智能垃圾回收箱控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件部分的選型與設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)，所有功能的實(shí)現(xiàn)都要圍繞其進(jìn)行開發(fā)。本章對(duì)智能垃圾回收箱控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

智能垃圾回收箱運(yùn)行時(shí)，通過掃描模塊進(jìn)行身份識(shí)別；身份驗(yàn)證后，控制器啟動(dòng)電機(jī)打開回收門，持續(xù)開啟 7 秒；用戶投放垃圾后，回收門自動(dòng)關(guān)閉。

超聲波模塊檢測桶內(nèi)垃圾容量，超過設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出清理提示。垃圾進(jìn)入回收箱后，系統(tǒng)稱重記錄并上傳至云端，轉(zhuǎn)換為積分存入用戶賬戶，可用于兌換日常用品。回收箱具備防火功能，煙霧傳感器監(jiān)測空氣質(zhì)量，高濃度煙霧時(shí)發(fā)出警報(bào)并啟動(dòng)滅火球。

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智能垃圾回收箱傳感器選型

智能垃圾回收箱傳感器的主要作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的稱重、防滿溢、安全保護(hù)及防火等功能。

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稱重傳感器模塊

稱重傳感器是稱重系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，放置在箱體底部。其精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性是衡量它優(yōu)劣的決定性因素。選擇稱重傳感器時(shí)，要考慮其量程、精度以及輸出形式。量程大小需要考慮多方條件。

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超聲波傳感器模塊

超聲波傳感器模塊用于智能垃圾回收箱容量的檢測?？紤]到使用的方便性和檢測的及時(shí)性，本文選用非接觸式的超聲波測距模塊對(duì)桶內(nèi)垃圾容量進(jìn)行測量。超聲波具有高頻率、短波長、方向性好的特點(diǎn)，工作時(shí)不受光線干擾，其抗干擾性和定位精度較強(qiáng)，在方便快捷的同時(shí)精度也能滿足需求。經(jīng)過調(diào)研，智能垃圾回收箱采用 HC-SR04 超聲波傳感器模塊，詳細(xì)參數(shù)如表所示

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將超聲波傳感器安裝在垃圾桶正上方，根據(jù)超聲波傳播時(shí)間計(jì)算得到智能垃圾回收箱頂部與垃圾的距離數(shù)據(jù)，用智能垃圾回收箱頂部到桶底的距離減去該數(shù)值即為垃圾桶的容量。為了防止垃圾滿溢，在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置閥值，若傳感器檢測到垃圾桶容量超過該閥值，回收門無法啟動(dòng)，同時(shí)上傳垃圾滿溢信息提示工作人員清理垃圾桶，等到箱體內(nèi)部清空后，智能垃圾回收箱投放功能再次開啟。

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光幕傳感器智能垃圾回收箱使用鋼材制造，為防止用戶投放垃圾時(shí)被投放門誤傷，本文采用光幕傳感器進(jìn)行檢測，避免發(fā)生安全事故。光幕傳感器運(yùn)用紅外線掃描探測技術(shù)，讓紅外線在高速掃描情況下形成紅外線光幕，當(dāng)光幕被遮擋時(shí)，光幕傳感器發(fā)出遮光信號(hào)，控制回收門停止工作，保證用戶安全。本設(shè)計(jì)選用 BX87OJS25-16 安全光幕傳感器，具體參數(shù)見表 。

將光幕傳感器固定在回收箱頂部，光幕的一邊發(fā)射多條紅外線，另一邊接受紅外線形成光幕，光幕傳感器的輸出通過控制器驅(qū)動(dòng)回收門控制系統(tǒng)。如果紅外線發(fā)射端和接收端中間無障礙，接收端在收到光信號(hào)后輸出低電平，此時(shí)回收門控制系統(tǒng)正常運(yùn)作；如果用戶將手伸入光幕內(nèi)（如圖 3.4），接收端收不到信號(hào)，內(nèi)部電路輸出高電平，此時(shí)正在關(guān)閉的回收門重新打開，從而保護(hù)用戶的安全。

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煙霧傳感器模塊

為了防止在密閉環(huán)境下發(fā)生火災(zāi)，智能垃圾回收箱中設(shè)計(jì)了 MQ-2 型煙霧傳感器（如圖 3.5 所示），該傳感器屬于表面離子式半導(dǎo)體，工作穩(wěn)定、靈敏度高、響應(yīng)快，對(duì)于有刺激性非可燃性煙霧的干擾有著良好的抵抗性，被廣泛應(yīng)用于消防系統(tǒng)。

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MQ-2 的電路圖如圖 3.6 所示，將其連接在 5V 電源上，當(dāng)箱體內(nèi)部產(chǎn)生煙霧時(shí)，傳感器與其接觸會(huì)引發(fā)表面導(dǎo)電率的變化，煙霧越濃導(dǎo)電率越大，輸出的信號(hào)就越大。當(dāng)煙霧濃度較高輸出高于預(yù)定電壓時(shí)，信號(hào)為低電平，LED 亮并報(bào)警，同時(shí)滅火球裝置啟動(dòng)進(jìn)行滅火處理。

智能垃圾回收箱主控制器模塊主控制器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，選用低功耗、高性能的控制芯片至關(guān)重要。目前市場上單片機(jī)類型繁多，在考慮 51 單片機(jī)、PLC、AVR 單片機(jī)以及 STM 單片機(jī)后，主控制器選用 STM32 單片機(jī)。STM32 單片機(jī)接口豐富，性能好、成本低，除了具有高度集成和易開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)外，其獨(dú)有的 ARM Cortex-M[48]設(shè)計(jì)也使其能更穩(wěn)定的工作。

