基于3D打印的智能垃圾回收裝置的設計

袁必康 王旭 張晨旭 施凱敏 徐志偉

摘? 要：基于3D打印的智能垃圾回收裝置是一種智能家居，主要由紅外感應用戶、單片機控制、電機和3D打印技術構成。通過裝置上層紅外感應重復掃描用戶，傳遞信號給單片機，單片機控制電機，打開裝置，還另有紅外指示燈提示用戶處理垃圾，3D打印進行獨立、自由設計，為用戶帶來更加舒適的使用體驗。整個系統的制作簡便、價格便宜，為用戶使用垃圾回收裝置的新型體驗。

關鍵詞：智能垃圾回收裝置;3D打印;紅外傳感器;單片機系統

中圖分類號：TH164;TP23? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0178-03

Abstract：The intelligent garbage collection device based on 3D printing is a smart home，which is mainly composed of infrared sensing users，MCU control，motor and 3D printing technology. Through the infrared induction of the upper layer of the device to repeatedly scan the user，transmit the signal to the single-chip microcomputer，the single-chip microcomputer controls the motor，turns on the device，there is also an infrared indicator lamp to prompt the user to deal with the garbage，3D printing is designed independently and freely，which brings the user a more comfortable use experience. The whole system is easy to make and cheap，which provides users with a new experience of using garbage collection device.

Keywords：intelligent garbage collection device;3D printing;infrared sensor;single chip microcomputer system

0? 引? 言

3D打印技術自19世紀提出以來，歷經百年發展，被應用于醫學等領域。本項目融入3D打印技術，旨在應用技術減少和制作成本的降低。隨著科技不斷進步，普通垃圾回收裝置已不能滿足用戶對于垃圾回收裝置功能上的需求。項目成員查找相關垃圾回收裝置的資料，并深入調研探究，發現人們對于智能垃圾回收裝置還有很大的需求空間。所以本項目旨在制作出具有智能化的垃圾回收裝置，改善大眾周圍的生活環境，提高人民生活水平。

1? 系統總體構成

系統總體設計框圖如圖1所示。

該系統主要以紅外傳感器為主，單片機為核心。紅外感應模塊從外界感知用戶，提供服務。步進電機是垃圾回收裝置開合的關鍵，控制頂蓋的開啟角度和開啟速度，并自動關閉。紅外報警模塊用來檢測垃圾量，提示用戶清理垃圾，垃圾預警采用LED燈顯示。

2? 系統的硬件設計

2.1? 單片機電路設計

STC89C52RC是一種低功耗的微控制器，內有程序儲存器和數據處理器，定時器采用全雙工串行口。單片機程序采用C語言編寫，Keil進行燒錄，完成相關的功能。

2.1.1? 單片機復位電路

復位電路一般分為上電復位和按鍵復位。項目中的按鍵手動復位是利用紅外感應模塊高電平輸出，VCC電源經復位鍵與單片機的RST的引腳相連。其主要功能就是在產品運行出錯時，可以按下按鍵，進行手動復位。

2.1.2? 單片機時鐘電路

單片機時鐘系統設計圖如圖2所示。

單片機的時鐘信號由外部晶振和電容構成，通過XTAL1和XTAL2引腳進行接入。

2.2? 紅外感應模塊

紅外感應模塊是主要輸入模塊，本項目采用HC-SR501模塊進行紅外感應。主要功能參數如下：工作電壓為直流電壓，模塊供電為蓄電池。HC-SR501紅外模塊主要是將電平傳輸給單片機。紅外裝置的觸發方式有兩種，一種是可重復觸發，另一種是不可重復觸發。不可重復觸發原理是用戶靠近，感應后輸出電平，通過模塊自身的時間延遲，實現智能垃圾回收裝置打開并延遲一段時間后關閉，沒有辦法進行長時間的延遲，實用性能不強。項目基于實際的使用考察發現，只有任意控制開合時間使用才會比較方便，故采用重復觸發。

HC-SR501模塊延時時間可以實現在0.5 s～200.0 s可調，這樣可確保在智能垃圾回收裝置實現開合時做到可調控。感應區域為角度100°的錐形區域，項目將頂層布滿紅外感應，提高反應的靈敏度。

2.3? 步進電機

步進電機的電路主要組成是驅動電路和四項電機。加入驅動模塊的主要原因是，單片機無法直接驅動四項電機，項目采用ULN2003為核心，為電機提供相應的脈沖信號。四項電機的工作模式通過驅動電路提供的脈沖量，控制電機的轉動角度，輸出的轉動角度與輸入的脈沖量成正比。

