基于STM32单片机的景区智能垃圾桶的设计与实现.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：娄士旺(2004),男,汉族,安徽淮北人,本科生,研究方向为电子信息。-29-基于 STM32 单片机的景区智能垃圾桶的设计与实现 娄士旺 慈瑞东 周桓震 纪娟娟 张鸿斌 安庆师范大学电子工程与智能制造学院，安徽 安庆 246133 摘要：摘要：本文主要介绍一种新型垃圾桶，具北斗定位、火情检测及雨水喷洒、雨水收集、自动开盖、超载预警、光伏发电等功能。北斗定位模块与其它模块相结合，主要用于对垃圾桶的实时定位和信息传输。火情检测及雨水喷洒模块能够实时检测桶内垃圾是否具有发生火灾的危险，从而达到预防火灾的效果。雨水收集模块能够收集雨水，当火灾发生时，能够就近提供水源。自动开盖模块能够提供更加便利化、人性化的服务。超载预警模块具有防止垃圾过满溢出的功能。产品定位是以景区垃圾桶为主，能够为景区提供更加智能化的服务，降低景区火灾发生概率和公共财产的损失，营造更加安全低碳环保的社会环境。关键词：关键词：智能垃圾桶；STM32 单片机；北斗定位；光伏发电；传感器 中图分类号：中图分类号：TP271 0 引言 众所周知，脏、乱、差是垃圾桶的代名词，是各种细菌滋生的温床，疏于管理的垃圾桶上更是沾满了各种污渍，散发出废气和异味。景区面积大，地形复杂，垃圾桶数量大，回收效率低，成本大。此外，垃圾桶常常因为环卫人员清理不及时或者某时间段内某景点客流量大导致很快被填满甚至溢出，这样既影响了垃圾桶的正常使用也对景区形象造成不良影响1。可见目前公共场所的大部分垃圾桶并没有将功能设计达到最大最优化，也对我们的身心健康和游玩体验产生了重大的影响。为此，本款景区智能垃圾桶应运而生。1 产品介绍 本款垃圾桶是一种新型垃圾桶，产品定位于景区。其主要包含北斗定位模块，雨水收集与喷洒装置，火情检测装置和红外传感装置。北斗定位模块主要有以下用途：其一，在桶内顶壁安装的红外线装置用来实时判断垃圾的容量，当垃圾过满影响使用时便会触发警报器报警，同时通过发送垃圾桶的实时定位来提醒工作人员合理规划景区已满垃圾桶的垃圾回收路线，从而提高垃圾回收效率，节省人力物力；其二，火情检测装置是通过温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器来监测桶内火情情况，三者只要有其一发生感应，便会发生警报，同时雨水喷洒装置即刻工作，进行灭火2。若火情较大，通过北斗定位进行位置、信息的传输，提高消防救援效率，减少景区损失，保障游客安全。此外，垃圾桶外形的斜坡设计便于雨水进入内桶和外桶之间的雨水收集箱内，再利用顶部的太阳能板发电获得的能量来驱动雨刷清洁筒壁和太阳能板。2 箱体结构与功能技术 2.1 箱体结构 垃圾箱整体结构如图 1 所示。图 1 垃圾箱整体结构图 图 2 垃圾箱三视图 箱体顶部为弘扬节能环保理念，两侧设计成斜面中国科技期刊数据库 工业 A-30-来收集雨水，使自然界的水得到重复利用。这些水首先经过过滤装置过滤去除飘下的落叶以及大颗粒杂质，再流进水箱储存，用于桶壁、太阳能板的定期清洁，箱体中间设有电子设备区，用于放置北斗定位系统、蜂鸣器警报装置、火情检测传感器、小型蓄电池、并网发电模块和总控电路，箱体两侧分别装有储水装置，其内壁安装有渗水孔，渗水孔通过内置阀门进行统一控制，内壁清洁装置则围绕箱体四壁及底部进行安放。箱体内侧放有两个垃圾箱，红外感应装置围绕垃圾箱顶部进行放置，以检测垃圾容量的装满程度。同时，箱体外部设有垃圾装满指示灯用于提示游客及环卫工人垃圾桶是否已满。在供电方面，本装置的太阳能板将太阳能转为电力存在蓄电池中，用电器由蓄电池统一供电。多余的电力则通过并网发电模块传入电网中，其三视效果图如图 2 所示：2.2 垃圾箱关键技术 2.2.1 北斗卫星定位模块 北斗卫星定位过程：地面中心不间断向东星或西星发射内含测距信号、地址电文与时间码等的载波，将该载波定义为询问信号；东星或西星接收询问信号后，对其实施变频与放大等处理，并将其转发至待测闭合区域测量站；待测闭合区域测量站在询问信号内将需求信息注入其中，通过变频与放大等处理后将其反馈至东星或西星；东星或西星接收到反馈信号后，通过变频与放大等处理后将其传输至地面中心；地面中心接收反馈信号，通过处理后获取待测闭合区域测量站坐标或交换电报信息；地面中心将获取的信息传输至待测闭合区域测量站，待测闭合区域测量站接收信息并显示或输出。