基于51 单片机的智能垃圾桶系统开发

张 河，张桂梅，段磊鹏，王婷婷

（南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 330063）

随着时代的进步和发展，以及社会经济的进一步增长，人们对于日常生活品位和质量的要求也愈加严格。在环境方面，人们为了自身的健康需要清洁且无异味的环境，这不仅仅要求人们拥有良好的素质，垃圾桶也是不可缺少的设施。在此基础上，国内外已经有很多垃圾桶出现，这些垃圾桶不仅能够实现自动开盖，以及预警等基础功能，甚至有的能够进行人脸识别，具有很高的技术含量。但是这些垃圾桶造价昂贵，并且不适合于大众场合，所以不能得到大量普及，通常只是由政府购买放置于一些很重要的场所。

现在家用垃圾桶大部分依然为无盖或者脚踏两种方式，就算市场上出现了一些类似的智能垃圾桶但是其中的功能比较单一，大部分仅能自动进行开盖，只有少部分能够实现自动封装，但是其价格也相当昂贵并且难以维修。为了与现在的时代潮流同步，并且很好地解决上述问题，文章就力求实现凭借一台传感器设计出一个集自行打开盖子与自动提示垃圾装满等功能为一体的基于51 单片机的智能垃圾箱，其价格便宜，并且采用模块化设计，出现故障时可以较快找到故障点，方便维修，可以放置于一般的公共场所和家庭中。

1 总体方案设计

设计该软件系统时，为了更好地使该软件的结构简单且方便于实际应用，因此建议采用一种模块化的设计方案，该系统功能分为自动开盖功能模块和超重预警功能模块，而在两大功能下又分为不同的模块，其中自动开盖功能包含红外传感器探查是否有人要丢垃圾模块和启动步进电机实现开盖闭盖模块；超重预警功能包含压力传感器感知垃圾是否装满模块和蜂鸣器发出警报模块，各模块独立工作互不影响。通过模块化设计，使得系统整体结构一目了然，也使得程序编写大为简化，通过相关研究表明大部分人都可以独自进行维修，极大地降低了成本。

图1 为该系统结构图。

图1 智能垃圾桶系统结构简图

2 各模块器件选型

由于器件是组成各模块的核心，并且决定整个系统的成本以及复杂程度，因此器件的选型显得极为重要。在本系统中，器件的选型遵行价格低廉、使用简单以及容易购买三大原则，在此三大原则上再考虑其自身特点。

2.1 单片机选型

选用STC89C52 芯片作为整个系统的主控芯片。STC89C52 芯片是STC 推出的新一代超级抗干扰、高速、低功耗51 单片机。它是一种具有8051 核心的ISP（In System Programming）系统内可编程芯片。该指令代码与传统的8051 单片机完全兼容。最高工作时钟频率为80MHz。芯片包含4K 字节Flash 只读程序存储器，可重复擦除1000 次。该器件兼容标准的MCS-51指令系统和80C51 引脚结构。该芯片集成了通用8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元，具有系统内可编程性（ISP）的特点，与PC 端的控制程序相匹配。

2.2 传感器

首先，我们所要进行选择的红外信号传感器是指gp2y0a21yk0f 传感器，它是一种新型测距式红外传感器控制模块，由psd（对精确位置具有灵敏度的检测器）、ired（红外信号发射控制二极管）和红外信号采集处理控制电路三个子部分共同组成，其测距功能基于三角测量原理。由于本次采用三角测量计算方法，因此本次测量的物体在所用材料、环境和物体温度、测量的持续时间等各种条件下均不会对本次测量数据的准确性结果造成任何不良影响。选择电阻应变压力传感器作为压力传感器。导体电阻随机械变形而变化的现象称为电阻应变效应。由于其工作原理是将电阻应变片贴在弹性敏感元件上，所以贴在弹性敏感材料上的电阻应变片在受压时也会变形。电阻应变片变形后，其电阻也会随之变形，电阻应变片变形后其电阻也会随之变化，δ 弹性敏感材料的压缩变形效应很小，电阻应变片产生的相应应变和电阻的变化（δR/R）也会很小，难以精确测量且不易处理，因此应使用应变计的转换电路将δR/R 转换成电压或电流变化，转换电路通常使用测量电桥。DC 电桥的特点是信号不受元器件和导体分布电感和电容的影响，抗干扰能力强。然而，由于机械应变的输出信号较小，需要高增益、高稳定性的放大器进行放大，基于电阻应变的压力传感器得到了广泛的应用。

