基于单片机智能垃圾桶设计与制作.pdf

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1、目录一、设计思路.11.1 设计任务.11.2 设计调研.11.3 设计思路.21.4 设计框图.21.5 设计方案.2二、设计过程与说明.32.1 硬件电路设计.32.1.1 单片机最小系统.32.1.2 电源接口电路.42.1.3 声光报警电路.42.1.4 红外传感电路.42.1.5 电机驱动电路.52.1.6 I/O 分配表.62.2 软件系统设计.72.2.1 主程序流程图.72.2.2 编写程序代码.82.3 软件调试.92.4 硬件调试.102.5 设计过程遇到的问题及解决方案.142.5.1 设计中的问题.142.5.2 问题解决方案.14三、设计成果简介.153.1 产品特点

2、.153.1.1 技术指标.153.1.2 性能特点.153.1.3 创新之处.153.2 使用说明.153.3 系统原理图.183.4 元件清单.183.5 成果展示.193.6 设计总结.20五、参考文献.22附件 A.23附件 B.291一、设计思路1.11.1 设计任务设计任务设计一个基于单片机的智能垃圾桶，功能如下:1.垃圾桶可以根据具体情况自主决定开关盖。2.智能检测垃圾桶的剩余容量。3.垃圾桶满时自动开关盖失效。1.21.2 设计调研设计调研随着现代化进程的日益推进，科技越来越发达，人们的生活水平也提高了，开始追求健康、和谐的生活环境，重视生活周边的环境卫生，因此环保产品与设备也

3、应运而生。在公司、办公室或者是家庭中，垃圾的存放经常是困扰我们的一个问题，无论是在公共场合还是家庭厨房的垃圾大都是没有盖或者有盖但需要人用手打开的，比如夏天的家庭厨房没有及时清理的垃圾放在垃圾桶里就可能会散发出刺鼻的异味，而医院的垃圾更是会滋生病毒，传播疾病。虽然国家早就提出了保护环境不乱丢垃圾以及废物资源回收再利用的倡导，但仍旧屡禁不止其主要原因是由于垃圾桶很不卫生，大多数人都不愿直接接触垃圾桶去扔垃圾，有的人甚至直接将垃圾丢在垃圾桶盖_上或者垃圾桶周围，使得垃圾桶内“无垃圾”桶外“垃圾遍地”和资源再回收的现象变得十分困难。而大量堆积在外的垃圾还会发出刺鼻的异味，既污染了环境也增加了人与细菌

4、接触的几率。垃圾桶作为日常生活不可或缺的装置,按摆放地点可分为公用垃圾桶和家用垃圾桶,按制造材质可分为塑料垃圾桶和金属垃圾桶，近年来还出现桶身为透明以便于辨识桶内是否遭放置爆裂物或有毒物质的垃圾桶,也被叫做“反恐垃圾桶”。现如今的垃圾桶主要存在以下问题:1.垃圾桶对垃圾的密封效果不好，导致垃圾桶附近异味较大，并且极易滋生细菌、寄生虫等，对人们的健康造成较大的危害。2.现有的垃圾桶需要用手打开盖子，盖子上较脏时，增大了人们患病的几率，危害人们的健康。3.不能处理垃圾已装满的情况，即缺少报瞥的功能，不及时清理垃圾就会掉落在桶外，既不美观也不卫生。为解决上述问题，智能垃圾桶应运而生，垃圾桶可通过人体

5、的识别，实现垃圾盖的自动开启，可以有效地抑制异味的散发以及病菌的传播。该垃圾桶自动打开后，人们放入垃圾，当人离开时，垃圾桶的盖子自动关闭，从而避免人们与垃圾直接接触的同时，提供了方便，体现了人性化设计，另外还有垃圾桶内垃圾快装满后，垃圾桶能自动发出提醒声，提醒人们清理垃圾。基本的功能能做到当有人靠近垃圾箱丢垃圾时，停留时间超过 1 秒，开盖驱动电路才会工作，从而有效的避免了误动作。当人丢完垃圾离开时，垃圾桶的盖子就会自动闭合。垃圾桶内垃圾快装满后，垃圾桶能自动发出提醒声，提醒人们清理垃圾。21.1.3 3 设计思路设计思路本设计主要以单片机为核心，通过红外检测电路检测是否有人扔垃圾、桶内容量是