北斗定位原理图如图 3 所示。图 3 北斗卫星定位原理图 2.2.2 太阳能发电系统 本产品选用太阳能发电，利用太阳能光发电它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，将光能转化成电能。太阳能发电系统通过光伏数组（多个太阳能组列并联）将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为 220V,50Hz 正弦波）并储存多余的电能，多余的电能将用于阴雨天气对整个系统进行供电。太阳能电池板使用太阳能发电，利用太阳能光发电它包括光伏发电组成部分为光伏电池列阵、蓄电池组、转换电路以及逆变电路（逆变器）。转换电路是光伏发电的中间环节，其作用是对光伏输出电压进行调节，实现光伏电池的最大发电效率。逆变器的作用就是将太阳能电池列阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成交流电提供给负载使用。图 4 是太阳能发电的结构框图：图 4 太阳能发电结构图 图 5 是太阳能板的工作原理：图 5 太阳能板工作原理图 2.2.3 垃圾容量传感检测装置 红外线报警器是由报警主机和红外探测器组成的报警系统，其重要部分是红外传感器，当垃圾到达箱内顶部容量时，传感器就会产生交流感应电压。接线图如图 6 所示：中国科技期刊数据库 工业 A-31-图 6 红外报警接线图 红外警报有发送和接收两个组成部分。通过 STM32单片机将二进制信号牌重新编制为脉冲信号，由红外发射管发射红外信号。红外接收完成对红外信号的接收、放大、检波、整形，并解调出遥控编码脉冲。团队决定采用 HS0038 一体化红外接收头放大、检波、整形得到编制信号，因为 HS0038 价格便宜，性能可靠。再利用 STM32 单片机进行解码执行并控制相关对象。其电路原理如图 7 所示。2.2.4 蜂鸣器报警装置 图 7 HS0038 红外接线图 图 8 蜂鸣器警报电路图 当垃圾桶内垃圾容量触发红外报警时触发垃圾桶蜂鸣器警报装置，感应装置发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，STM32 单片机控制蜂鸣器原理电路图如图 8 所示。2.2.5 LED 跑马灯警报感应装置 当垃圾桶内有火情或即将发生火情，火情检测装置成功检测到时或垃圾容量触发红外报警时触发垃圾桶LED警报装置，LED警报装置原理电路路如图9所示：图 9 LED 警报灯原理电路图 感应装置发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，在相应的 GPIO 口处开通通道，对 GPIO 口处配置高低电平，从而实现对警报灯的亮灭控制。STM32 单片机控制 LED 跑马灯程序如图 10、11 所示：中国科技期刊数据库 工业 A-32-图 10 跑马灯程序展示图 图 11 跑马灯警报展示 2.2.6 垃圾桶内壁自清洁(内壁清洁机械结构)垃圾桶内壁自清洁的清洁工作由刮刷来完成;刮刷在垃圾桶内的四壁和底部，于框架清洁机构，由电机驱动，电机首先通过蜗轮蜗杆机构进行减速。蜗轮中心开有通孔并进行攻丝，有丝杆，丝杆的端面安装在刮刷上;当蜗轮旋转时，带丝杆直线移动，最终带动两头的刮刷进行清洁3。垃圾桶内壁自清洁机构内还有雨水收集部分，利用雨水来提高清洁效果。雨水首先落到垃圾桶上方雨水收集口，再通过过滤层后进入到储水箱内，并和其中的清剂混合存储，当需要清洁垃圾桶内壁时，控制阀门打开，雨水通过漏水孔组流至刮刷，启动刮刷实现清洁。具体结构如图下所示：1-储水箱收集口（带过滤装置）2-漏水孔组带阀门 3-刮刷4-电机 5-导轨 6-保护罩 7-传动装置（蜗轮、轴承）8-蜗杆 图 12 自清洁剖面图 图 13 底部和侧壁（水箱）清洁装置的示意图 3 产品创新点分析（1）北斗定位。本产品应用北斗定位其全球覆盖的特点，平时进行实时监测该模块可以上传数据实时发送自身定位到物联网开放平台，以此上报给管理员精准方便回收垃圾，提高效率，降低人工成本。提供更强的安全和应急功能。在灾害发生时，可以通过北斗定位系统实时获取受灾区域的位置信息，提供更强的安全和应急功能。（2）预防监测。本产品有火情预警与雨水收集技术的应用，能够实时检测桶内是否有发生火灾的危险，一旦危险情况发生，能够使用雨水收集技术收集的水资源，进行灭火，无需从它处抽取更多的淡水资源。