智能垃圾桶設(shè)計方案.doc

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1、 1、工作原理 整體架構(gòu)如圖1所示： 電平為高 電平高到低 電平為高 輸出放音地址 輸出出控制電平 提供+5v 單片機 STM32 電源 熱釋紅外傳感器 震動傳感器 紅外光PT2262 桶蓋控制部分 語音部分 圖1 作品系統(tǒng)架構(gòu)圖 程序分為3大塊：主程序為等待延時、定時中斷，熱釋紅外傳感器中斷。 工作原理： 當(dāng)人走到熱釋紅外傳感器的探測范圍內(nèi)，傳感器熱釋電元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)過hn911內(nèi)部電路處理將此信號轉(zhuǎn)換成電平變換，當(dāng)檢測到人時向單片機提供了一個低電平（下降沿），將此信號作為一個外

2、部中斷信號（在設(shè)計此方案的時候，我們還想到檢測的時候運用圖像處理法，他的優(yōu)點就能夠容易區(qū)分垃圾種類和準確是否是人，但其缺點是處理信息大，受到環(huán)境影響大，所以放棄）；震動傳感器是將垃圾桶的震動（被物體撞擊）或者重量變化轉(zhuǎn)變成電平信號，通過I/O口單片機可以查詢到此信號；當(dāng)PT2262/2272 是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片，其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，將垃圾的投入和垃圾桶是否滿轉(zhuǎn)變成電平信號，通過I/O口單片機可以查詢到此信號；單片機在進行初始化與設(shè)定定時時間后，就等待中斷信號，當(dāng)外部中斷端有信號時，單片機進入處理中斷，認為此時有

3、人來，通過查詢I/O信號，判斷是否打開垃圾桶蓋，當(dāng)垃圾桶未滿即PT2262/2272端無信號打開垃圾桶蓋（單片機控制電磁鐵通電，蓋打開），通過震動傳感器和PT2262/2272信號的綜合判斷此人是否是投垃圾的，與此同時單片機控制語音芯片發(fā)出一些幽默的話語，提示大家愛護環(huán)境，也給大家?guī)硪恍┛鞓贰Ｕ驗槭⑷簡纹瑱C有很方便休眠喚醒功能，在PA口加下降沿可是單片機喚醒，并且喚醒后執(zhí)行喚醒的嚇一跳指令，所以在長時間沒有人來投垃圾，單片機自動的將除HN911以外的電路電源關(guān)閉，之后單片機進入休眠，從而大大減少能源的浪費。做到了節(jié)能環(huán)保。當(dāng)有人來時，通過HN911電路部分將單片機喚醒，單片機將以前關(guān)閉電源

4、的電路從新通電進入正常工作狀態(tài)。 四、作品功能、特色 本作品節(jié)能環(huán)保，干凈衛(wèi)生，具有一定的娛樂性，運用廣泛，可適用于各種中高級辦公樓等公共場合，其原理也可運用至其他領(lǐng)域，如防盜作用等，具有很強的市場競爭力。 作品采用了HT46F49E作為主控單片機，以紅外傳感器、震動傳感器、語音芯片為主要模塊，主要特點如下： （1）節(jié)能環(huán)保。本作品有休眠喚醒功能，在長時間沒有人來投垃圾，單片機自動的將除紅外感應(yīng)以外的電路電源關(guān)閉，之后單片機進入休眠，從而大大減少能源的浪費；做到了節(jié)能環(huán)保。當(dāng)有人來時，又通過該電路部分將單片機喚醒，單片機將以前關(guān)閉電源的電路從新通電進入正常工作狀態(tài)。 （2）干凈衛(wèi)生。

