智能垃圾桶设计方案.doc

1、工作原理整体架构如图1所示：电平为高电平高到低电平为高输出放音地址输出出控制电平提供+5v单片机STM32电源热释红外传感器震动传感器红外光PT2262桶盖控制部分语音部分图1 作品系统架构图程序分为3大块：主程序为等待延时、定时中断，热释红外传感器中断。工作原理：当人走到热释红外传感器的探测范围内，传感器热释电元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经过hn911内部电路处理将此信号转换成电平变换，当检测到人时向单片机提供了一个低电平（下降沿），将此信号作为一个外部中断信号（在设计此方案的时候，我们还想到检测的时候运用图像处理法，他的优点就能够容易区分垃圾种类和准确是否是人，但其缺点是处理信息大，受到环境影响大，所以放弃）；震动传感器是将垃圾桶的震动（被物体撞击）或者重量变化转变成电平信号，通过I/O口单片机可以查询到此信号；当PT2262/2272 是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片，其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，将垃圾的投入和垃圾桶是否满转变成电平信号，通过I/O口单片机可以查询到此信号；单片机在进行初始化与设定定时时间后，就等待中断信号，当外部中断端有信号时，单片机进入处理中断，认为此时有人来，通过查询I/O信号，判断是否打开垃圾桶盖，当垃圾桶未满即PT2262/2272端无信号打开垃圾桶盖（单片机控制电磁铁通电，盖打开），通过震动传感器和PT2262/2272信号的综合判断此人是否是投垃圾的，与此同时单片机控制语音芯片发出一些幽默的话语，提示大家爱护环境，也给大家带来一些快乐。正因为盛群单片机有很方便休眠唤醒功能，在PA口加下降沿可是单片机唤醒，并且唤醒后执行唤醒的吓一跳指令，所以在长时间没有人来投垃圾，单片机自动的将除HN911以外的电路电源关闭，之后单片机进入休眠，从而大大减少能源的浪费。做到了节能环保。当有人来时，通过HN911电路部分将单片机唤醒，单片机将以前关闭电源的电路从新通电进入正常工作状态。四、作品功能、特色本作品节能环保，干净卫生，具有一定的娱乐性，运用广泛，可适用于各种中高级办公楼等公共场合，其原理也可运用至其他领域，如防盗作用等，具有很强的市场竞争力。作品采用了HT46F49E作为主控单片机，以红外传感器、震动传感器、语音芯片为主要模块，主要特点如下：（1）节能环保。本作品有休眠唤醒功能，在长时间没有人来投垃圾，单片机自动的将除红外感应以外的电路电源关闭，之后单片机进入休眠，从而大大减少能源的浪费；做到了节能环保。当有人来时，又通过该电路部分将单片机唤醒，单片机将以前关闭电源的电路从新通电进入正常工作状态。（2）干净卫生。智能垃圾桶顺应了现代社会的追求，突破了传统带盖垃圾桶用手或脚开盖的思维屏障，感应开、关桶盖让人们在丢时少了份担心，减少了生活中各种病菌交叉感染的机率。同时具有良好的密封性好，无垃圾异味溢出，确保四週空气清新。（3）娱乐性。本作品的语音系统会根据不同情况发出一些幽默诙谐的话语，娱乐大众的同时也吸引人们有意识地将垃圾丢进桶内，更能吸引小孩去捡垃圾往里丢，从而使人们养成不乱扔垃圾的好习惯，让我们周围的环境更加美丽。（4）运用广泛。本作品可有多种色彩、多种容量、多种材料选择，提升了公共场合及居家档次，满足了人们崇尚人性和时尚，不断塑造个性和魅力的生活品味；是办公、家用、公用、会议、医疗等使用的理想选择。五、 作品结构(一) 硬件部分硬件电路部份包括：电源电路模块HT46F49E芯片控制中心模块；信号检测电路模块；控制电路模块与语音电路模块四部份。分别说明如下:Mod_1模块：电源电路模块实现给HT46F49E单片机供电功能。Mod_2模块：使用HT46F49E芯片，建立基本输入输出模型。实现与Mod_3模块的串行通信功能，以及实现基本控制功能。Mod_3模块：信号检测电路模块是由各插孔的检测电路分别与各个用电器相串联组成，实现外部信号的检测。热式红外传感器模块实现对外部红外热源的检测。震动传感器模块实现对外部重量和形变的检测。