智能循跡吸塵式垃圾桶系統的設計

陳朝詩　王艷玲

摘 要：本設計以STM32單片機為主控制器，設計了一款具有自動吸塵功能的智能垃圾桶，主要包括循跡避障模塊、電機驅動模塊、紅外感應模塊、藍牙通信模塊、超聲波測距模塊、電源開關控制模塊等，結合吸塵裝置進行設計，不僅可以在人們丟垃圾時自動打開垃圾桶蓋，而且可以在復雜的辦公場所中進行循跡避障吸塵工作，通過藍牙無線控制其運行。在使用中可很好地提高辦公區域的智能程度，具有很好的開發價值和實用價值。

關鍵詞：STM32單片機；循跡避障；藍牙；吸塵式垃圾桶

目前，在企業的辦公場所的保潔工作主要依靠清潔人員來完成，而且清潔人員主要工作是清理地面的紙屑和灰塵，用到的工具無非就是吸塵器。如果把辦公場所一定使用到的垃圾桶和吸塵器結合在一起，進行智能化改進，讓它不但可以作為平常的垃圾桶使用，還可以代替清潔人員進行吸塵工作，不僅提高工具的利用率，還能降低人力，對于企業來說，這能很有效地降低人工費支出。再從市場分析，在當前出現很少有一款有這樣兩用的智能垃圾桶，而且在成本上，本作品的成本相對低廉，更符合辦公場所的建設要求，所以應該有著很大的市場。

一、設計方案

本項目在設計思路上分為兩條線路，一條是循跡避障和吸塵控制，一條是紅外感應加步進電機驅動、灰塵盒及垃圾桶的檢測系統和藍牙無線控制，底座部分是由第一條線路設計的，上面部分是由第二條線路設計的，兩條線路通過藍牙控制連接。

在MCU選擇方面采用了STM32系列的芯片，它的性能較51系列芯片更強大，滿足項目對主控芯片的性能要求。具體的功能方案實現是：①通過藍牙控制或者直接手動按鍵控制垃圾桶進行的循跡吸塵工作，通過循跡模塊識別黑線進行循跡，通過避障模塊在循跡的時候進行有效地避開線路上的障礙物，避障之后返回到原路線繼續運行，吸塵器的工作與電機轉動同步；②通過紅外感應模塊識別人體，實現人們在丟垃圾時自動打開垃圾蓋，通過超聲波模塊和指示燈檢測垃圾容量和灰塵容量并提示。

圖1 系統框架圖

循跡和避障功能根據實際的辦公地形進行分析，考慮到各種問題存在的可能，通過算法在程序中實現更好的循跡避障，而且還配有警報設計，如果遇到無法避開的情況可警報提醒。吸塵系統可控，輸入功率較低，吸塵效果設計到最佳。上面部分的紅外感應翻蓋要滿足正常的丟垃圾行為，需要調整最佳的紅外感應時間和步進電機的轉動速度，并進行抗外部干擾處理，實現功能的精準性。在供應電源方面，采用可充電的移動鋰電池，輸出功率完全滿足整個垃圾桶系統的供電要求，并且有足夠的續航能力。具體的系統框架如圖1。

二、硬件設計

（一）主控芯片

本項目采用的單片機是ST公司的STM32單片機，采用的型號是STM32f103c8t6，是一款有著64K字節的閃存、48個I/O口、2個12位ADC、7個定時器、9個通信接口以及工作頻率可達到72MHz的單片機，該單片機的功能比較強大，在成本上相對其他型號的單片機更低點，而且完全滿足項目要求，適合本項目的使用。

（二）驅動模塊

驅動采用的是12v直流電機，它的負載能力為60KG，滿足垃圾重量要求，采用L298N電機驅動模塊，L298N芯片具有驅動能力強、發熱量低、抗干擾能力強的特點。

（三）傳感器模塊

本項目采用的傳感器有US-016超聲波、TCRT5000循跡模塊、E18-D80NK紅外光電開關、HC-05藍牙模塊等。US-016超聲波具有很高的識別精度，識別范圍為2cm-300cm，精度達到0.3cm +1%，在項目中采用兩個超聲波模塊加兩組指示燈來用于檢測垃圾容量和灰塵容量并進行提示。TCRT5000循跡模塊的信號處理干凈，檢測反射距離最小為1mm，可很好地用于短距離識別，項目中用5個TCRT5000循跡模塊進行循跡工作，提高精確度。E18-D80NK紅外光電開關識別距離較長、抗干擾能力較強，5v供電，因為用于垃圾桶循跡中的避障，所以運用到6個紅外開關，前面兩個，兩側各有兩個，實現有效避障。HC-05藍牙模塊用于通過手機無線控制垃圾桶循跡吸塵工作的啟動及停止，方便人們使用。

三、軟件設計

（一）循跡避障算法設計

本項目實物底座的循跡避障模塊分布圖如圖2所示：

中間為5個循跡模塊，實現循跡功能，HW_L、HW_M、HW_R、HW_L_B、HW_R_B分別代表左、中、右、左后、右后的循跡模塊。

垃圾桶運行到終點停止是根據一條橫著的黑線進行識別實現，程序的前面有一個直行兩秒的設置，在垃圾桶啟動吸塵循跡工作前先通過這條停止線，再進行循跡避障的功能。

兩邊為避障模塊，實現循跡工作中的避障功能，BZ_L、BZ_L_S、BZ_L_B、BZ_R、BZ_R_S、BZ_R_B分別代表左前、左邊、左后、右前、右邊、右后的紅外開關，前面兩個紅外開關觸發距離設定為40cm，兩側的四個紅外開關觸發距離設定為25cm，最低限度地降低可能存在的誤判問題。

（二）檢測模塊的算法設計

在本項目采用超聲波模塊進行垃圾容量和灰塵容量的檢測，通過綠、黃、紅指示燈提示，在程序中通過AD轉化讀取超聲波檢測到的距離值，根據距離值進行判斷容量，表1為具體算法（可根據不同垃圾桶大小設定，本項目用的是小型垃圾桶）。

四、結束語

本項目是主要定位于辦公場所，以及娛樂場所、會議場所等，目的是提高日常生活用具的智能化，解放勞動力，降低成本。垃圾桶結合吸塵器是一個很好的設計思路，而且設計出的產品很有市場競爭性，本項目也已經實現構思的功能，只是目前還處于前期研發階段，后期繼續改進，提高穩定性，即可實現產品化。

參考文獻：

[1]王苑增.基于ARM Cortex – M3的STM32微控制器實戰教程[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]胡躍明.吸塵器機器人的研究現狀和展望[J].計算機測量與控制，2002.

[3]朱勇.基于超聲波傳感器測距的沿邊走吸塵器路徑規劃算法[J].機器人技術與應用，2002.

[4]吳海彬，朱世強，馬翔.自主吸塵機器人在非結構性環境下的避障與路徑規劃[J].機器人，2000.

作者簡介：陳朝詩（1995—），男，廣東湛江人，本科。

王艷玲（1982—），女，山東淄博人，碩士，副教授，主要研究方向：自動控制。

注：本文系齊魯理工學院大學生創新創業項目“基于單片機的智能垃圾桶”階段性研究成果，項目編號201713998008。

（通訊作者：王艷玲）