5、智能垃圾桶順應(yīng)了現(xiàn)代社會的追求，突破了傳統(tǒng)帶蓋垃圾桶用手或腳開蓋的思維屏障，感應(yīng)開、關(guān)桶蓋讓人們在丟時少了份擔(dān)心，減少了生活中各種病菌交叉感染的機率。同時具有良好的密封性好，無垃圾異味溢出，確保四週空氣清新。 （3）娛樂性。本作品的語音系統(tǒng)會根據(jù)不同情況發(fā)出一些幽默詼諧的話語，娛樂大眾的同時也吸引人們有意識地將垃圾丟進桶內(nèi)，更能吸引小孩去撿垃圾往里丟，從而使人們養(yǎng)成不亂扔垃圾的好習(xí)慣，讓我們周圍的環(huán)境更加美麗。 　　（4）運用廣泛。本作品可有多種色彩、多種容量、多種材料選擇，提升了公共場合及居家檔次，滿足了人們崇尚人性和時尚，不斷塑造個性和魅力的生活品味；是辦公、家用、公用、會議、醫(yī)療等使

6、用的理想選擇。 五、 作品結(jié)構(gòu) (一) 硬件部分 硬件電路部份包括：電源電路模塊HT46F49E芯片控制中心模塊；信號檢測電路模塊；控制電路模塊與語音電路模塊四部份。分別說明如下: Mod_1模塊：電源電路模塊實現(xiàn)給HT46F49E單片機供電功能。 Mod_2模塊：使用HT46F49E芯片，建立基本輸入輸出模型。實現(xiàn)與Mod_3模塊的串行通信功能，以及實現(xiàn)基本控制功能。 Mod_3模塊：信號檢測電路模塊是由各插孔的檢測電路分別與各個用電器相串聯(lián)組成，實現(xiàn)外部信號的檢測。 ①熱式紅外傳感器模塊實現(xiàn)對外部紅外熱源的檢測。 ②震動傳感器模塊實現(xiàn)對外部重量和形變的檢測。 ③紅外光傳感

7、器模塊在Mod_2模塊中HT46F49E的控制下對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收。 Mod_4模塊： ①控制電路模塊用一個電磁鐵實現(xiàn)桶蓋的打開與關(guān)閉。 ②語音電路模塊主要用編程實現(xiàn)智能垃圾桶的提醒功能及播報功能。 1、Mod_1模塊解析： 電源電路是由變壓器、橋式整流電路、集成器7085及一些電容所組成。家用電器使用的220v交流電壓通過變壓器降壓、橋式整流電路整流后，再通過7805集成器將電壓穩(wěn)定成為5v的直流電壓，給單片機HT46R23供電。為了解決電信號中的干擾問題，我們在集成器7085的兩邊并接電容用以濾波。電路圖如下所示： 圖2 電源模塊電路圖 2、M

8、od_2模塊解析： 圖3 HT46F49E單片機引腳功能表 工作電壓： fSYS=4MHz：2.2V ~5.5V fSYS=8MHz：3.3V~5.5V fSYS=12MHz：4.5V~5.5V ? 13 到23 個雙向輸入/輸出口 ? 與輸入/輸出口共用引腳的外部中斷輸入 ? 8 位可編程定時/計數(shù)器，具有溢出中斷和7 級預(yù)分頻器 ? 內(nèi)置晶體和RC 振蕩驅(qū)動電路 ? 看門狗定時器 ? 具有PFD 功能，可以用來發(fā)聲 ? 暫停和喚醒功能可降低功耗 ? 在VDD =5V，系統(tǒng)頻率為48MHz 時，指令周期為0.5μs 在本作品的開發(fā)設(shè)計過程中，HT46F4

9、9E單片機采用5V穩(wěn)壓電源供電。工作在48MHz時鐘頻率。由于采用RISC 結(jié)構(gòu)，此系列單片機具有高運算速度和高性能的特性有了集成的A/D 和PWM 功能的優(yōu)勢，再加上低功耗、高性能、靈活控制的輸入/輸出和低成本等特性。 3、Mod_2模塊解析： 信號檢測電路部分分為三大塊：熱式紅外傳感器、震動傳感器、紅外光傳感器。 （1）熱式紅外傳感器模塊 ①這種探頭是以探測人體輻射為目標的。所以熱釋電元件對波長為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。 ②為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。 ③被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相

10、串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。 ④一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而報警。 ⑤菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。 　　 　　HN911型熱釋電紅外探頭模塊的內(nèi)部電路框圖 如圖所示。 圖4 HN911型熱釋電紅外探頭模塊以及內(nèi)部電路框圖 　 平時①端輸出低電平，②端輸出高電平。當(dāng)

