智能垃圾桶设计专项方案.doc

1、工作原理
整体架构图1所表示：
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：主程序为等候延时、定时中止，热释红外传感器中止。
工作原理：
当人走到热释红外传感器探测范围内，传感器热释电元件在接收到人体红外辐射温度发生改变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止信号（在设计此方案时候，我们还想到检测时候利用图像处理法，她优点就能够轻易区分垃圾种类和正确是否是人，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震动（被物体撞击）或重量改变转变成电平信号，经过I/O口单片机能够查询到此信号；当PT2262/2272 是一对带地址、数据编码功效红外遥控发射/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，将垃圾投入和垃圾桶是否满转变成电平信号，经过I/O口单片机能够查询到此信号；单片机在进行初始化和设定定时时间后，就等候中止信号，当外部中止端有信号时，单片机进入处理中止，认为此时有些人来，经过查询I/O信号，判定是否打开垃圾桶盖，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），经过震动传感器和PT2262/2272信号综合判定此人是否是投垃圾，和此同时单片机控制语音芯片发出部分幽默话语，提醒大家珍惜环境，也给大家带来部分愉快。正因为盛群单片机有很方便休眠唤醒功效，在PA口加下降沿可是单片机唤醒，而且唤醒后实施唤醒吓一跳指令，所以在长时间没有些人来投垃圾，单片机自动将除HN911以外电路电源关闭，以后单片机进入休眠，从而大大降低能源浪费。做到了节能环境保护。当有些人来时，经过HN911电路部分将单片机唤醒，单片机将以前关闭电源电路从新通电进入正常工作状态。
四、作品功效、特色
本作品节能环境保护，洁净卫生，含有一定娱乐性，利用广泛，可适适用于多种中高级办公楼等公共场所，其原理也可利用至其它领域，如防盗作用等，含有很强市场竞争力。
作品采取了HT46F49E作为主控单片机，以红外传感器、震动传感器、语音芯片为关键模块，关键特点以下：
（1）节能环境保护。本作品有休眠唤醒功效，在长时间没有些人来投垃圾，单片机自动将除红外感应以外电路电源关闭，以后单片机进入休眠，从而大大降低能源浪费；做到了节能环境保护。当有些人来时，又经过该电路部分将单片机唤醒，单片机将以前关闭电源电路从新通电进入正常工作状态。
（2）洁净卫生。智能垃圾桶顺应了现代社会追求，突破了传统带盖垃圾桶用手或脚开盖思维屏障，感应开、关桶盖让大家在丢时少了份担心，降低了生活中多种病菌交叉感染机率。同时含有良好密封性好，无垃圾异味溢出，确保四週空气清新。
（3）娱乐性。本作品语音系统会依据不一样情况发出部分幽默诙谐话语，娱乐大众同时也吸引大家有意识地将垃圾丢进桶内，更能吸引小孩去捡垃圾往里丢，从而使大家养成不乱扔垃圾好习惯，让我们周围环境愈加漂亮。
　　（4）利用广泛。本作品可有多个色彩、多个容量、多个材料选择，提升了公共场所及居家档次，满足了大家崇尚人性和时尚，不停塑造个性和魅力生活品味；是办公、家用、公用、会议、医疗等使用理想选择。
五、 作品结构
(一) 硬件部分
硬件电路部份包含：电源电路模块HT46F49E芯片控制中心模块；信号检测电路模块；控制电路模块和语音电路模块四部份。分别说明以下:
Mod_1模块：电源电路模块实现给HT46F49E单片机供电功效。
Mod_2模块：使用HT46F49E芯片，建立基础输入输出模型。实现和Mod_3模块串行通信功效，和实现基础控制功效。
Mod_3模块：信号检测电路模块是由各插孔检测电路分别和各个用电器相串联组成，实现外部信号检测。
①热式红外传感器模块实现对外部红外热源检测。
②震动传感器模块实现对外部重量和形变检测。
③红外光传感器模块在Mod_2模块中HT46F49E控制下对带地址、数据编码功效红外遥控发射/接收。
Mod_4模块：
①控制电路模块用一个电磁铁实现桶盖打开和关闭。
②语音电路模块关键用编程实现智能垃圾桶提醒功效及播报功效。
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及部分电容所组成。家用电器使用220v交流电压经过变压器降压、桥式整流电路整流后，再经过7805集成器将电压稳定成为5v直流电压，给单片机HT46R23供电。为了处理电信号中干扰问题，我们在集成器7085两边并接电容用以滤波。电路图以下所表示：

图2 电源模块电路图
2、Mod_2模块解析：

图3 HT46F49E单片机引脚功效表
工作电压：
fSYS=4MHz：2.2V ~5.5V
fSYS=8MHz：3.3V~5.5V
fSYS=12MHz：4.5V~5.5V
• 13 到23 个双向输入/输出口
• 和输入/输出口共用引脚外部中止输入
• 8 位可编程定时/计数器，含有溢出中止和7 级预分频器
• 内置晶体和RC 振荡驱动电路
• 看门狗定时器
• 含有PFD 功效，能够用来发声
• 暂停和唤醒功效可降低功耗
• 在VDD =5V，系统频率为48MHz 时，指令周期为0.5μs
在本作品开发设计过程中，HT46F49E单片机采取5V稳压电源供电。工作在48MHz时钟频率。因为采取RISC 结构，此系列单片机含有高运算速度和高性能特征有了集成A/D 和PWM 功效优势，再加上低功耗、高性能、灵活控制输入/输出和低成本等特征。
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
①这种探头是以探测人体辐射为目标。所以热释电元件对波长为10UM左右红外辐射必需很敏感。
②为了仅仅对人体红外辐射敏感，在它辐射照面通常覆盖有特殊菲泥尔滤光片，使环境干扰受到显著控制作用。
③被动红外探头，其传感器包含两个相互串联或并联热释电元。而且制成两个电极化方向恰好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎含有相同作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
④一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射经过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，不过两片热释电元接收到热量不一样，热释电也不一样，不能抵消，经信号处理而报警。
⑤菲泥尔滤光片依据性能要求不一样，含有不一样焦距（感应距离），从而产生不一样监控视场，视场越多，控制越严密。 　　
　　HN911型热释电红外探头模块内部电路框图
图所表示。