目前市場中常見的顯示屏主要有 LED、LCD、OLED 等三種顯示屏，其中 LED顯示屏因屏幕太大不在本設(shè)計(jì)考慮范圍；LCD 使用液晶材料，功耗低、像素集成度高，被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備；而 OLED 顯示屏像素集成度高、更輕、響應(yīng)更快，性能最好，但考慮到經(jīng)濟(jì)性，在不影響使用功能情況下選擇 5 寸（800×480 像素）的 LCD電容式液晶屏作為顯示器。STM32 控制器配置有 FSMC 總線可以直接連接 LCD，對(duì)LCD 顯示屏進(jìn)行管理。

用戶可通過顯示屏上的提示步驟，選擇相應(yīng)的回收門進(jìn)行垃圾投放，投放結(jié)束后，顯示屏上會(huì)顯示本次投放垃圾的重量并提示用戶本次操作結(jié)束。3.4.2 掃描模塊為了能夠快速驗(yàn)證客戶身份，本文的設(shè)計(jì)采用“一戶一碼”方案，即每家用戶通過二維碼綁定身份，智能垃圾回收箱上配置一款合適的掃描頭模塊，在使用時(shí)掃描二維碼即可。選用興通 XT2003C 二維碼掃描模塊，可以讀取各類介質(zhì)的一維碼、二維碼，如紙質(zhì)、標(biāo)簽、手機(jī)屏幕等。

其優(yōu)點(diǎn)如下：（1）機(jī)身耐用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可嵌入各類設(shè)備；（2）操作簡單，掃描速度快，掃描精度高、掃描靈敏，大大的提高了用戶使用體驗(yàn)；（3）自帶補(bǔ)光能力，保證產(chǎn)品在各種無光情況下也能正常使用，并且可以根據(jù)物品遠(yuǎn)近自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度；（4）接口豐富，包含 USB/TTL/RS232 等多種接口，適用于多種設(shè)備；（5）可掃描各類一維碼、二維碼及手機(jī)屏幕支付碼，符合本設(shè)計(jì)需求；（6）全局曝光掃碼速度快，采用 32 位 CPU，運(yùn)算速度快，掃描靈敏度高；

回收門控制裝置設(shè)計(jì)

智能垃圾回收箱的回收門采用自動(dòng)化控制，回收門的自動(dòng)工作原理如圖 3.10 所示，當(dāng)用戶觸發(fā)感應(yīng)開關(guān)時(shí)，控制器下達(dá)開/關(guān)指令給驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)部分帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制門的開關(guān)。

自動(dòng)門的控制要求如下：

（1）當(dāng)用戶選擇智能垃圾回收箱進(jìn)行投放時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行命令，電機(jī)正轉(zhuǎn)，到達(dá)開門限位開關(guān)位置電機(jī)停止；

（2）回收門開啟等待 7 秒后開始關(guān)閉，電機(jī)反轉(zhuǎn)，到達(dá)關(guān)門限位開關(guān)，電機(jī)停止；

（3）回收門開啟時(shí)間內(nèi)，如果有物品進(jìn)出，系統(tǒng)將重新等待，直至 7 秒內(nèi)無物品感應(yīng)；回收門才再次關(guān)閉，確保用戶人身安全；

（4）開關(guān)門過程中，電機(jī)速度從 0 開始加速到最高速度 v，短時(shí)間后開始減速最后以超低速運(yùn)動(dòng)到停止位，減少門框碰撞。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用步進(jìn)電機(jī)和行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)門功能。其中步進(jìn)電機(jī)用于控制回收門的啟閉，按下按鍵，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)回收門開啟；

行程開關(guān)，又稱限位開關(guān)，本文選擇滾輪式 LX19-001/111 行程開關(guān)，負(fù)責(zé)限制回收門運(yùn)動(dòng)位置，確保電機(jī)控制的自動(dòng)門到達(dá)一定位置后自動(dòng)停止。步進(jìn)電機(jī)在選擇時(shí)需要考慮其步距角以及扭矩，步距角越小平穩(wěn)性越好。

通過對(duì)電機(jī)扭矩以及轉(zhuǎn)速公式的分析，采用驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為 TB6600 的 42BYGH34型步進(jìn)電機(jī)（如圖 3.11 連接），體積小，噪音低，具體參數(shù)見表

電源模塊

電源模塊為控制器、傳感器模塊、電機(jī)部分提供穩(wěn)定電源。不同的模塊對(duì)于與電源電壓的要求也不盡相同，大多數(shù)采用 3.3V 電壓，部分模塊采用 5V 和 12V 電壓。系統(tǒng)采用的主控制器、超聲波傳感器、GPS 定位使用 3.3V 電源電壓，稱重傳感器、煙霧傳感器、顯示器和掃描模塊使用 5V 電壓，光幕傳感器、通信模塊和監(jiān)控模塊使用 12V 電壓，電機(jī)使用 24V 電壓。

所以針對(duì)不同電壓需求設(shè)計(jì)電源電平轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)采用市電作為外接電源，使用 AP24N03-Zero AC/DC 模塊，將 220V 交流電轉(zhuǎn)為 24V 直流電以供直流電機(jī)運(yùn)行，設(shè)計(jì)圖如圖 3.12，其中，F(xiàn)USE 是限流 1A 的保險(xiǎn)絲。

小結(jié)

本文主要研究了智能垃圾回收箱控制系統(tǒng)硬件，采用STM32單片機(jī)作為主控制器，并選擇了適用于硬件系統(tǒng)的傳感器。論述了智能垃圾回收箱的功能實(shí)現(xiàn)方法。在箱門中設(shè)計(jì)了光幕傳感器，與防夾手機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)揮作用，提高了垃圾投放的安全性。