11、有移動發(fā)熱體迸太監(jiān)視范圍時，熱釋電紅外傳感器接收到紅外能量，并輸出檢測信號。該信號經(jīng)放大器放大后，由比較器進行比較判斷，再由信號處理電路處理后輸出控制信號。此時輸出端①變?yōu)楦唠娖剑敵龆刷谧優(yōu)榈碗娖?。在模塊的外部可接增益調(diào)節(jié)電位器，以調(diào)節(jié)放大器的增益。 HN911型熱釋電紅外探買模塊的主要特性參數(shù)見表。 表:HN911型熱釋電紅外探頭模塊主要特性參數(shù) 注：根據(jù)傳感器視場和靈敏度經(jīng)過試驗確定傳感器放置角度來合理確定監(jiān)控距離. 濾光片 人體發(fā)出的紅外線波長10um左右，將濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片。濾光片為6um多層膜干涉濾光片，這種對太陽光和熒光燈的

12、短波（約為5um一下）具有高的反射作用，而對6um以上的人體發(fā)出的紅外熱源（10um）有高的穿透性，其光譜特性。 如圖所示： 圖5 放大電路 放大電路為單片機提供一個中斷信號，單片機進入處理“是否丟垃圾程序流程圖”。 （2）震動傳感器 此模塊運用應(yīng)變器對重量和形變非常敏感，加上一個差動橋，大大提高了靈敏度在經(jīng)過A/D將其轉(zhuǎn)換為電平信號。下面介紹： 薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 圖6薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上或藍寶石上制成的（上圖所示）。它通過改變真空沉積時襯底的溫度來控制沉積層電阻率

13、的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適于不同試件材料的溫度自補償薄膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點，并避免了它的缺點，是一種較理想的應(yīng)變片。 差動電橋 應(yīng)變片、薄膜和厚膜應(yīng)變片傳感器一般采用惠斯通電橋?；菟雇姌?qū)?yīng)變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)換為差分電壓如圖1所示。+Exc和-Exc終端加上激勵電壓后，+VOUT和-VOUT終端上出現(xiàn)與應(yīng)變成正比的差分電壓。 圖7 惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片 　 全橋電路時單臂靈敏度的四倍.為了提高其靈敏度采用全橋電路.將應(yīng)變片貼在垃圾桶的內(nèi)側(cè)面，利用全橋電路靈敏度高的特點測量垃圾桶震動幅度.并轉(zhuǎn)換成

14、電壓接入單片機分析。 （3）紅外光傳感器 PT2262/2272 是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無線遙控發(fā)射/接收芯片。 圖8紅外光傳感器 PT2262-IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有“1”、“0”和“開路”三種狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入有“1”和“0”兩種狀態(tài)。由各地址、數(shù)據(jù)的不同接腳狀態(tài)決定，編碼從輸出端Dout 輸出，通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。其編碼時序波形如圖2 所示。Dout 輸出的編碼信號是調(diào)制在38kHz載波上的，OSC1、OSC2 外接的電阻決定載頻頻率，一般電阻可在430k—470k 之間選擇即可。PT2272 的暫存功能是指當(dāng)發(fā)射信號消失時，PT2272

15、的對應(yīng)數(shù)據(jù)輸出位即變?yōu)榈碗娖?。而鎖存功能是指，當(dāng)發(fā)射信號消失時，PT2272 的數(shù)據(jù)輸出端仍保持原來的狀態(tài)，直到下次接收到新的信號輸入。圖3 是紅外發(fā)射和接收的典型應(yīng)用原理圖，為了能正確解調(diào)出調(diào)制的編碼信號，接收端需加一級前置放大級，保證輸入PT2272 的信號幅度足夠大。PT2272 各輸出端通過各種接口即可控制相應(yīng)的負載。PT2262/2272 是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片。其中發(fā)射芯片PT2262-IR將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)射電路變得非常簡潔。 接收芯片PT2272 的數(shù)據(jù)輸出位根據(jù)其后綴不同而不同，數(shù)據(jù)輸出具有“暫存”和“鎖存”兩種方式，