2.4? 紅外報警模塊

該項目采用的紅外報警器的原理是，正常工作下的二極管，產生紅外線，通過紅外裝置，向外發射平行的光線。光信號被接收器接收后，由接收器將其轉換成電信號，經過單片機點亮LED燈。所以在該項目中需要包括三個基本的模塊：紅外發送電路、紅外接收電路、報警電路。

2.4.1? 紅外發送電路的設計

P10為單片機的P1.0口，低電平有效。當P1.0=0時，有紅外發送，反之沒有紅外發送。紅外發送電路設計圖如圖3所示。

2.4.2? 紅外接收電路的設計

P11為單片機的P1.1口，低電平有效。當P1.1=0時，表示接收到了紅外，反之沒有接收到紅外。紅外接收電路設計圖如圖4所示。

2.4.3? 報警電路的設計

報警電路我們通過一個LED燈來顯示，不同的顏色表示不同的狀態。通過可視化的二極管對垃圾回收裝置進行實時的了解和控制。

3? 系統軟件設計

3.1? 主程序的設計

本系統代碼的設計思路是：系統上電啟動后，進行初始化，通過紅外感應模塊進行檢測，判斷紅外檢測模塊的檢測范圍內是否有用戶使用，紅外模塊檢測到之后輸出電壓，單片機檢測到之后控制步進電機，進行垃圾回收裝置的開合。延遲5 s后，產品紅外感應模塊進行檢測，檢測到用戶沒有離開，裝置保持開啟狀態，若檢測到用戶離開檢測區域，垃圾回收裝置會自動關閉。垃圾報警裝置通過紅外檢測，紅外檢測器檢測到之后，輸出信號給單片機，然后單片機控制LED燈進行提示，用戶通過LED燈顏色的不同，來進行垃圾的后續處理。如圖5主系統的流程框圖所示。

3.2? 自動開合程序設計

本項目采用的是四項五線的步進電機和以ULN2003為核心設計的驅動電路。步進電機是將脈沖信號變為角位移或是線位移的開環控制電機。該電機的精度為步進角的3%～5%，力矩隨轉速的升高而下降，低速時能夠正常運行。加入驅動模塊后，若沒有檢測到驅動信號，步進電機保持靜止;若檢測到適應的驅動信號，就會以相應角度進行轉動，轉動的速度和脈沖的頻率成正比。如果檢測到有用戶丟垃圾，紅外感應模塊產生信號給單片機，單片機給予驅動電路信號，最后電機轉動，垃圾回收裝置開啟，開啟之后延遲5 s，檢測之后再進行判斷。紅外檢測流程框圖如圖6所示。

3.3? 紅外報警程序設計

本項目中在設計紅外報警一共有三個位置，分別為垃圾回收裝置的50%、75%、100%。只要檢測不到紅外信號，垃圾回收裝置的頂端會有燈電亮，不同位置燈不同，其余兩個燈也會相應地熄滅。通過燈的指示，為用戶提供一個倒垃圾的警告。

4? 組裝和調試

在硬件電路的設計和搭建之后，軟件進行編程和調試，3D打印外觀設計與安裝。通過產品最終的運行情況進行調試，檢測是否達到預定的目標，調試中會有諸如以下的幾個問題：代碼的邏輯錯誤、硬件電路連接穩定等。在以后的調解中，詳細地記錄并進行后期的討論和解決。

4.1? 系統硬件調試

使用臺式萬用表檢測焊點的牢固性以及電路是否導通，這是第一階段的檢測。第二步就是通過數字雙蹤示波器測試輸出波形的正確性，可以檢測模塊是否能夠使用。

4.2? 系統軟件調試

單片機代碼通過Keil軟件進行檢測，錯誤會進行提示，需要進行通過修改程序來改正錯誤。如未檢測到錯誤，下載到單片機進行測試，如有問題再進行修改。

4.3? 3D打印垃圾桶外殼

3D打印技術是通過計算機進行設計，將模型的整體結構和相應的外觀設計，然后軟件將其切片進行，最后打印機通過熱熔粘合材料進行堆積，制造出完美的產品。本項目利用SolidWorks軟件對我們所構想的形狀進行建模，我們選擇了圓柱形，方便耐用。把紅外感應模塊設計在頂部，使反應速度更加敏捷。3D模型設計圖如圖7所示。

5? 結? 論

本裝置利用紅外感應、單片機和3D打印技術，為用戶打造了一個可以智能控制的垃圾回收裝置，紅外感應不斷地反復掃描外界用戶，掃描后單片機驅動電機打開垃圾桶蓋，這就是完整的系統。紅外感應燈給用戶指示，為用戶的清理提供警告，能夠更好地保持衛生。3D打印的融入為用戶提供了更加滿意的產品。這一產品為用戶提供了一個更加好的垃圾回收裝置，為生活帶來便捷。

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