基于STM32 的智能垃圾桶系統(tǒng)＊

郭昌鑫，鄭祺文，梁鈺明，巫坤鋌，周宇媚，周衛(wèi)星

（1.廣州理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510540；2.廣州棒谷科技股份有限公司，廣東 廣州 510435）

1 引言

目前，隨著智能垃圾桶制造行業(yè)的不斷發(fā)展與成熟，其系統(tǒng)一般具備自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋、裝滿自動(dòng)報(bào)警、智能語(yǔ)音提示等功能。自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋功能的實(shí)現(xiàn)一般是由人體靠近時(shí)垃圾桶感應(yīng)到并由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋子開(kāi)關(guān)，常見(jiàn)的人體靠近感應(yīng)方式有聲音傳感器感應(yīng)、超聲波測(cè)距感應(yīng)、紅外避障感應(yīng)以及人體紅外感應(yīng)等。

本設(shè)計(jì)主要以STM32 系列單片機(jī)作為微控制器，采用人體紅外傳感器作為人體檢測(cè)部件，外加超聲波測(cè)距模塊輔助感應(yīng)，當(dāng)人體經(jīng)過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線經(jīng)人體紅外傳感器檢測(cè)后自動(dòng)開(kāi)蓋并維持一段時(shí)間，人離開(kāi)后自動(dòng)關(guān)蓋，系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)檢測(cè)桶內(nèi)垃圾高度、煙霧傳感器檢測(cè)毒氣、負(fù)離子發(fā)生器清除異味等功能。

2 智能垃圾桶的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 步進(jìn)電機(jī)

本系統(tǒng)采用的是五線四相的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)一般包括三部分：控制器、驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)主體。其控制器為STM32 主控芯片，負(fù)責(zé)產(chǎn)生所需的速度輪廓；驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)將脈沖信號(hào)放大為可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的繞組電流（主控芯片的電流驅(qū)動(dòng)能力弱，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)），而脈沖信號(hào)主要是通過(guò)單片機(jī)或者CPU 產(chǎn)生，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高占空比越大，一般脈沖信號(hào)占空比為0.4 左右[1]；步進(jìn)電機(jī)主體負(fù)責(zé)產(chǎn)生磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)蓋子打開(kāi)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度則由脈沖的頻率所決定，頻率越快則轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越快，但是當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率過(guò)快時(shí)步進(jìn)電機(jī)會(huì)失步或丟步，即轉(zhuǎn)的角度不夠，或者原地不動(dòng)。

2.1.2 人體紅外感應(yīng)模塊

人體紅外感應(yīng)模塊是控制裝置的核心部件，主要功能是采集室內(nèi)人體紅外對(duì)象的活動(dòng)情況[2]，它是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，其靈敏度高、功耗低，當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍時(shí)則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。正常情況下，人體能夠發(fā)出波長(zhǎng)約為10 μm 的紅外線。這種人發(fā)出的紅外線首先經(jīng)過(guò)紅外感應(yīng)元件的菲尼爾濾光片，由濾光片對(duì)紅外線信號(hào)實(shí)施增強(qiáng)，然后將增強(qiáng)信號(hào)聚集至能夠感應(yīng)紅外線的感應(yīng)源上[3]，當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍后將電平變化信號(hào)傳送給單片機(jī)后打開(kāi)蓋子。

2.1.3 超聲波模塊

作為輔助蓋子維持開(kāi)啟狀態(tài)的模塊，防止在丟垃圾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成人體紅外傳感器誤判，提前由高電平變成低電平而蓋子突然關(guān)閉。啟動(dòng)該模塊時(shí)只需提供一個(gè)10 μs 以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8 個(gè)40 kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到右回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。

2.1.4 電源模塊

供電模塊原理如圖1 所示，由于本系統(tǒng)的硬件部分由三個(gè)電壓等級(jí)的電源供電，即提供3.3 V 電壓給主控芯片、5 V電壓給傳感器、12 V 電壓給步進(jìn)電機(jī)使用。其中供電系統(tǒng)的輸入電壓是12 V，由三節(jié)可循環(huán)充電的18650 鋰電池串聯(lián)后提供，而3.3 V 和5 V 電壓由LM25965 穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓而得。

