基于STC單片機的智能分類垃圾桶的設計

朱東南，陳育中

（南京高等職業技術學校，江蘇南京 210019）

0 引言

隨著城市的發展，人口的增加，消費水平逐步提高，同時伴隨著大量垃圾的產生，如果垃圾不能及時分類處理，城市就會受到被垃圾包圍的威脅。目前，不少城市已經推行垃圾分類，智能分類垃圾桶在垃圾分類工作中起到很重要的推動作用，經過垃圾分類投放、分類收集、分類運輸、分類處理等環節將有回收價值的垃圾進行回收再利用，變廢為寶。智能分類垃圾桶的使用不僅可以提高垃圾分類工作效率，還可以減少清潔工人的工作量。正確運用智能分類垃圾箱進行垃圾分類，是實現垃圾減量化和資源化的重要途徑和手段，是有效處置垃圾的科學管理方法[1]。

1 系統設計

文章基于STC8A8K64D4 單片機，設計一款符合現代需求的智能分類垃圾桶。能實現自動開蓋關蓋、語音播報、垃圾稱重、火源檢測、垃圾分類提示等功能。當超聲波傳感器檢測到自動開蓋障礙物信號，系統開啟語音播報并自動打開垃圾桶蓋。語音播報包含障礙物距離、垃圾當前溫度、垃圾重量、垃圾種類等信息。當檢測到垃圾當前溫度高于設置的報警溫度時或檢測到垃圾裝滿時，語音報警。當超聲波傳感器檢測不到障礙物信號時，關閉垃圾桶蓋。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 硬件設計

本系統的硬件電路主要有：電源電路、溫度檢測電路、紅外檢測電路、稱重感應電路、超聲波測距模塊、語音播報電路、電機驅動電路、動態顯示電路等。

2.1 單片機選擇

STC8A8K64D4 系列單片機是宏晶公司（STC）2021 年推出的寬電壓工作范圍的1T 單片機，該系列單片機工作電壓為1.9～5.5V，相比STC15系列增加了I2C、LCM 接口，所有IO 口均可中斷，增加了DMA 外設，且ADC 外設增加為3 個引腳（AVcc、Agnd、AVref）提高了采集精度[2]，單片機最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統

2.2 電源電路

系統中STC單片機的工作電壓為5V，因此采用三端穩壓器LM7805 將輸入9V 電壓轉變為5V。同時，稱重感應電路中的運算放大器需要±9V電源供電，所以采用一款電源管理芯片ICL7660S，它可以很方便地將輸入的正電壓轉變為對應的負電壓，電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.3 溫度檢測電路

NTC（Negative Temperature Coefficient）溫度傳感器的電阻隨溫度上升顯著減小、是具有負溫度系數特點的熱敏電阻器。它是以錳(Mn)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、銅(Cu)和鋁(Al)等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成。

熱敏電阻的阻值與溫度的關系是近似符合指數函數規律的，并可做出電阻-溫度特性曲線，阻值與溫度成一一對應的關系，利用NTC溫度傳感器熱敏電阻器的這一阻溫特性，可由測量電阻值而推算出溫度的高低[3]。

系統通過對單片機口P1.3 進行AD 采樣，計算出P1.3 管腳的電壓值，再根據電路原理換算成電阻值，再根據NTC 阻值溫度對應關系表，得出相應溫度值，溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

2.4 紅外檢測電路

紅外檢測電路主要用于檢測垃圾桶是否裝滿。電路主要由紅外傳感器和電壓比較器構成。調節RP101，使得紅外反射傳感器IR1 在沒有物體擋住時，U2 的1 腳輸出高電平；當紅外反射傳感器IR1前面有物體擋住時，U2 的1 腳輸出低電平，D101 被點亮，單片機查詢P1.2 管腳為低電平時，觸發語音播報“垃圾已滿”，紅外檢測電路如圖5所示。

圖5 紅外檢測電路

2.5 稱重感應電路

電阻應變式稱重傳感器基于以下原理：彈性體（彈性元件、敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成將外力變換為電信號的過程[4]。

系統通過對單片機口P1.4 進行AD 采樣，計算出P1.4 管腳的電壓值，并根據電壓值計算出相應重量，電路中RP601 為差分信號零電位校準，VP 電壓信號為增益校準。比如秤上放入50克砝碼，校準VP，使得VOUT 輸出信號為50mV。放入100 克砝碼時，VOUT會輸出100mV。稱重感應電路如圖6所示。

圖6 稱重感應電路

2.6 超聲波測距模塊

超聲波測距原理：通過超聲波發送探頭發送超聲波、途中遇到障礙物立即返回，根據超聲波接收探頭接收到超聲波的時間差，計算實際障礙物距離[5]。

系統是通過與超聲波測距模塊進行串口通訊獲取距離參數。超聲波測距模塊原理如下，單片機STC15W408S的管腳P3.7發送40 kHZ的脈沖信號，接收到的超聲波信號經過CX20106濾波及放大，轉換為單片機可識別的信號電壓，并送至單片機管腳P3.2，單片機根據P3.7發送及P3.2接收信號的時間差，計算出物體距離，超聲波測距模塊如圖7所示[6]。

圖7 超聲波測距模塊

2.7 語音播報電路

系統通過與語音模塊進行串口通訊實現語音播報功能。語音模塊所采用的主CPU 為KT404C，用戶通過電腦USB 口將語音文件下載進W25Q80 存儲器中，并形成相應播放序號，主板通過串口將要播放的序號傳入KT404C 芯片，KT404C 芯片根據序號，讀取相應語音文件，并通過功放芯片HAA2018 完成語音播報功能。

2.8 電機驅動電路

系統中開關垃圾桶蓋是通過電機正反轉來實現，電機驅動電路采用H 橋驅動電路[7]。當控制段M1 為低電平，M2為高電平時，三極管Q501和Q504導通，電機1 號腳接正電壓，電機2 號腳接地；當控制段M1 為高電平，M2為低電平時，三極管Q502和Q503導通，電機1號腳接地，電機2號腳接正電壓，從而實現電機正反轉控制。電機驅動電路如圖8所示。

圖8 電機驅動電路

3 軟件設計

本系統上電后，進行硬件相關初始化，然后進入循環執行程序和中斷執行程序。中斷程序主要進行串口的接收和發送，按鍵的識別。循環執行程序主要工作：進行管腳掃描，查看紅外是否觸發，若有則形成語音播報串口報文，交由中斷程序處理；讀取管腳P2.2、P2.3、P2.4、P2.5，判斷出垃圾類型；讀取AD 通道值，計算溫度和稱重值；根據串口讀取的超聲波模塊數據，得到障礙物距離測量值；根據中斷程序識別出的按鍵值，執行按鍵處理程序，進行語音播報、數碼顯示（溫度、距離、稱重、設置參數）、電機轉動等功能；根據系統運行狀態，點亮或熄滅指示燈。軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 軟件設計流程圖

4 結束語

本系統設計了一款基于STC 單片機的智能分類垃圾桶，實現了自動開關蓋、語音播報、垃圾稱重、火源檢測、垃圾分類提示等功能。在國家提倡發展循環經濟的背景下，該類型的智能分類垃圾桶對于推進資源節約集約循環利用，對保障國家資源安全，推動實現碳達峰、碳中和，促進生態文明建設具有十分重要的意義。