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基于多传感器的智能垃圾桶设计

一、选题的目的和意义

为了减少生活垃圾对土壤、大气、水源的污染，防止生活垃圾对人们的健康造成危害，设计一款可以有效地提高垃圾回收和再利用的基于多传感器的智能垃圾桶是十分有必要的。使用基于多传感器的智能垃圾桶有利于保护我们的生态环境，维护良好的市容市貌，减少资源的浪费。多传感器智能垃圾桶能够感知垃圾的高度并及时提醒使用人员清理垃圾，是实现垃圾减量化和资源化的重要途径和手段，是有效处置垃圾的一种科学管理方法。因此，开展基于多传感器的智能垃圾桶设计具有重要的现实意义和一定的推广应用价值。

二、相关文献综述（1000字左右，与主要参考文献对应）

为了此设计的科学性和严谨性，也为了在设计过程中对多传感器智能垃圾桶工作的原理、发展现状以及基本形态深入了解，本人查阅了大量的相关文献，比如：丁礼磊等（2022）“基于NB-IoT网络的智能垃圾桶设计”，毛玉星等（2022）“单片机原理及接口技术”，李长江等（2022）“基于SqueezeNet-Tiny的可回收垃圾智能垃圾桶设计及实现”等。

丁礼磊在2022年发表的“基于NB-IoT网络的智能垃圾桶设计”中，采用STM32为系统的主控芯片，烟雾检测模块、红外检测模块、水位传感器、直流马达和水泵等作为外围器件，利用NB－IoT模块实现智能垃圾桶终端与远程监控平台通信，另外针对所要实现的功能对垃圾桶的结构也进行了优化设计。在对垃圾桶进行结构设计时，结合使用环境和结构，对垃圾桶的结构进行了优化设计，智能垃圾桶由内外壁、上沿圈、垃圾桶盖、齿轮驱动机构、传感器系统和执行器等组成。在进行系统设计时，考虑到智能垃圾桶系统由多个垃圾桶终端和监测平台组成，它们通过NB－IoT进行远程通信。设计的基于物联网技术的智能垃圾桶能完成自动灭火、自动打开和关闭功能，同时能将多个垃圾桶的状态信息传送到远程监控平台，对垃圾桶进行集中远程监控，以便作出相应的决策。

毛玉星等在2022年发表的“单片机原理及接口技术”中，针对单片机内容抽象，难以理解，不会编程等现象，进行了串口通信部分授课内容的梳理和实验内容的改革。通过对该文献的学习，我对单片机串行口的结构，串行口控制寄存器，波特率发生器，串行口的工作方式，串行口的中断申请，串行通信的错误校验等有了更加深刻的了解和认识。基本掌握了单片机系统设计的软硬件基础理论知识，具有硬软件系统设计技能。相信这些知识在后续设计多传感器智能垃圾桶时会有所应用。

李长江等在2022年发表的“基于SqueezeNet-Tiny的可回收垃圾智能垃圾桶设计及实现”中，基于SqueezeNet的改进模型，提出了SqueezeNet-Tiny，解决模型较大造成的工业应用困难、可回收垃圾图像特征太复杂造成的模型泛化能力不足等问题。在自制的可回收垃圾数据集（Recyclable Waste Dataset）上实验，验证了其在参数量较少的情况下也具有良好的泛化能力。文献中指出：在图像识别的过程中，传统的卷积神经网络往往通过 简单的堆叠网络层数来获取较高的模型正确率，例如AlexNet、VGG16Net、GoogleNet等，但这样做会带来复杂的网络模型与庞大的网络参数量，在小型数据集上易出现过拟合现象，导致模型正确率不增反降，同时消耗大量训练时间，不利于对网络进行优化和后续的硬件部署工作。为了保证模型性能的同时减小模型的参数量与运算量，轻量级网络模型的提出与设计显得尤为重要。其中还将SqueezeNet-Tiny嵌入至树莓派上，最终实现了可回收垃圾的智能分类。

通过对上面文献的学习，本人对于多传感器的智能垃圾桶设计有了扎实的知识基础。众多前辈对智能垃圾桶的设计进行了深入的研究，但是在多功能方面仍有不足。因此，本文具有研究价值和一定的现实意义。

三、研究内容

对基于多传感器的智能垃圾桶研究范围进行界定，搜集相关研究的文献资料；了解基于多传感器的智能垃圾桶工作过程。通过调研，确定该项目研究范围，分析该项目的设计内容以及要实现的主要功能。按照单片机控制系统分析定制方案，列出可选方案，实现对垃圾桶盖的自动控制和对垃圾高度的检测。

