城市生活垃圾分類計(jì)量收費(fèi)設(shè)備控制裝置的設(shè)計(jì)

赫 亮,竇蘊(yùn)平

(北京建筑工程學(xué)院,北京100044)

我國現(xiàn)有的垃圾收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)偏低，政府每年都要投入很大一部分資金來貼補(bǔ)垃圾處理企業(yè)。垃圾收費(fèi)制度改革后，不但可以彌補(bǔ)政府和企業(yè)投入，還能督促居民加強(qiáng)垃圾的減量和資源化意識，促進(jìn)垃圾減量化、資源化、無害化。

許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實(shí)行了垃圾計(jì)量收費(fèi)，日本、韓國以及美國的經(jīng)驗(yàn)是按照垃圾袋計(jì)算費(fèi)用，居民多扔垃圾多買袋就多花錢；另外的形式是直接按照垃圾重量計(jì)費(fèi)，多傾倒一桶垃圾就多花一定的費(fèi)用，可以避免按戶或按人頭收費(fèi)的“一刀切”做法。

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的垃圾稱重計(jì)費(fèi)控制系統(tǒng)。與其他控制系統(tǒng)相比，單片機(jī)系統(tǒng)具有體積小巧、成本低廉等優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)要求和主控制器的選擇

系統(tǒng)工作原理如下：垃圾箱由3個不同的箱體組成，分別收集廚余垃圾（箱1）、紙張和塑料等可回收垃圾（箱2）以及其他不可回收垃圾（箱3）。每個箱體頂部安裝大小合適的投入門，底部安裝一個稱重臺。住戶準(zhǔn)備投放垃圾時，拿出充值卡，當(dāng)卡內(nèi)余額充足時，可以打開箱1、箱2或箱3，進(jìn)行垃圾投放。其中箱1和箱3按照稱重減費(fèi)，箱2按照稱重加費(fèi)。為防止不同類別的垃圾投錯，可以將各個箱的投入門做得各不相同，例如紙張投入箱控制門應(yīng)當(dāng)做成扁平口，只允許紙張或報紙雜志投入。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

與其他控制器相比，單片機(jī)具有體積小巧、價格低廉以及性價比高等優(yōu)點(diǎn)，因此本控制系統(tǒng)選用目前應(yīng)用最多的AT89 S51單片機(jī)做為主控制器，可以方便地與射頻電路、顯示電路、通信電路、A/D轉(zhuǎn)換電路接口連接，構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)。

2 IC卡及讀卡電路

非接觸式IC卡又稱射頻卡，與接觸式IC卡相比，解決了無源和免接觸的問題，具有可靠性高、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中選用目前流行的Mifare1卡，控制器內(nèi)的專用讀卡芯片連接的天線線圈不斷向外發(fā)射一組13.56 MHz固定頻率的電磁波，Mifare1卡靠近時，卡內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，使電容充電產(chǎn)生電荷，當(dāng)電容充電達(dá)到2 V時，該電容作為電源為卡上的電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)并予以保存[1]。

圖2 MFRC500和AT89S51接口電路圖

MFRC500是應(yīng)用于13.56 MHz的非接觸式通信高集成度讀卡芯片，集成了13.56 MHz下所有類型的被動非接觸通信方式和協(xié)議，支持Mifare1卡，與AT89S51的接口電路如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)要求，相應(yīng)部分的控制程序需要實(shí)現(xiàn)的功能如下[2]：

(1)無刷卡時，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)；當(dāng)有刷卡時，識別卡內(nèi)信息，包括用戶信息、卡內(nèi)余額以及系統(tǒng)內(nèi)部的存儲區(qū)域，并調(diào)用顯示程序。

(2)支付方式可選充值和記賬。本設(shè)計(jì)采用充值方式，對廚余垃圾和不可回收垃圾進(jìn)行扣費(fèi)，而紙張、塑料垃圾可以向卡內(nèi)充值。

3 稱重模塊和顯示模塊的設(shè)計(jì)

(1)稱重傳感器的選擇

電子計(jì)價秤、平臺稱等場合適合選用鋁合金懸臂梁式傳感器，由彎曲引起的形變,在彎曲面集中的區(qū)域上下兩面粘貼應(yīng)變計(jì),形成全橋的測量電路。圖3為CYT-204系列懸臂梁稱重傳感器，選擇量程為 0～0.1 T，精度高，漂移低；選擇輸出0～5 V，易于和單片機(jī)接口；尺寸為 130 mm×32 mm×32 mm，安裝方便[3]。

圖3 CYT-204懸臂梁稱重傳感器

(2）A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示電路的設(shè)計(jì)

TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。采用串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機(jī)I/O資源，且具有接口簡單、價格適中、分辨率較高等特點(diǎn)，在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用，因此在本系統(tǒng)中采用TLC2543作A/D轉(zhuǎn)換元件。