图4 HN911型热释电红外探头模块和内部电路框图
　 平时①端输出低电平，②端输出高电平。当有移动发烧体迸太监视范围时，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定，再由信号处理电路处理后输出控制信号。此时输出端①变为高电平，而输出端②变为低电平。在模块外部可接增益调整电位器，以调整放大器增益。
HN911型热释电红外探买模块关键特征参数见表。
表:HN911型热释电红外探头模块关键特征参数

注：依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
人体发出红外线波长10um左右，将滤光片设置在窗口处，组成红外线经过窗口。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短波（约为5um一下）含有高反射作用，而对6um以上人体发出红外热源（10um）有高穿透性，其光谱特征。
图所表示：

图5 放大电路
放大电路为单片机提供一个中止信号，单片机进入处理“是否丢垃圾程序步骤图”。
（2）震动传感器
此模块利用应变器对重量和形变很敏感，加上一个差动桥，大大提升了灵敏度在经过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试件上或蓝宝石上制成（上图所表示）。它经过改变真空沉积时衬底温度来控制沉积层电阻率高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。所以能制造出适于不一样试件材料温度自赔偿薄膜应变片。薄膜型半导体应变片吸收了金属应变片和半导体应变片优点，并避免了它缺点，是一个较理想应变片。
差动电桥
应变片、薄膜和厚膜应变片传感器通常采取惠斯通电桥。惠斯通电桥将应变片应变产生电阻转换为差分电压图1所表示。+Exc和-Exc终端加上激励电压后，+VOUT和-VOUT终端上出现和应变成正比差分电压。

图7 惠斯通电桥配置中连接应变片
　 全桥电路时单臂灵敏度四倍.为了提升其灵敏度采取全桥电路.将应变片贴在垃圾桶内侧面，利用全桥电路灵敏度高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、数据编码功效无线遥控发射/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、数据不一样接脚状态决定，编码从输出端Dout 输出，经过红外发射管发射出去。其编码时序波形图2 所表示。Dout 输出编码信号是调制在38kHz载波上，OSC1、OSC2 外接电阻决定载频频率，通常电阻可在430k—470k 之间选择即可。PT2272 暂存功效是指当发射信号消失时，PT2272 对应数据输出位即变为低电平。而锁存功效是指，当发射信号消失时，PT2272 数据输出端仍保持原来状态，直到下次接收到新信号输入。图3 是红外发射和接收经典应用原理图，为了能正确解调出调制编码信号，接收端需加一级前置放大级，确保输入PT2272 信号幅度足够大。PT2272 各输出端经过多种接口即可控制对应负载。PT2262/2272 是一对带地址、数据编码功效红外遥控发射/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，使发射电路变得很简练。
接收芯片PT2272 数据输出位依据其后缀不一样而不一样，数据输出含有“暂存”和“锁存”两种方法，方便用户使用。后缀为“M”为“暂存型”，后缀为“L”为“锁存型”。
所以能够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）放大调整接入单片机。
4、Mod_4模块解析：
（1）控制电路模块
此模块关键采取电磁铁来控制垃圾桶盖打开和关闭。本作品中选择拍合式电磁铁，其结构以下图所表示。
图9 拍合式电磁铁结构图
线圈1套在铁心2上，二者固定不动，衔铁3是运动部分。当线圈部分经过一定值电流过后，在铁心、衔铁、气隙中间就产生一定数量磁通。图中虚线所表示为磁通流过路径。在磁通作用下，产生一定大小电磁吸力，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，再利用杠杆原理使桶盖打开；当电磁铁断电后，电磁吸力消失，此时垃圾桶盖因为重力作用关闭。
（2）语音电路模块
ISD25120 有10 个地址输入端A0～A9，录址能力可达1024 位，地址空间
0～1023。其分配情况是：地址0～299作为分段用，地址600～767 未使用，
址768～1023 为工作模式选择（即A8、A9 均为高）。ISD25120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起始段地址。当最高位
地址（MSB）A8、A9 全部为高电平时（即地址768～1023），地址端A0～A6 就作
为工作模式选择端M0～M6，对应7 种工作模式。当A8、A9 任一位为低或全部为
低时（即地址0～599），只要在分段录/放音操作前（不少于300ns）给地址A0～A9 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（低电平许可芯片工作），PD 芯片低功耗状态控制， EOM 录放音结束信号输出
结构图和电路图以下：
图10语音电路模块
(二) 软件部分
程序步骤图：
主程序为等候延时（图4）、定时中止（图5），热释红外传感器中止（图6）。
图5定时中止
（节能程序步骤图）
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
中止返回
定时中止入口
图4 主程序为等候延时
（主程序步骤图）
开始
初始化
等候中止
设定定时/计数器工作方法工作方法
设定定时器初值

Y
N
Y
N
Y
N
N
N
Y
热释红外传感器中止入口
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?(判定是否是丢垃圾)
PA.0=1? 检测垃圾桶满了吗？
开启语音段5
启用语音段2
延时
延时
启用语段3
延时
计数A
A=0?
语音段4
清A
延时
关闭桶盖
中止返回
图6 热释红外传感器中止（判定是否为丢垃圾程序步骤图）
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是一个表示状态位，在垃圾被投入时置1。