红外光传感器模块在Mod_2模块中HT46F49E的控制下对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收。Mod_4模块：控制电路模块用一个电磁铁实现桶盖的打开与关闭。语音电路模块主要用编程实现智能垃圾桶的提醒功能及播报功能。1、Mod_1模块解析：电源电路是由变压器、桥式整流电路、集成器7085及一些电容所组成。家用电器使用的220v交流电压通过变压器降压、桥式整流电路整流后，再通过7805集成器将电压稳定成为5v的直流电压，给单片机HT46R23供电。为了解决电信号中的干扰问题，我们在集成器7085的两边并接电容用以滤波。电路图如下所示： 图2 电源模块电路图2、Mod_2模块解析： 图3 HT46F49E单片机引脚功能表工作电压：fSYS=4MHz：2.2V 5.5VfSYS=8MHz：3.3V5.5VfSYS=12MHz：4.5V5.5V 13 到23 个双向输入/输出口 与输入/输出口共用引脚的外部中断输入 8 位可编程定时/计数器，具有溢出中断和7 级预分频器 内置晶体和RC 振荡驱动电路 看门狗定时器 具有PFD 功能，可以用来发声 暂停和唤醒功能可降低功耗 在VDD =5V，系统频率为48MHz 时，指令周期为0.5s在本作品的开发设计过程中，HT46F49E单片机采用5V稳压电源供电。工作在48MHz时钟频率。由于采用RISC 结构，此系列单片机具有高运算速度和高性能的特性有了集成的A/D 和PWM 功能的优势，再加上低功耗、高性能、灵活控制的输入/输出和低成本等特性。3、Mod_2模块解析：信号检测电路部分分为三大块：热式红外传感器、震动传感器、红外光传感器。（1）热式红外传感器模块这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 HN911型热释电红外探头模块的内部电路框图如图所示。图4 HN911型热释电红外探头模块以及内部电路框图 平时端输出低电平，端输出高电平。当有移动发热体迸太监视范围时，热释电红外传感器接收到红外能量，并输出检测信号。该信号经放大器放大后，由比较器进行比较判断，再由信号处理电路处理后输出控制信号。此时输出端变为高电平，而输出端变为低电平。在模块的外部可接增益调节电位器，以调节放大器的增益。HN911型热释电红外探买模块的主要特性参数见表。表:HN911型热释电红外探头模块主要特性参数注：根据传感器视场和灵敏度经过试验确定传感器放置角度来合理确定监控距离.滤光片 人体发出的红外线波长10um左右，将滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片。滤光片为6um多层膜干涉滤光片，这种对太阳光和荧光灯的短波（约为5um一下）具有高的反射作用，而对6um以上的人体发出的红外热源（10um）有高的穿透性，其光谱特性。如图所示： 图5 放大电路放大电路为单片机提供一个中断信号，单片机进入处理“是否丢垃圾程序流程图”。（2）震动传感器此模块运用应变器对重量和形变非常敏感，加上一个差动桥，大大提高了灵敏度在经过A/D将其转换为电平信号。下面介绍：薄膜型半导体应变片 图6薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上或蓝宝石上制成的（上图所示）。它通过改变真空沉积时衬底的温度来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变片。薄膜型半导体应变片吸收了金属应变片和半导体应变片的优点，并避免了它的缺点，是一种较理想的应变片。差动电桥应变片、薄膜和厚膜应变片传感器一般采用惠斯通电桥。惠斯通电桥将应变片应变产生的电阻转换为差分电压如图1所示。+Exc和-Exc终端加上激励电压后，+VOUT和-VOUT终端上出现与应变成正比的差分电压。图7 惠斯通电桥配置中连接的应变片 全桥电路时单臂灵敏度的四倍.为了提高其灵敏度采用全桥电路.将应变片贴在垃圾桶的内侧面，利用全桥电路灵敏度高的特点测量垃圾桶震动幅度.并转换成电压接入单片机分析。（3）红外光传感器PT2262/2272 是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片。 