控制系統(tǒng)常用的顯示器件有LED顯示器和LCD顯示器，其中LCD除了可以顯示數(shù)字之外還可以顯示字符，因此本設(shè)計(jì)選用目前非常通用的LCD1602顯示模塊進(jìn)行稱重結(jié)果的顯示。

顯示控制程序?qū)崿F(xiàn)用戶信息的顯示，包括姓名、門牌號碼和卡內(nèi)余額。當(dāng)用戶按下箱體選擇按鈕，垃圾重量計(jì)費(fèi)裝置打開相應(yīng)的投入門，用戶投放垃圾完畢后，根據(jù)投放垃圾的種類和重量，卡內(nèi)余額可以增加或扣減并進(jìn)行顯示。

4 存儲模塊和通信模塊的設(shè)計(jì)

AT24C08是ATMEL公司的EEPROM存儲器，它的接線極為簡單，只需要 2根信號線;其存儲容量為1 KB，1個存儲模塊可以儲存幾百個用戶的信息，與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

圖4 存儲器接口電路

對每個住戶的垃圾投放情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需要將系統(tǒng)內(nèi)存儲的住戶垃圾投放信息讀出。單片機(jī)的串行通信接口可以擴(kuò)展為USB接口、RS232接口和GPRS接口等。本系統(tǒng)內(nèi)AT89S51的串行接口只有1個，考慮到系統(tǒng)的方便性，在本設(shè)計(jì)中采用USB口擴(kuò)展。

5 投入門控制模塊的設(shè)計(jì)

ZYT系列永磁直流電動機(jī)采用鐵氧體永久磁鐵激磁系封閉自冷式。作為小功率直流電動機(jī)，可在各種裝置中用作驅(qū)動元件。本系統(tǒng)中采用ZYT系列永磁直流電動機(jī)控制垃圾箱投入門的打開和關(guān)閉。

L298N芯片是步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的驅(qū)動芯片，很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)中選擇Multiwatt15封裝，易于實(shí)驗(yàn)室焊接。L298N芯片的引角圖如圖5所示。該芯片可接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號 VSS，VSS可接 4.5 V～7 V電壓；4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍 VIH為2.5 V～46 V。輸出電流可達(dá)2.5 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載；1腳和15腳下發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機(jī)，OUT1和OUT2以及OUT3和OUT4之間可分別接電動機(jī)。輸入信號端IN1接高電平、IN2接低電平，電機(jī)1正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)1反轉(zhuǎn)。輸入信號端IN3接高電平、IN4接低電平，電機(jī)2正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)2反轉(zhuǎn)。因?yàn)椴恍枰{(diào)速，調(diào)速端A、B可以直接接+5 V。本裝置中，有3個投入門需要控制，因此需要2片L298N，占用單片機(jī)6個I/O口。另外L298N對每個電動機(jī)都有使能控制端 EnA和 EnB，3個投入門需要3根單片機(jī)I/O口線，如果它們?yōu)榈碗娖剑瑒t電機(jī)不會轉(zhuǎn)動。

圖5 L298N芯片

考慮到一片AT89S51的I/O口有限，且本系統(tǒng)需要的I/O口線較多，所以選用1片AT89C2051來控制投入門電動機(jī)動作的正反轉(zhuǎn)。AT89C2051可以接收選擇投入門的按鍵的信號；它是24引腳的CPU芯片，體積小,節(jié)省空間。投入門是否動作由系統(tǒng)中的主CPU AT89S51的一根口線和這片AT89C2051一根I/O口線相連作為信號線來決定。如果用戶卡余額不足，則AT89S51的這根I/O口線輸出高電平，與AT89C2051相連的I/O口線也為高電平,禁止所有投入門動作，AT89S51的芯片如圖6所示。

6 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，AT89S51系統(tǒng)主程序框如圖7所示。AT892051系統(tǒng)程序框圖較為簡單，主要是根據(jù)用戶選卡內(nèi)余額是否充足，由主AT89S51芯片發(fā)送信號決定是否開門，再根據(jù)用戶選擇的投入門按鍵打開相應(yīng)的投入門，等待用戶投放垃圾完畢后再關(guān)閉投入門。

圖6 AT89C2051芯片

圖7 AT89S51系統(tǒng)主程序框圖

利用單片機(jī)來構(gòu)建垃圾分類計(jì)量設(shè)備的控制系統(tǒng)，其成本低廉、體積小巧、易于安裝，可以大規(guī)模推廣使用。

[1]李鐵軍，何永洪.基于單片機(jī)的IC卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī) 與 應(yīng) 用,2009,28(21)：19-21.

[2]寧波博達(dá)技術(shù)部.探究我國稱重傳感器的現(xiàn)場使用和調(diào)試[J].傳 感 器 專 刊,2007,36(B10)：45-48.

[3]高芳玲，滿慶豐，夏繼強(qiáng).地鐵AFC系統(tǒng)中的射頻卡讀寫器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(1)：57-60.