2.3 AD 数模转换芯片

本系统采用了两种数模转换芯片，一种是HX711AD转换芯片，另外一种是PCF8591AD 转换芯片。

其中HX711 转换芯片采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤设计的24 位A/D转换器芯片。与同类型其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，降低了整机成本，提高了整机的性能和可靠性，并且系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程，在本系统中与压力传感器配套使用构成压力传感器模块。

PCF8591 芯片是一个单片集成、单电源、低功耗的8 位CMOS 数据采集器件，它有四个模拟输入、一个输出和一个串行I2C 总线接口，PCF8591 三个地址引脚A0、A1 和A2 用于硬件地址编程，8 个PCF8591 器件允许连接到同一个I2C 总线，无需额外的硬件。

该系统结合红外传感器输出AD 采样值，构成红外传感器模块。

2.4 步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机一般按励磁方式分为磁阻式、永磁式和混磁式三种，而按相数可以分为单相、两相、三相和多相等形式，而步进电机常用驱动方式为单极性和双极性驱动方式。在步进电机模块中我们通过ULN2003 芯片来实现控制单片机IO 口的电平来控制28BYJ-48 五线四相步进电机。

2.5 蜂鸣器

蜂鸣器是电器设备中常用发声原件，其安装方便、操作简单而被广泛应用，结构原理为电磁线圈和磁铁周期性振动从而产生声音。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，两者在封装上差不多，其中有源蜂鸣器内部有振荡电路，只需要在引脚上接上电压就可以产生固定频率的声音，而无源蜂鸣器内部没有振荡电路，接上电源后不会发声，所以在使用时需要用不同的方波信号来驱动发声。因为这个特点，无源蜂鸣器可以产生不同的声音进而演奏一些简单的乐曲。本系统采用的是无源蜂鸣器，令其鸣叫必须用2K-5K 的方波去驱动它，模块采用s8550 三极管驱动低电平触发，工作电压3.3V-5V。

3 电路设计

3.1 电源电路设计

在电路设计中，电源电路设计极其重要，由于本系统大部分器件所需供电电压均为5V 电压，为了保证系统工作稳定，需要设计一个可以稳定供电5V 电压的供电系统，所以本系统采用了USB 供电方式。USB系统供电可以连接电脑USB 接口保证供电的稳定性，也方便在软件开发时调试程序，我们可以在该电路电源的输出接口处装上一个LED 灯，以此判定该电源电路是否正常工作。

图2 为电源电路设计原理图。

图2 电源电路

3.2 蜂鸣器预警电路设计

预警电路由PNP 三极管S8050 驱动蜂鸣器实现，由单片机其中一个IO 口控制三极管的基级（本系统蜂鸣器为低电平有效），当IO 口输出为低电平时，三极管导通，蜂鸣器正极电源接通；当IO 口输出为高电平时，三极管截止，蜂鸣器正极与电源断开，此种现象构成一种方波，所以可以用2K-5K 的方波驱动蜂鸣器使之工作。报警指示电路如图3 所示。

图3 蜂鸣器电路

3.3 单片机控制电路设计

系统主控电路由STC89C52 单片机及晶振电路和复位电路组成，该电路作为整个系统的核心控制各单元模块工作。

晶振电路，又叫做振荡电路，晶振是用来为单片机提供时钟频率的，由于我们使用的是51 单片机，其时钟频率可以在0-40MHz 上运行，所以选用了典型的晶振电路频率11.0592MHz。晶振频率越高，单片机运行越快，只有保证晶振电路稳定，单片机才能继续工作。

复位电路，当单片机运行时出现系统崩溃或者瘫痪状态，我们需要复位电路来使单片机恢复正常状态。复位电路通常有两种方式，一种是上电复位，即电源开启后自动复位，另外一种为手动复位。本系统采用的是手动复位方式。

