欧洲杯买球网智能垃圾回收箱控制系统硬件设计-机智云

　　控制系统硬件部分的选型与设计是整个产品的基础，所有功能的实现都要围绕其进行开发。本章对智能垃圾回收箱控制系统的硬件进行详细设计。

　　智能垃圾回收箱运行时，通过扫描模块进行身份识别；身份验证后，启动电机打开回收门，持续开启 7 秒；用户投放垃圾后，回收门自动关闭。模块检测桶内垃圾容量，超过设定值时，发出清理提示。垃圾进入回收箱后，系统称重记录并上传至云端，转换为积分存入用户账户，可用于兑换日常用品。回收箱具备防火功能，烟雾传感器监测空气质量，高浓度烟雾时发出警报并启动灭火球。

　　称重传感器是称重系统的关键部件，放置在箱体底部。其精准性和稳定性是衡量它优劣的决定性因素。选择称重传感器时，要考虑其量程、精度以及输出形式。量程大小需要考虑多方条件。

　　根据经验，称重传感器一般工作在 30%⁓70%量程范围内，若在使用时有较大冲击，称重需要扩大量程。本文设计的智能垃圾回收箱，主要回收物品为纸张、金属、塑料以及织物，使用过程中不存在大的冲击，因此选用工作在量程范围 30%⁓70%的称重传感器即可满足要求。综合考虑称重范围、安装环境和经济成本等条件，本文选用 YZC-516/50kg 传感器，详细参数见表。

　　传感器模块用于智能垃圾回收箱容量的检测。考虑到使用的方便性和检测的及时性，本文选用非接触式的测距模块对桶内垃圾容量进行测量。具有高频率、短波长、方向性好的特点，工作时不受光线干扰，其抗干扰性和定位精度较强，在方便快捷的同时精度也能满足需求。经过调研，智能垃圾回收箱采用 HC-SR04 传感器模块，详细参数如表所示

　　该传感器有 VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND 等引脚（见图 3.3）。VCC和 GND 端口直接连接在电源正负极，控制端和接收端与处理器的 IO 端口相连。处理器通过控制口发出 10us 以上的高电平信号，发射端发射出信号，遇到目标后反射回来，接受端接收到信号后，发出低电平信号停止计时，读取定时器数值即为测距的时间，最后通过式（3.2）计算出传感器与目标物体的距离。

　　将传感器安装在垃圾桶正上方，根据传播时间计算得到智能垃圾回收箱顶部与垃圾的距离数据，用智能垃圾回收箱顶部到桶底的距离减去该数值即为垃圾桶的容量。为了防止垃圾满溢，在设计时设置阀值，若传感器检测到垃圾桶容量超过该阀值，回收门无法启动，同时上传垃圾满溢信息提示工作人员清理垃圾桶，等到箱体内部清空后，智能垃圾回收箱投放功能再次开启。

　　光幕传感器智能垃圾回收箱使用钢材制造，为防止用户投放垃圾时被投放门误伤，本文采用光幕传感器进行检测，避免发生安全事故。光幕传感器运用红外线扫描探测技术，让红外线在高速扫描情况下形成红外线光幕，当光幕被遮挡时，光幕传感器发出遮光信号，控制回收门停止工作，保证用户安全。本设计选用 BX87OJS25-16 安全光幕传感器，具体参数见表 。

　　将光幕传感器固定在回收箱顶部，光幕的一边发射多条红外线，另一边接受红外线形成光幕，光幕传感器的输出通过驱动回收门控制系统。如果红外线发射端和接收端中间无障碍，接收端在收到光信号后输出低电平，此时回收门控制系统正常运作；如果用户将手伸入光幕内（如图 3.4），接收端收不到信号，内部电路输出高电平，此时正在关闭的回收门重新打开，从而保护用户的安全。

　　为了防止在密闭环境下发生火灾，智能垃圾回收箱中设计了 MQ-2 型烟雾传感器（如图 3.5 所示），该传感器属于表面离子式半导体，工作稳定、灵敏度高、响应快，对于有刺激性非可燃性烟雾的干扰有着良好的抵抗性，被广泛应用于消防系统。

　　MQ-2 的电路图如图 3.6 所示，将其连接在 5V 电源上，当箱体内部产生烟雾时，传感器与其接触会引发表面导电率的变化，烟雾越浓导电率越大，输出的信号就越大。当烟雾浓度较高输出高于预定电压时，信号为低电平，LED 亮并报警，同时灭火球装置启动进行灭火处理。

　　智能垃圾回收箱主模块主是整个硬件系统的核心，为了能够更好地实现产品功能，选用低功耗、高性能的控制芯片至关重要。目前市场上单片机类型繁多，在考虑 51 单片机、PLC、AVR 单片机以及 STM 单片机后，主选用STM32单片机。STM32 单片机接口丰富，性能好、成本低，除了具有高度集成和易开发的优点外，其独有的 ARM Cortex-M[48]设计也使其能更稳定的工作。

　　另外，该款产品可以调用芯片供应商所提供的固件库，大大缩短开发周期。在 STM32 系列单片机中，经综合考虑，主采用 STM32F103ZET6 型号（如图 3.7），芯片采用 QFP 封装，工作电压在 2V 至 3.6V，属于 ARM Cortex-M3 系列，该款微处理器该芯片主频频率 72MHz，有 512Kb 的 FLASH 和高达 96Kb 的 SRAM空间；具有上电和断电复位，4-16MHz 的晶体振荡器；具有丰富的 IO 端口和片内外设，包含 2 个 I2C，3 个 12 位 ADC，4 个通用的 16 位定时器，2 个 PWM 定时器，含有 SDIO、SPI、USART、CAN 等通信接口，允许以串行方式与各种**设备进行通信。

　　（3）低能耗：为了降低能耗，该芯片具有低功耗模式，允许工作在睡眠、停机、待机三种状态[49]；

　　（4）适应性强：工作环境温度在-40℃~+85℃或者-40℃~+105℃，这保证了它可以在寒冬酷暑的季节稳定工作，完全符合本设计所需要求；

　　基于以上优点，选用 STM32F103ZET6 作为核心完全满足本设计所要实现的需求。3.4 智能垃圾回收箱显示器及扫描模块3.4.1 显示模块考虑到智能垃圾回收箱用户中老年人有一定占比，为了帮助老年人更好地使用本产品，并考虑到让用户在阴暗环境下更好的操作本产品，采用触摸显示屏作为系统的显示模块。

　　目前市场中常见的显示屏主要有 LED、LCD、OLED 等三种显示屏，其中 LED显示屏因屏幕太大不在本设计考虑范围；LCD 使用液晶材料，功耗低、像素集成度高，被广泛应用于电子设备；而 OLED 显示屏像素集成度高、更轻、响应更快，性能最好，但考虑到经济性，在不影响使用功能情况下选择 5 寸（800×480 像素）的 LCD电容式液晶屏作为显示器。STM32 配置有 FSMC 总线可以直接连接 LCD，对LCD 显示屏进行管理。

　　用户可通过显示屏上的提示步骤，选择相应的回收门进行垃圾投放，投放结束后，显示屏上会显示本次投放垃圾的重量并提示用户本次操作结束。3.4.2 扫描模块为了能够快速验证客户身份，本文的设计采用“一户一码”方案，即每家用户通过二维码绑定身份，智能垃圾回收箱上配置一款合适的扫描头模块，在使用时扫描二维码即可。选用兴通 XT2003C 二维码扫描模块，可以读取各类介质的一维码、二维。