輸 出，OUF溢出，CE片選（低電平允許芯片工作