6、否满溢。通过电机驱动电路实现开盖功能，通过声光报警电路实现报警提示功能。1.41.4 设计框图设计框图图 1-1 总体设计框图1.1.5 5 设计方案设计方案方案 1:以红外对管传感器和 28BYJ-48 型号电机构建电机驱动电路，红外传感电路，围绕单片机设计一个智能垃圾桶。方案 2:以热式红外传感器和震动传感器构建检测模块，采用电磁铁控制垃圾盖的开关，构建控制电路模块。处于自身预算不足，同时方案 2 难度较大的原因，采用方案 1。3二、设计过程与说明2.12.1 硬件电路设计硬件电路设计2.1.12.1.1 单片机最小系统单片机最小系统1.单片机选型通过查找资料，选择 STC89C52 单片

7、机。因为此单片机下载烧录程序用串口方便好用、容易上手、价格低并且拥有大量学习参考资料及视频。STC89C52RC 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 字节系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。图 2-1 STC89C52 单片机引脚图2.单片机最小系统构成单片机最小系统，是指用最少的元件组成单片机可以工作的

8、系统。单片机最小系统由晶振，复位电路，电源电路和单片机组成。(1)复位电路复位电路通常采用掉电自动复位、上电自动复位和按钮复位三种方式。本设计采用掉电复位，当电源电压 VCC 低于 0 也就是电源断电时，所有的逻辑电路都会复位。当 VCC 重新恢复正常电压后，掉电复位结束。(2)晶振STC89C52RC 单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式。在 STC89C52 单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的 XTAL1（18）和 XTAL2（19）引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。(3)电源电路4

9、VCC 和 GND 为单片机的电源引脚，为单片机提供电源。2.1.22.1.2 电源接口电路电源接口电路本次设计采取的是外接电源作为供电电源。电源接口电路由一个 5V 电源接口，一个 SW1 自锁开关，两个电容组成。为整个垃圾桶提供电源。电源接口连接 usb 线通电之后按下自锁开关对作品通电。图 2-2 电源接口电路2.1.32.1.3 声光报警电路声光报警电路本次设计的声光报警电路由一个蜂鸣器，一个 8550 三极管，两个 1K 电阻，一个指示灯组成。可以实现声光报警功能。设计使用 8550 偏 p 型三极管驱动蜂鸣器，因为 8550 三极管低电平导通，当 P34 IO 口给他低电平时，三极

10、管就会导通，导通之后 vcc 就通过蜂鸣器到达接地形成回路，蜂鸣器发出警报进行提示。否则就是高电平，因为高电平是截止状态，所以 vcc 通过蜂鸣器之后不能通过三极管接地，不能形成回路，蜂鸣器就不能发出声音。当垃圾桶满时，P10 给一个低电平，vcc 就可以通过指示灯和电阻，指示灯点亮。图 2-3 声光报警电路2.1.42.1.4 红外传感电路红外传感电路红外传感电路里的红外传感器共一个电源 VCC 和接地，输出接单片机 IO 口，可以实现红外检测功能。当检测到前方有障碍物时，输出低电平，否则输出高电平，单片机通过判断输出是低电平还是高电平来判断前方是否有障碍物。图 2-4 红外传感器52 2.

11、1.51.5 电机驱动电路电机驱动电路本设计采用的步进电机是 28BYJ-48 型四相八拍电机，电压为 DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或者两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）驱动方式：表 2.1 步进电机驱动方式

12、导线颜色123456785 红+4 橙3 黄2 粉1 蓝红线接电源 5V，橙色电线接 P1.3 口，黄色电线接 P1.2 口，粉色电线接 P1.1 口，蓝色接 P1.0 口。由于单片机接口信号不够大需要通过 ULN2003 放大再连接到相应的电机接口。ULN2003 晶体管阵列：ULN2003 是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由 7 对 NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是 500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED 气体放电），线路驱

13、动器和逻辑缓冲器。ULN2003 的每对达林顿管都有一个 2.7k串联电阻，可以直接和 TTL 或 5V CMOS 装置。ULN2003 的主要特点：（1）500mA 额定集电极电流（单个输出）。（2）高电压输出：50V。（3）输入和各种逻辑类型兼容。（4）步进电机驱动器。步进电机控制系统电路如下图所示6图 2-5 步进电机控制系统电路图2.1.62.1.6 I/OI/O 分配表分配表表 2-2 I/O 口分配表输入端口输出端口IO 端口信号端口端口说明IO 端口信号端口端口说明P3.3U3红外检测情况P1.0L1指示红灯P3.5U4红外检测情况P3.4B1低电平有效P1.5K1开盖按键P2.

