32位单片机控制的智能分类垃圾桶远程实时监控系统设计

2019-07-12

摘要: 针对目前生活垃圾投放不便及垃圾桶管理不便等现象,采用 32 位 K60 单片机与 ZigBee 无线传感网络相结合的方法,设计了一种基于 32 位单片机控制的智能分类垃圾桶的远程实时监控系统。该系统能自动判断出是否有人靠近扔垃圾,自主地开、关垃圾桶盖,同时还有语音文明提醒,并实时地将垃圾桶的状况发送到垃圾处理中心,实现了对公共垃圾桶的集中管理和监控。较传

统垃圾桶而言,智能垃圾桶结构合理、性能稳定、成本低,功能更加实用与人性化。

随着生活水平的提高,智能化受到越来越多的人重视,与此同时,人们对智能产品人性化的要求也更高了。为响应人类文明扔垃圾的要求,必须消除以往垃圾桶的不足,通过合理的垃圾桶设计从而提高垃圾的处理效果,由此促进了智能垃圾桶的诞生。

1 系统设计

市场上的垃圾桶大同小异,大多采用脚踏式或手动打开来实现对垃圾的投放,智能化程度不高。鉴于此,本文设计了一套基于 32 位 K60 单片机与ZigBee( 一种短距离、低速率无线网络技术) 无线传感网络相结合的远程实时监控系统 ,对公共垃圾桶实现集中管理和监控。

1. 1 智能垃圾桶远程实时监控系统

智能分类垃圾桶远程实时监控系统主要由系统主控模块、电源模块、语音模块、传感器模块和通信模块等5 大模块组成,简称简易功能设备( RFD) 。系统架构图如图 1 所示。



1. 1. 1 系统主控模块

系统主控电路的总体框图如图 2 所示。为使系统拥有较高的智能化水平,选用 Kinetis60 芯片( 简称 K60 芯片) 作为系统核心部件的微控制器。该芯片属于 32 位 KL 系列,其特点是功耗低、性能稳定和价格实惠。K60 芯片作为控制器还可实现对语音模块、ZigBee 模块、传感器模块的控制,从而实现系统顶层的综合管理、功耗控制和信息存储等功能。

射频发射芯片同样采用 K60 芯片,由于该芯片集成了 ZigBee 协议,作为监测和采集垃圾桶信息的无线传感器网络节点有3种形式: 协调节点、路由节点和终端节点。节点功能主要有人体红外感应自动开关桶盖、语音提示、重力监测等。

1.1.2 电源管理模块

本系统采用太阳能供电系统。太阳光照在半导体电池板 P - N 结上,形成新的空穴 - 电子对,在 P - N 结电场的作用下,空穴由 N 区流向 P 区,电子由 P 区流向 N 区,接通电路后就形成电流,形成的电流通过图 3 所示的电路输出。

供电系统采用可再生资源———太阳能作为电池,其缺点是太阳光强弱的变化较大,日常使用内阻较高,输出电流小,且输出电压不稳定。为此系统进一步优化蓄电池充电过程,即电源电压要做变压处理: 通过单端反激式的直流变换电路将电源电路变压后供给电池充电。这种电源电路采用的单端反激式变换器电路,是单管直流变换电路的一种,属于直流变换电路。其工作过程如图3 所示:开关管 VT 1 ,初级线圈 L 1 和 L 2 以及电容 C 2 构成初级回路; 次级线圈 L 3 、整流二极管 VD 1 和电容 C 3构成感应电路。当 VT 1 导通时,初级线圈 L 2产生感应电压,方向为 1 正 2 负; 初级线圈 L 2 和次级线圈 L 3 构成了高频变压器,此时在 L 3 中的电压方向为 5 正 6 负。当 VD 1 截止,初级线圈 L 2 储存能量。当 VT 1 截止时,高频变压器次级线圈 L 3电压方向反向( 5 负6 正) ,初级线圈 L 2 存储的能量将输出。其中,整流二极管 VD 1 起整流作用,次级电路中的电容 C 3 对电路进行滤波。变压后通过 U 2 对整个电路进行供电。在系统中为使蓄电池能持续供电,畜电池的充电电压设定为 3. 6V。为保证蓄电池的寿命,不过充电,限制电源电路的充电电压为 4. 2V。电源电路的限压电路由电阻 R 5 和R 6 、稳压二极管 VP 3、开关管 VT 2 等组成,其工作过程为: 蓄电池开始充电,电阻 R 5 和 R 6 构成分压电路,R 6 右端电位逐渐降低。当充电电压大于 4. 2V 时,分压电路开始分压,稳压二极管 VP 3 导通,此时 VT 2 开始导通,输出电压不再上升,充电电压得到控制,同时采用小

电流充电即可将蓄电池的电压维持在 4. 2V。其中,VT 2 起分流作用,目的是降低 VT 1的集电极电流。

本系统的电源模块利用太阳能接收板储存电能,蓄电池为备用电源。当阳光照射时,接收板采集能量向蓄电池充电,且为系统电路提供电源; 当光照条件较差时,蓄电池为系统电路提供电源。

1. 1. 3 语音模块

本系统的语音模块主要由音频下载电路、存储电路以及功放电路( 实现外放) 组成

[5] 。系统通过

音频下载电路将语音下载并存入存储模块。当人与垃圾桶的距离接近到某范围时,语音模块开始播放设定的语音; 当人离开垃圾桶达到一定距离时,语音模块再次启动语音提示,播放设定的语音。本系统设有存储电路,其作用是存放通过 USB接口下载的语音提示信息。语音提示可以是录入的激励人心的话语或者一些广告语,通过功放模块进行播报。基于系统应用的需要,系统的音频信号处理器选用 K60 开发板,该开发板侧重于音频信号处理,能满足系统需要。如图4所示,当端口P2.0 检测到高低电平发生变化,音频播放器会做出相应反应。例如若该端口是高电平,语音储存的内容通过音频放大器播放; 若端口是低电平,音频

放大器不工作。

1. 1. 4 传感器模块

1) 重力传感器。

本系统要将感受到物体的重力转化成可用输出信号,因此测重传感模块采用的是 TYC901 重力传感器 。TYC901 重力传感器直接输出的信号强度较弱,为使 K60 芯片可以稳定准确快速地检测到输出信号,需在模块电路中采用差分放大器放大输出信号。信号放大后,通过 K60 芯片内部的 AD 转换进行处理。


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