1  引论

1.1  选题的依据及意义

1.2  智能垃圾桶的发展概况

1.3  课题的主要研究内容

2  系统总体设计

2.1  系统整体框图

2.2 STC89C52RC 单片机

2.3  液晶显示器芯片

2.4  复位电路

2.5  晶振电路

3  硬件电路设计

3.1  红外感应模块

3.2  电机驱动模块

3.3  超声波测距模块

3.4  蜂鸣器模块

3.5  电源模块

4  系统软件设计

4.1  系统程序总体流程图

4.2  超声波测距模块的程序设计

4.3  控制电机正反转的程序设计

4.4  液晶显示程序设计

5  系统调试与分析

5.1  系统仿真

5.2  实物调试

四、研究方法、步骤及措施等

（一）研究方法

1.理论法：通过网上查找与观看相关的讲解视频，并根据自己的理解加入到自己的设计中，期间有疑问或者有学术上的问题，及时和指导老师交流并解决自己的问题。

2.文献研究法：通过图书馆借阅相关书籍和网络收集科技前沿信息，了解国内外最新研究成果。查阅相关文献资料，了解设计分析的相关知识，将收集到的文献进行分析整理，选取出其中需要的部分，来辅助完成设计。

3.对比研究法：通过对市面上已有的智能垃圾桶就行比较，取其精华去其糟粕，以确定最佳设计方案。

（二）研究步骤

第一阶段：根据毕业设计任务书的要求，熟悉、了解仿真相关内容，在图书馆，电脑上大量查阅资料，然后开始撰写开题报告；针对指导老师提出的修改意见，完成开题报告的修改，经院部审定后开始毕业设计。

第二阶段：通过之前在图书馆、知网、等网上查询学习，掌握所需的理论知识。

第三阶段：利用放假时间，自己整理之前所得到的材料，进行仿真发现所存在的问题并及时更正。

第四阶段：实习期间完成毕业论文；毕业论文定稿；准备答辩。

（三）研究措施

1.依靠学校图书馆查找相关资料。

2.在网上搜索多功能智能垃圾桶，分析研究其工作原理和结构。

3.依靠Proteus 8 Professional，对建立的智能垃圾桶模型进行进行仿真实验。

 

五、进度安排

2022.10.20—2022.11.04 查阅资料、撰写开题报告；

2022.11.5—2022.11.20 开题报告撰写质量检查及整改；

2022.11.05—2022.12.22 初步设计，完成论文初稿；

2022.12.23—2022.12.31 开展中期检查；

2022.12.23—2023.04.06 完善设计，完成论文定稿、查重；

2023.04.7—2023.04.14 开展毕业设计评阅；

2023.04.15—2023.04.30 进行毕业设计答辩；

2023.05.01—2023.05.06 提交成绩；

2023.05.06—2023.05.30 毕业设计归档；

六、主要参考文献

[1]丁礼磊.基于NB-IoT网络的智能垃圾桶设计[J].自动化与仪器仪表,2022(09):124-127+131.

[2]毛玉星,郭珂,刘卫华.单片机原理及接口技术[M].重庆:重庆大学出版社,2022.

[3]李长江,余海涛,李官星,李玥洋,谭雯文.基于SqueezeNet-Tiny的可回收垃圾智能垃圾桶设计及实现[J].现代信息科技,2022,6(17):75-77.

[4]吴剑英,平雪良,张逸伦,等.可移动智能垃圾桶定位及检测技术[J].机械制造与自动化,2020,49(04):162-164.

[5]谭淑梅,李松.基于单片机的智能垃圾箱的设计与制作[J].大庆师范学院学报,2020,40(03):96-103.

[6]聂壮壮,李伟恒,冯海杰,等.基于物联网的智能垃圾桶[J].物联网技术,2021,11(3):62－63+67.

[7]陈博行,马俊,方卫强.基于MSP430F149的智能温度采集系统设计[J].自动化与仪器仪表,2020,(4):93－96．

[8]李金玉,陈晓雷,张爱华,等.基于深度学习的垃圾分类方法综述[J].计算机工程,2022,48(2):1-9.

[9]胡煜,王勋,陶铭.基于NB-IoT的智能垃圾桶系统设计与实现[J].物联网技术智能处理与应用,2021(5):97.

[10]盛慧龙,王玉鹏,王淼,王宇童.基于STM32智能垃圾桶的设计[J].电子制作.智能应用,2021(07):48.

 

摘  要

垃圾桶在人们的日常生活中必不可少，目前在市场上的垃圾桶种类五花八门，但是大部分垃圾桶基本都是大同小异的脚踩式或手动翻盖式的开放式垃圾桶，功能单一，使用人员不能及时获悉垃圾含量。随着现代科技的飞速发展，各类传感器技术逐步成熟，基于传感器的智能设备也如雨后春笋般多了起来。开发一款基于多传感器的智能垃圾桶将会有良好的发展前景。

本次毕业设计基于红外传感器和超声波传感器开展智能垃圾桶的研究。首先基于设计需求，完成了系统总体设计。智能垃圾桶整体系统除垃圾桶本体外，由STC89C52RC单片机、LCD1602液晶显示器芯片、红外感应模块、电机驱动模块、超声波测距模块、蜂鸣器模块、电源模块等部分组成。然后对系统的红外感应模块、电机驱动模块、超声波测距模块、蜂鸣器模块和电源模块等硬件电路进行了设计。接着在分析系统工作时序的基础上，完成了超声波测距模块、控制电机正反转、液晶显示等程序设计。最后利用Proteus 8 Professional软件对系统进行仿真分析，并进行了实物调试。