16、方便用戶使用。后綴為“M”為“暫存型”，后綴為“L”為“鎖存型”。 因此可以用這一對芯片外加輔助電路對垃圾進行檢測.將其輸出（電壓）放大調(diào)節(jié)接入單片機。 4、Mod_4模塊解析： （1）控制電路模塊 此模塊主要采用電磁鐵來控制垃圾桶蓋的打開與關(guān)閉。本作品中選用拍合式電磁鐵，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖9 拍合式電磁鐵結(jié)構(gòu)圖 線圈1套在鐵心2上，兩者固定不動，銜鐵3是運動部分。當(dāng)線圈部分通過一定值電流過后，在鐵心、銜鐵、氣隙中間就產(chǎn)生一定數(shù)量的磁通。圖中虛線所示為磁通流過的路徑。在磁通的作用下，產(chǎn)生一定大小的電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心，企圖是氣隙4減到最小。圖中箭頭表示銜鐵吸引時運動的方向

17、。當(dāng)線圈中電流停止后，電磁吸力就消失。 當(dāng)電磁鐵通電后，產(chǎn)生電磁吸力，再運用杠桿原理使桶蓋打開；當(dāng)電磁鐵斷電后，電磁吸力消失，此時垃圾桶蓋由于重力作用關(guān)閉。 （2）語音電路模塊 ISD25120 有10 個地址輸入端A0～A9，錄址能力可達1024 位，地址空間 0～1023。其分配情況是：地址0～299作為分段用，地址600～767 未使用， 址768～1023 為工作模式選擇（即A8、A9 均為高）。ISD25120的地址線有兩 用途，一是作為工作模式控制，二是作為分段錄放音的起始段地址。當(dāng)最高位 地址（MSB）A8、A9 都為高電平時（即地址768～1023），地址

18、端A0～A6 就作 為工作模式選擇端M0～M6，對應(yīng)7 種工作模式。當(dāng)A8、A9 任一位為低或都為 低時（即地址0～599），只要在分段錄/放音操作前（不少于300ns）給地址A0～A9 賦值，操作就從該地址開始。AUX IN輔助輸入，VSSD、VSSA數(shù)字地和模擬地，SP+、SP-揚聲器輸出，VCCA模擬信號電源正極， MIC、MIC REF 麥克風(fēng)輸入端和輸入?yún)⒖级耍珹GC自動增益控制， ANA IN、ANA OUT 模擬信號輸入和輸出， OUF 溢出，CE 片選（低電平允許芯片工作），PD 芯片低功耗狀態(tài)控制， EOM 錄放音結(jié)束信號輸出 結(jié)構(gòu)圖和電路圖如下：

19、 圖10語音電路模塊 (二) 軟件部分 程序流程圖： 主程序為等待延時（圖4）、定時中斷（圖5），熱釋紅外傳感器中斷（圖6）。 圖5定時中斷 （節(jié)能程序流程圖） 關(guān)閉電磁鐵電源 關(guān)閉語音芯片 關(guān)閉震動傳感器 關(guān)閉紅外光傳感器 單片機進入休眠 中斷返回 定時中斷入口 圖4 主程序為等待延時 （主程序流程圖） 開始 初始化 等待中斷 設(shè)定定時/計數(shù)器工作方式工作方式 設(shè)定定時器初值 Y N Y N Y N N N Y 熱釋紅外傳感器中斷入口 初始化 啟用垃圾桶蓋（打開） PA.0=1?(垃圾是否投入) 啟用語音段1 延時 PA.1=1?(判斷是否是丟垃圾的) PA.0=1? 檢測垃圾桶滿了嗎？ 啟動語音段5 啟用語音段2 延時 延時 啟用語段3 延時 計數(shù)A A=0? 語音段4 清A 延時 關(guān)閉桶蓋 中斷返回 圖6 熱釋紅外傳感器中斷（判斷是否為丟垃圾程序流程圖） 開啟電磁鐵、語音芯片、震動傳感器、紅外光傳感器電源 注： 1、PA.0口為紅外光PT2262信號輸入口。 2、PA.1為震動傳感器信號輸入口。 3、A是一個表示狀態(tài)的位，在垃圾被投入時置1。 - 15 -