图4 为单片机主控电路。

图4 单片机主控电路

3.4 步进电机驱动电路设计

步进电机是为了实现开盖及关盖功能，但是单片机IO 口的电流很小，难以驱动步进电机工作，因此采用ULN2003 芯片来扩展单片机IO 口电流使其能够驱动单片机工作，图5 为步进电机驱动电路图。

图5 步进电机驱动电路图

4 程序编制和调试

4.1 程序的开发环境及程序烧录

本系统在设计中采用的开发环境为KEIL 公司的uVision4 编译器，程序由该系统编译器对其进行了编译以及调试，成功后将代码烧录到整个单片机内部，然后由单片机执行代码所指示的内容控制各个模块的工作，通过观察各模块是否按照预期设想工作修改代码，此过程可以边上机进行代码编写边观察模块工作，极大方便了程序的编写、调试、修改，也为后期改进提供便利通道。在烧录程序之前，电脑必须安装并连接好驱动程序然后将单片机通过USB 接口连接在电脑上，打开STC-ISP，选择好单片机型号以及单片机连接电脑的串口号，然后找到uVision4 生成的二进制文件，点击下载按键，然后单片机开机，给单片机通电后就可以完成程序烧录。

4.2 系统总程序流程图

程序工作流程如下：红外传感器检测到有人时，单片机控制步进电机正常工作打开垃圾盖，经延时后垃圾盖将自动关闭；当压力传感器检测到垃圾超重后，单片机控制蜂鸣器工作，产生一段时间的声音预警，以提示该清理垃圾了。本程序采用C 语言编写，采用了模块化设计的思路，根据系统的功能将程序分成若干模块并进行独立编写，互不干扰，这使得程序思路清晰，抗干扰能力强，便于后期改进。

程序流程图如图6 所示。

图6 程序流程图

5 实验结果及分析

5.1 超重预警功能模块

通过测试，本系统已达到预期结果，各模块独立工作互不干扰，为了简化实验我们先控制压力传感器，然后再分别放置一个空瓶、一个容量为550ml 装满水的瓶子，为了使实验结果更加明显，我们装上数码管以显示物品重量，然后观察数码管显示的数字，当数字超过500 时蜂鸣器正常工作发出声音，实验结果如图7所示。

图7 超重预警实验

实验结果显示，控制压力传感器时，数码管显示为0，蜂鸣器不工作；在压力传感器上放置一个空瓶时，数码管显示为38，蜂鸣器不工作；在压力传感器上放置装满水的瓶子时，数码管显示为553，超过设定值500，蜂鸣器正常工作发出声音，实验结果表明超重预警功能达到预期要求。

5.2 垃圾桶开关盖模块

我们在自动开盖中设定的探测距离为10cm-20cm。为了观察实验现象，我们在步进电机上套上一个笔帽，通过观察笔帽是否转动来判定该模块是否达到预期要求。因此实验分为两部分，第一部分为在探测器前方10cm-20cm 内是否有物体，另一部分为在探测器前方10cm-20cm 处放置物体，观察实验的结果如图8 所示。

图8 垃圾桶开关盖实验

实验结果显示当探测器前方10cm-20cm 内没有物体时，步进电机不工作，笔帽指向右方；当探测器前方10cm-20cm 处有物体时，步进电机正常工作，笔帽顺时针旋转90°，几秒后步进电机再次启动，笔帽逆时针旋转90°回到原来位置。

通过多次实验调试，该系统整体工作能达到预期要求。

6 结论

本文以51 单片机为中心控制系统，设计一款价格低廉的智能垃圾桶系统。采用模块化设计使得该智能系统更加清晰直观。实现了智能垃圾桶系统的智能开盖和垃圾容量饱满的蜂鸣功能。经过多次测试，该系统达到了预定的功能。

但由于时间仓促，经验不足，理论知识缺乏等问题，本系统的设计还存在以下不足：该系统无保存信息功能，因此必须一直保持上电功能，如断电一次则必须清除桶内垃圾，不然系统会误以为桶内无垃圾；本系统由于未加电源转换模块，因此必须保持上电电源电压为5V；系统设计不够优化，有待改善。系统的超量程信号直接由单片机送入报警电路，没有设计保护电路载入单片机进行处理后送入报警电路。