仿真和实物调试结果表明，本次设计的智能垃圾桶实现了感应人体与自动开关盖、垃圾高度检测报警等功能，实用性强。该智能垃圾桶对提高人们的环保意识有一定的促进作用，具有较好的推广价值。

关键词：智能垃圾桶；单片机；传感器

 

1 引  论

1.1 选题的依据及意义

城市生活垃圾是现如今人们面临的主要问题之一，由于其危害的严重性，全球范围内的国家都引起了重视。自从改革开放以来，我国经济迅猛增长、城市化标志越来越明显，工业和制造业蓬勃发展，都会产生较多的垃圾，垃圾不仅仅是放错地方的资源，最主要的是它的危害性，每日产生的垃圾数量不断增大，尤其是近年来，随着国民经济的快速发展，公共场合的垃圾不能及时快速的清理，造成的环境危害和卫生的问题也越来越严重，所以智能垃圾桶的出现是必要的。

随着现代科技的不断发展以及人们物质生活的不断提高，人们开始追逐健康卫生、人与自然和谐相处的生活环境。其中环境卫生问题越来越引起人们的高度重视。手动翻盖式垃圾桶存在使用和维护不便的问题，容易积灰，容易潮湿造成垃圾变味滋生细菌，且手动翻盖式垃圾桶容易被损坏，维修成本高，不利于可持续利用。随后人们又发明出脚踩式翻盖垃圾桶，但是由于脚踩力度不宜控制，如果经常大力踩踏，脚踏板寿命将会缩短，需要经常维修，并且在扔垃圾时需要一只脚踩在踏板上，易导致身体不稳，可能造成安全问题，十分不方便。所以人们迫切需求一款智能垃圾桶，具有感应人体自动开盖、丢完垃圾自动关闭盖子、垃圾装满及时报警防止垃圾堆积的功能。由此基于多传感器的智能垃圾桶应运而生，具有良好的现实意义。它的出现标志着人们对环境的保护意识又提高了一个层次，同时也给现在的科技领域提供了一个很好的展示平台。

1.2 智能垃圾桶的发展概况

垃圾桶作为人们日常生活不可缺少的装置，按摆放的地点可分为公用垃圾桶和家用垃圾桶，按制造材质可分为塑料垃圾桶、木质垃圾桶以及金属垃圾桶，近年来许多家庭为了美观，会选择购买容积较大，外观简洁大方的无盖垃圾桶。经过调研分析，目前市面上的垃圾桶主要存在下列待改进的地方：

（1）垃圾桶密封性不强或者没有盖板，会向周围散发难闻气味，还容易滋生细菌，对环境和人体都有一定的危害性。

（2）无法自动打开盖板，为不便行走的用户带来不便。

目前，市场上有很多不同的垃圾桶，但就设计而言，它们只不过是用脚踩开盖的或直接无盖暴露垃圾的，没有检测功能。在传感器技术快速发展的时代，具有各种功能的智能仪器、仪表和自动化设备正逐渐出现在社会的日常生活中。在不久的将来，智能技术和自动化技术将得到更广泛的应用，因此开发多功能智能垃圾箱将是一个必然的趋势。除了传统的开放式垃圾箱，如今市场上也有不同类型和功能的智能垃圾箱。如今，市场上生产的智能垃圾箱使用红外和其他传感设备来解决一些问题。通过集成电路处理传感器信号并将其发送到电机电路，驱动步进电机控制垃圾盖的打开和关闭，以达到智能打开和关闭垃圾盖的目的。除了红外垃圾桶检测，还有智能语音信息。垃圾桶配有可广播的语音扬声器，安装在垃圾桶底部或桶壁上，并配有手动控制按钮，更方便。垃圾桶作为人类日常生活中不可或缺的一部分，必然会随着时代的进步和技术的发展而更新和取代，变得更加智能和方便。尽管垃圾桶已经在智能领域进行了一次小测试，但距离它们的理想状态还有很长的路要走。

1.3 课题的主要研究内容

该设计主要采用STC89C52RC单片机作为系统的核心设计，制作一款多功能智能垃圾箱系统，系统最终会自动识别垃圾高度，并对人们发出警告。该设计采用了通过红外传感器探测垃圾箱前方有无人员的微控制器作为控制中心。启动步进电机，然后将电脉冲中心转换为角度或线，发动机以中心角旋转以返回垃圾箱并关闭垃圾箱。超声波测距用于确定垃圾是否充满。如果垃圾桶已满，它将检查垃圾，以警告人们垃圾桶已被填满。具体研究内容如下：

（1）根据指示灯的亮灭情况来判断红外感应是否检测到人体；

（2）桶内垃圾的高度可以通过超声波测距模块来检测；

（4）LCD1602液晶能够清晰地显示出当前垃圾桶的状态；

（5）蜂鸣器能够报警提醒人们处理垃圾。