14、0P2.3U2驱动电机72.2.2 2 软件系统软件系统设计设计2 2.2 2.1.1 主程序流程图主程序流程图图 2.6 主程序流程图82.2.2.2.2 2 编写程序代码编写程序代码1.打开 keil5 软件，创建项目。图 2-7 项目创建图2.编写 C51 程序代码（详细代码见附件 A）。图 2-8 程序编写图93.生成 HEX 文件。图 2-9 HEX 文件生成图2.32.3 软件调试软件调试使用 keil5 软件进行程序编译。图 2-10 程序编译图102.42.4 硬件调试硬件调试1.把 hex 文件下载到作品中调试作品功能。图 2-11 下载 HEX 文件图112.垃圾桶的自动开

15、盖调试。（传感器 U3 的检测距离设置为 7cm，当手距离传感器小于或等于 7cm 时判定为有人需要丢垃圾，同时执行自动开盖功能。大于 7cm 时判定为不需要，不执行自动开盖功能。）详细步骤见附件视频。当手位于传感器前 7.5cm 时，传感器输出指示灯未亮，传感器未检测到人。不执行自动开盖功能。图 2-12 调试 U3 测试距离图 A当手位于传感器前 7cm 时，传感器输出指示灯亮起，同时执行自动开盖功能。开盖后五秒未检测到人自动关盖。图 2-13 调试 U3 测试距离图 B123.垃圾桶垃圾剩余容量检测调试。（传感器 U4 的检测距离设置为 1cm，当垃圾距离传感器小于或等于 1cm 时，判

16、定为垃圾桶内垃圾满了，同时进行声光报警提示功能。大于1cm 时判定为垃圾桶内垃圾未满，不进行声光报警功能。）详细步骤见附件视频。在垃圾桶内放入垃圾，因为垃圾距离传感器 U4 的距离大于 1cm，判定垃圾桶内垃圾未满，不进行声光报警。图 2-14 调试 U4 测试距离图 A当垃圾距离传感器 U4 距离小于 1cm 时，判定为垃圾桶内垃圾满了，进行声光报警。图 2-15 调试 U4 测试距离图 B134.按键开盖功能调试。（当垃圾桶内垃圾满时，自动开关盖功能失效，只能使用按键开关盖。）详细步骤见附件视频。垃圾桶内垃圾满了，自动开关盖功能失效。图 2-16 调试自动开关盖功能图垃圾桶满时，按键开盖。

17、图 2-17 调试按键开盖图 A14垃圾桶满时，按键关盖。图 2-18 调试按键关盖图 B2.52.5 设计过程遇到的问题及解决方案设计过程遇到的问题及解决方案2.5.12.5.1 设计中的问题设计中的问题问题 1:传感器不能正常实现检测功能。问题 2:蜂鸣器没有声音。问题 3:程序编译错误。2.5.22.5.2 问题解决方案问题解决方案问题 1 解决方案:通过查看 FC-51 说明书，发现 FC-51 具备电位器调节检测距离功能，未调节前是最大检测距离，设计作品又是模拟版。调节到正常检测距离（7cm）后传感器能够正常检测。问题 2 解决方案:通过万能表检测发现蜂鸣器没有电源输入，观察引脚发现

18、蜂鸣器引脚虚焊，通过补焊成功解决问题。问题 3 解决方案:通过 keil5 调试代码发现是在编写电机驱动函数时写错，改正后编译通过。15三、设计成果简介3 3.1.1 产品特点产品特点3.1.13.1.1 技术指标技术指标传感器 U3 检测距离:07cm。传感器 U4 检测距离:01cm。3.1.23.1.2 性能特点性能特点本设计相对于市面上其他垃圾桶功能更加精简，并且使用万用版焊接，成本低廉、使用方便、功能实用、性能稳定。垃圾桶内垃圾满时，可以通过按键开盖，不用用手接触垃圾盖，解放了用户双手，对提升用户生活水平有较大帮助。3.1.33.1.3 创新之处创新之处市面上大部分智能垃圾桶传感器检

19、测距离是固定的，本设计能够调节传感器检测距离，高的人使用的话能够调大检测距离，矮的人使用的话能够调小检测距离，能做到适用于每一个人。同时本设计采用外接电源，相对于使用电池的智能垃圾桶，更加稳定。3 3.2 2 使用说明使用说明1.接通电源后按下开关通电。图 3-1 通电待机图2.将手置于传感器上方，垃圾盖自动开启。16图 3-2 垃圾盖自动开启图3.垃圾桶满时，进行声光报警，无法自动开关盖，使用按键开关盖。图 3-3 自动开盖功能失效图17图 3-4 按键开盖图图 3-5 按键关盖图184.当取出垃圾桶内垃圾后，自动关盖。图 3-6 取出垃圾后自动关盖图详细操作步骤见附件视频。3.33.3 系