2.2 軟件主要組成部分

2.2.1 紅外避障程序

當(dāng)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，傳感器輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑虼耍谡](méi)有檢測(cè)到障礙物的情況下，為高電平，其掃描程序框圖如圖2 所示。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)輸出低電平，此時(shí)打開(kāi)蜂鳴器報(bào)警提示，直至低電平變?yōu)楦唠娖胶螅P(guān)閉報(bào)警（該掃描函數(shù)在蓋上蓋子后才被調(diào)用）。

圖1 供電模塊原理圖

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)程序

步進(jìn)電機(jī)的掃描程序框圖如圖3 所示。掃描函數(shù)主要內(nèi)容是控制電機(jī)的正逆旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)角度大小。對(duì)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制，可通過(guò)編寫正反轉(zhuǎn)碼來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，其涉及到數(shù)字電路的循環(huán)碼，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)還需要配置兩個(gè)相應(yīng)的定時(shí)器（一個(gè)定時(shí)1 ms，另一個(gè)用于產(chǎn)生脈沖）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將定時(shí)1 ms 的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為0 級(jí)，用于發(fā)脈沖的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1 級(jí)，即用于定時(shí)1 ms 的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)高于用于產(chǎn)生脈沖定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)，則會(huì)出現(xiàn)輸出脈沖間斷且丟脈沖的現(xiàn)象，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)產(chǎn)生抖動(dòng)且定位不準(zhǔn)[4]。

圖2 紅外避障掃描程序框圖

圖3 步進(jìn)電機(jī)掃描程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，首先制定一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試方案，先是軟件調(diào)試：即先對(duì)本系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，包括對(duì)各個(gè)模塊的軟件部分的參數(shù)調(diào)試與參數(shù)分析，其次是將所有調(diào)試完的模塊進(jìn)行軟件部分的整合，再進(jìn)行整體的功能調(diào)試和參數(shù)的改進(jìn)。

其次是對(duì)硬件連接：根據(jù)各模塊的大小和特定的安裝位置，如紅外避障傳感器要安裝在垃圾桶蓋的內(nèi)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器與障礙物的距離檢測(cè)，然后對(duì)電路進(jìn)行整體布局，包括各元器件的擺放位置，特別注意的是，不同模塊的所需要的電壓是不同的，比如主控芯片需要3.3 V 電壓供電；步進(jìn)電機(jī)的輸入電壓不能過(guò)低，剛開(kāi)始調(diào)試時(shí)只給了3.3 V，隨后電機(jī)的旋轉(zhuǎn)不正常，且當(dāng)三節(jié)電池的剩余電量不足時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)能力出現(xiàn)不足的情況，導(dǎo)致無(wú)法正常開(kāi)蓋。智能垃圾桶實(shí)物如圖4 所示。

圖4 智能垃圾桶實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于STM32 單片機(jī)的智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，系統(tǒng)以高性能STM32 主控芯片、人體紅外感應(yīng)模塊、步進(jìn)電機(jī)等核心部件實(shí)現(xiàn)了垃圾桶自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋、滿桶報(bào)警和毒氣報(bào)警等功能。最開(kāi)始篩選了幾款不一樣的單片機(jī)作為主控芯片，但經(jīng)過(guò)對(duì)比之后，最終確定了使用功能強(qiáng)大的STM32 為主控芯片。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該智能垃圾桶的反應(yīng)速度快、系統(tǒng)的誤差較低、功能穩(wěn)定，具有一定的利用價(jià)值，在今后還可對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行完善和改進(jìn)，比如垃圾自動(dòng)分類和自動(dòng)倒垃圾的功能，這將對(duì)人們生活環(huán)境的保護(hù)具有一定的價(jià)值和意義。