智能垃圾桶設(shè)計(jì)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(jī) STM32 電源 熱釋紅外傳感器 震動(dòng)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?yàn)榈却訒r(shí)、定時(shí)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(shí)就會(huì)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(shí)向單片機(jī)提供了一個(gè)低電平（下降沿），將此信號作為一個(gè)外

2、部中斷信號（在設(shè)計(jì)此方案的時(shí)候，我們還想到檢測的時(shí)候運(yùn)用圖像處理法，他的優(yōu)點(diǎn)就能夠容易區(qū)分垃圾種類和準(zhǔn)確是否是人，但其缺點(diǎn)是處理信息大，受到環(huán)境影響大，所以放棄）；震動(dòng)傳感器是將垃圾桶的震動(dòng)（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(jī)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(jī)可以查詢到此信號；單片機(jī)在進(jìn)行初始化與設(shè)定定時(shí)時(shí)間后，就等待中斷信號，當(dāng)外部中斷端有信號時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入處理中斷，認(rèn)為此時(shí)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(jī)控制電磁鐵通電，蓋打開），通過震動(dòng)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(shí)單片機(jī)控制語音芯片發(fā)出一些幽默的話語，提示大家愛護(hù)環(huán)境，也給大家?guī)硪恍┛鞓?。正因?yàn)槭⑷簡纹瑱C(jī)有很方便休眠喚醒功能，在PA口加下降沿可是單片機(jī)喚醒，并且喚醒后執(zhí)行喚醒的嚇一跳指令，所以在長時(shí)間沒有人來投垃圾，單片機(jī)自動(dòng)的將除HN911以外的電路電源關(guān)閉，之后單片機(jī)進(jìn)入休眠，從而大大減少能源的浪費(fèi)。做到了節(jié)能環(huán)保。當(dāng)有人來時(shí)，通過HN911電路部分將單片機(jī)喚醒，單片機(jī)將以前關(guān)閉電源

4、的電路從新通電進(jìn)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(yùn)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(yùn)用至其他領(lǐng)域，如防盜作用等，具有很強(qiáng)的市場競爭力。 作品采用了HT46F49E作為主控單片機(jī)，以紅外傳感器、震動(dòng)傳感器、語音芯片為主要模塊，主要特點(diǎn)如下： （1）節(jié)能環(huán)保。本作品有休眠喚醒功能，在長時(shí)間沒有人來投垃圾，單片機(jī)自動(dòng)的將除紅外感應(yīng)以外的電路電源關(guān)閉，之后單片機(jī)進(jìn)入休眠，從而大大減少能源的浪費(fèi)；做到了節(jié)能環(huán)保。當(dāng)有人來時(shí)，又通過該電路部分將單片機(jī)喚醒，單片機(jī)將以前關(guān)閉電源的電路從新通電進(jìn)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(huì)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(shí)少了份擔(dān)心，減少了生活中各種病菌交叉感染的機(jī)率。同時(shí)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(huì)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(shí)也吸引人們有意識地將垃圾丟進(jìn)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(yùn)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(shí)尚，不斷塑造個(gè)性和魅力的生活品味；是辦公、家用、公用、會(huì)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(shí)現(xiàn)給HT46F49E單片機(jī)供電功能。 Mod_2模塊：使用HT46F49E芯片，建立基本輸入輸出模型。實(shí)現(xiàn)與Mod_3模塊的串行通信功能，以及實(shí)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(gè)用電器相串聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)外部信號的檢測。 ①熱式紅外傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對外部紅外熱源的檢測。 ②震動(dòng)傳感器模塊實(shí)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(gè)電磁鐵實(shí)現(xiàn)桶蓋的打開與關(guān)閉。 ②語音電路模塊主要用編程實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的提醒功能及播報(bào)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(jī)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(jī)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(gè)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(shí)/計(jì)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(dòng)電路 ? 看門狗定時(shí)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(shí)，指令周期為0.5μs 在本作品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，HT46F4

9、9E單片機(jī)采用5V穩(wěn)壓電源供電。工作在48MHz時(shí)鐘頻率。由于采用RISC 結(jié)構(gòu)，此系列單片機(jī)具有高運(yùn)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(dòng)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(biāo)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(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相

10、串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個(gè)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(bào)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(yán)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(shí)①端輸出低電平，②端輸出高電平。當(dāng)

11、有移動(dòng)發(fā)熱體迸太監(jiān)視范圍時(shí)，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(jìn)行比較判斷，再由信號處理電路處理后輸出控制信號。此時(shí)輸出端①變?yōu)楦唠娖?，而輸出端②變?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(yàn)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(jī)提供一個(gè)中斷信號，單片機(jī)進(jìn)入處理“是否丟垃圾程序流程圖”。 （2）震動(dòng)傳感器 此模塊運(yùn)用應(yīng)變器對重量和形變非常敏感，加上一個(gè)差動(dòng)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(lán)寶石上制成的（上圖所示）。它通過改變真空沉積時(shí)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(bǔ)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(diǎn)，并避免了它的缺點(diǎn)，是一種較理想的應(yīng)變片。 差動(dòng)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。惠斯通電橋?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(lì)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(shí)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(diǎn)測量垃圾桶震動(dòng)幅度.并轉(zhuǎn)換成

14、電壓接入單片機(jī)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(shí)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(shí)，PT2272

15、的對應(yīng)數(shù)據(jù)輸出位即變?yōu)榈碗娖健６i存功能是指，當(dāng)發(fā)射信號消失時(shí)，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(fù)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(jìn)行檢測.將其輸出（電壓）放大調(diào)節(jié)接入單片機(jī)。 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(dòng)，銜鐵3是運(yùn)動(dòng)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(shí)運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(shí)垃圾桶蓋由于重力作用關(guān)閉。 （2）語音電路模塊 ISD25120 有10 個(gè)地址輸入端A0～A9，錄址能力可達(dá)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(shí)（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(shí)（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(yáng)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?，AGC自動(dòng)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?yàn)榈却訒r(shí)（圖4）、定時(shí)中斷（圖5），熱釋紅外傳感器中斷（圖6）。 圖5定時(shí)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(dòng)傳感器 關(guān)閉紅外光傳感器 單片機(jī)進(jìn)入休眠 中斷返回 定時(shí)中斷入口 圖4 主程序?yàn)榈却訒r(shí) （主程序流程圖） 開始 初始化 等待中斷 設(shè)定定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式工作方式 設(shè)定定時(shí)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(shí) 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(dòng)語音段5 啟用語音段2 延時(shí) 延時(shí) 啟用語段3 延時(shí) 計(jì)數(shù)A A=0? 語音段4 清A 延時(shí) 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(dòng)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(dòng)傳感器信號輸入口。 3、A是一個(gè)表示狀態(tài)的位，在垃圾被投入時(shí)置1。 - 15 -