20、统原理图系统原理图图 3-7 系统原理图3.43.4 元件清单元件清单见附件 B193.53.5 成果展示成果展示图 3-8 作品展示图（A）图 3-9 作品展示图（B）203.63.6 设计总结设计总结本设计是由 STC89C52、红外传感电路、电机驱动电路、声光报警电路及电源接口电路组成的智能垃圾桶。能够实现检测是否有人扔垃圾、自动开关盖、垃圾桶满报警与按键开盖功能。本次智能垃圾桶的优点:制作成本低、使用能耗低、性能稳定、功能精简和使用方便。本次智能垃圾桶的缺点:使用外接电源，虽然相比较电池更为稳定，但是需要垃圾桶旁有插座，比较麻烦。不是正常垃圾桶尺寸，是模拟版。没有其他功能，例如桶内消毒

21、、通风等。改进:使用电池作为电源，更改为正常尺寸，增加其他功能，例如桶内消毒、桶内通风、增加显示屏显示桶内容量。本次毕业设计，可以说是整合了我们专业三年所学的大部分知识，我在制作过程中深刻感受到了自身对于专业知识的学习的不足，望以后继续努力学习。22五、参考文献1 杨素行.模拟电子技术基础简明教程M.高等教育出版社，20052 莫正康.电力电子应用技术M.机械工业出版社，20093 曾晓宏.数字电子技术M.机械工业出版社，20084 江晓安.模拟电子技术M.西安电子科技大学出版社，20075 陈理壁.步进电机及其应用M.上海科学技术出版社，20096 王晓明、胡晓柏.电动机的单片机控制M.北京

22、航空航天大学出版社,20027 肖金球.单片机原理与接口技术M.清华大学出版社,200023附件 A源程序/按键功能：垃圾桶满，只能按键打开，按键关闭；#include/包括一个 52 标准内核的头文件#include#define uchar unsigned char/定义一下方便使用#define uintunsigned int#define ulong unsigned long/*sbit HW1=P33;sbit HW2=P35;bit HW2_flag=0;sbit beep=P34;sbit led1=P10;sbit key1=P15;bit key1_flag=0;uch

23、ar loop;bit hand_flag=0;uint m_i;uchar ms,c_ms,p_ms=199;uchar open_time=0;bit s0;uchar beep_num;uchar open_flag=0;bit open_flag1=1;uchar code fz=/正转数据0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08,0 x09;uchar code zz=/反转数据0 x09,0 x08,0 x0c,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03,0 x01;void Delay800us()/12.000MHzunsigned

24、 char i,j;24i=2;j=139;dowhile(-j);while(-i);void proc()/正反转函数if(open_flag=1&!open_flag1)/关P2=zzloop;loop=(loop+1)%8;Delay800us();m_i+;if(m_i=1080)m_i=0;open_flag=0;open_flag1=1;else if(open_flag=2&open_flag1)/开P2=fzloop;loop=(loop+1)%8;Delay800us();m_i+;if(m_i=1080)m_i=0;open_flag1=0;open_flag=0;25v

25、oid dis_pose()if(!HW1)led1=0;if(!key1)if(key1_flag)key1_flag=0;if(open_flag1)hand_flag=1;open_flag=2;elsehand_flag=0;open_flag=1;else key1_flag=1;elseled1=1;if(!HW2)if(HW2_flag)HW2_flag=0;if(open_flag1)open_flag=2;26elseHW2_flag=1;void main()TMOD=0 x10;/定时器 0，定时器 1，16 位工作方式EA=1;/打开总中断 0TH1=0 x4c;TL1

26、=0 x00;TR1=1;ET1=1;while(1)if(open_flag=0)P2=P2&0 xf0;m_i=0;elseproc();void time_1()interrupt 3TH1=0 x4c;TL1=0 x00;ms+;27dis_pose();if(!HW1)p_ms+;if(p_ms=200)p_ms=0;beep_num=8;elsep_ms=199;if(!open_flag1)if(hand_flag=0)if(HW2)c_ms+;if(c_ms=100)c_ms=0;open_flag=1;elsec_ms=0;open_time+;if(open_time=20

27、0)open_time=0;beep_num=6;28elseif(HW2&HW1)c_ms+;if(c_ms=100)c_ms=0;open_flag=1;hand_flag=0;elsec_ms=0;elsec_ms=0;open_time=0;if(ms=2)ms=0;if(beep_num!=0)beep_num-;beep=beep;else29beep=1;附件 B元件清单附件图表 1-1B1蜂鸣器1C1470uF 电解电容1C210 瓷片电容1J1电源接口1K1轻触按键1L13mm 红色 LED1P15P 白插座+步进电机1P24P 排针1Q18550 三极管1R1,R21K 电阻2Y111.0592 晶振1SW1自锁开关1U1STC89C52 单片机+DIP40 底座1U2ULN2003 电机驱动+DIP16 底座1U3,U4FC-51 红外接收模块+3p 排针2