图8红外光传感器 PT2262-IR 发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。由各地址、数据的不同接脚状态决定，编码从输出端Dout 输出，通过红外发射管发射出去。其编码时序波形如图2 所示。Dout 输出的编码信号是调制在38kHz载波上的，OSC1、OSC2 外接的电阻决定载频频率，一般电阻可在430k470k 之间选择即可。PT2272 的暂存功能是指当发射信号消失时，PT2272 的对应数据输出位即变为低电平。而锁存功能是指，当发射信号消失时，PT2272 的数据输出端仍保持原来的状态，直到下次接收到新的信号输入。图3 是红外发射和接收的典型应用原理图，为了能正确解调出调制的编码信号，接收端需加一级前置放大级，保证输入PT2272 的信号幅度足够大。PT2272 各输出端通过各种接口即可控制相应的负载。PT2262/2272 是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片。其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁。接收芯片PT2272 的数据输出位根据其后缀不同而不同，数据输出具有“暂存”和“锁存”两种方式，方便用户使用。后缀为“M”为“暂存型”，后缀为“L”为“锁存型”。 因此可以用这一对芯片外加辅助电路对垃圾进行检测.将其输出（电压）放大调节接入单片机。4、Mod_4模块解析：（1）控制电路模块此模块主要采用电磁铁来控制垃圾桶盖的打开与关闭。本作品中选用拍合式电磁铁，其结构如下图所示。图9 拍合式电磁铁结构图线圈1套在铁心2上，两者固定不动，衔铁3是运动部分。当线圈部分通过一定值电流过后，在铁心、衔铁、气隙中间就产生一定数量的磁通。图中虚线所示为磁通流过的路径。在磁通的作用下，产生一定大小的电磁吸力，将衔铁吸向铁心，企图是气隙4减到最小。图中箭头表示衔铁吸引时运动的方向。当线圈中电流停止后，电磁吸力就消失。 当电磁铁通电后，产生电磁吸力，再运用杠杆原理使桶盖打开；当电磁铁断电后，电磁吸力消失，此时垃圾桶盖由于重力作用关闭。（2）语音电路模块ISD25120 有10 个地址输入端A0A9，录址能力可达1024 位，地址空间01023。其分配情况是：地址0299作为分段用，地址600767 未使用，址7681023 为工作模式选择（即A8、A9 均为高）。ISD25120的地址线有两用途，一是作为工作模式控制，二是作为分段录放音的起始段地址。当最高位地址（MSB）A8、A9 都为高电平时（即地址7681023），地址端A0A6 就作为工作模式选择端M0M6，对应7 种工作模式。当A8、A9 任一位为低或都为低时（即地址0599），只要在分段录/放音操作前（不少于300ns）给地址A0A9 赋值，操作就从该地址开始。AUX IN辅助输入，VSSD、VSSA数字地和模拟地，SP+、SP-扬声器输出，VCCA模拟信号电源正极， MIC、MIC REF 麦克风输入端和输入参考端，AGC自动增益控制， ANA IN、ANA OUT 模拟信号输入和输出， OUF 溢出，CE 片选（低电平允许芯片工作），PD 芯片低功耗状态控制， EOM 录放音结束信号输出结构图和电路图如下： 图10语音电路模块(二) 软件部分程序流程图：主程序为等待延时（图4）、定时中断（图5），热释红外传感器中断（图6）。图5定时中断（节能程序流程图）关闭电磁铁电源关闭语音芯片关闭震动传感器关闭红外光传感器单片机进入休眠中断返回定时中断入口图4 主程序为等待延时（主程序流程图）开始初始化等待中断设定定时/计数器工作方式工作方式设定定时器初值YNYNYNNNY热释红外传感器中断入口初始化启用垃圾桶盖（打开）PA.0=1?(垃圾是否投入)启用语音段1延时PA.1=1?(判断是否是丢垃圾的)PA.0=1? 检测垃圾桶满了吗？启动语音段5启用语音段2延时延时启用语段3延时计数AA=0?语音段4清A延时关闭桶盖中断返回图6 热释红外传感器中断（判断是否为丢垃圾程序流程图）开启电磁铁、语音芯片、震动传感器、红外光传感器电源注：1、PA.0口为红外光PT2262信号输入口。2、PA.1为震动传感器信号输入口。3、A是一个表示状态的位，在垃圾被投入时置1。- 15 -