中国科技期刊数据库 工业 A-33-减少人力、物力消耗，达到降低火灾发生的概率和节能减排的效果。（3）红外感应装置。一方面可以避免垃圾装载过满，溢出桶外，间接的防止了垃圾的废气臭气传播到空气中，减少了对空气的污染，提升游客游玩体验。另一方面，自动开盖功能的人性化设计，也提高了景区的智能化。（4）节能环保。本产品不仅可以在平时收集雨水，并且用活性炭吸附方法。活性炭具有低耗能、净化彻底、工艺成熟、净化能力较高、易于推广、可再生性等特点。活性炭材料孔隙率高，具有表面具有非极性、疏水性、抗腐蚀性等特点。污染气体经过活性炭材质时，会被活性炭内部的微观孔结构吸附，进而达到净化效果，尤其对有机气体具有很好的吸附效果。（5）创新点的实现。为确保新功能的可行性和稳定性，在产品设计和研发的过程中会进行用户测试和反馈收集，来不断改进产品。综上所述，本垃圾桶采用模块化设计，便于生产，制作成本较低；其次，本垃圾桶技术可行性高，对景区来说具有较强实用性，能够提升景区形象和用户体验。4 产品主要性能 其一，北斗定位模块，面对景区垃圾桶多而乱的局面，经过精准的北斗定位，能够精确到亚米级，能够以“上帝视角”观察各处垃圾桶装置的实时的情况，并与火情检测及雨水喷洒、超载预警等模块相互结合应用，为打造智能化、现代化的景区赋能。其二，雨水收集系统，雨水里常会携带有高空中的灰尘等各种黏性物质，易在垃圾桶中产生污垢，而且雨水中含有的硫酸、硝酸等酸性成分还会对漆面产生腐蚀作用。使用本雨水收集系统进行雨水收集，能够降低垃圾桶外的的磨损消耗；同时在垃圾倾倒出垃圾箱后用雨水进行快速清洗，可以防止垃圾在垃圾箱壁内的堆积腐蚀，大大提高了垃圾桶的使用寿命。其三，产品中加入了火情检测及雨水喷洒装置，生活中垃圾桶内因有易燃物而引发火灾的事件屡见不鲜，加入火情检测及雨水喷洒系统，能够实时检测垃圾桶内的温度、热源、烟雾浓度等情况，灵敏度高、实时性强，当垃圾桶内温度过高或者有引发火灾迹象时，可以及时检测并进行雨水喷洒进行降温处理，大大降低了火灾发生概率，既保护了生态环境，为绿色、安全景区赋能，又减少了发生火灾的物力、人力的消耗。本作品还引用太阳能设备，将太阳能转化为电能进行储存，从而实现前面装置的使用，不需要浪费多余的电力，实现资源利用的最大化。5 结论 随着全球化气温的升高，干旱期延长导致可燃物的急剧增加，使森林火险期提前和延长，造成林火强度、频率和过火面积增加以及我国经济水平不断提高，人们对美好生活有了进一步要求，对生活环境也有了进一步要求4。智能化垃圾桶的出现，极大地解决了垃圾桶难以管控、垃圾桶污染周围环境等问题，并且节省了人力、财力等资源的消耗，相信随着科技发展与进步，越来越多的新功能将被人们所创造。这种景区智能垃圾桶完成了垃圾桶的革新，与之前的纯机械式的垃圾桶有了较大的改观，它可以通过北斗定位系统和火情检测及雨水喷洒系统实时监测垃圾桶状况，降低森林火灾发生的概率，雨水收集模块实现大自然水资源的重复利用，太阳能板来完成光能与电能的转换，达到了能量的重复利用，形成了更加环保的垃圾桶。然而这种垃圾桶只是通过制止已满垃圾桶继续承装和及时回收的方式减轻垃圾的污染问题，还是没有从根源上解决其异味的问题。因此，此种垃圾桶开创了垃圾桶的后来延展5。此外，由于我们采用了电子设备提升垃圾桶的智能化，因此，维护成本方面也有待提高，但由其结构设计合理，故障率极低，总体来说，本垃圾桶顺应时代发展浪潮，能够提高景区的经济效益，为游客提供舒适的游玩体验，相比于传统形式优势明显。参考文献 1戴礼骁,蒋陈苗,薛兵兵.太阳能智能垃圾桶的设计J.电子技术,2013,42(12):33-34.2张河,张桂梅,段磊鹏,王婷婷.基于 51 单片机的智能垃圾桶开发J.电子技术,2021,30:19-22.3李智杰,李吉清,卢志明,卢卓浩.智能环保的压缩垃圾桶设计J.电子技术,2022,46.中国科技期刊数据库 工业 A-34-4韩增祺,柳美平,李循珠.基于单片机的智能火灾报警器设计J.电子技术,2022,30(09):73-75.5 速 云 中 基 于 北 斗 卫 星 定 位 系 统 的 实 时 闭 合 区 域 三 维 建 模 和 土 方 平 衡 计 算 J.电 子 技术,2020,34(11):1583-1587 基金项目：大学生创新创业训练计划项目(新型太阳能环保垃圾桶,S202110732061)。