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        1. 32位單片機控制的智能分類垃圾桶遠程實時監控系統設計

          2019-07-12

          摘要: 針對目前生活垃圾投放不便及垃圾桶管理不便等現象,采用 32 位 K60 單片機與 ZigBee 無線傳感網絡相結合的方法,設計了一種基于 32 位單片機控制的智能分類垃圾桶的遠程實時監控系統。該系統能自動判斷出是否有人靠近扔垃圾,自主地開、關垃圾桶蓋,同時還有語音文明提醒,并實時地將垃圾桶的狀況發送到垃圾處理中心,實現了對公共垃圾桶的集中管理和監控。較傳

          統垃圾桶而言,智能垃圾桶結構合理、性能穩定、成本低,功能更加實用與人性化。

          隨著生活水平的提高,智能化受到越來越多的人重視,與此同時,人們對智能產品人性化的要求也更高了。為響應人類文明扔垃圾的要求,必須消除以往垃圾桶的不足,通過合理的垃圾桶設計從而提高垃圾的處理效果,由此促進了智能垃圾桶的誕生。

          1 系統設計

          市場上的垃圾桶大同小異,大多采用腳踏式或手動打開來實現對垃圾的投放,智能化程度不高。鑒于此,本文設計了一套基于 32 位 K60 單片機與ZigBee( 一種短距離、低速率無線網絡技術) 無線傳感網絡相結合的遠程實時監控系統 ,對公共垃圾桶實現集中管理和監控。

          1. 1 智能垃圾桶遠程實時監控系統

          智能分類垃圾桶遠程實時監控系統主要由系統主控模塊、電源模塊、語音模塊、傳感器模塊和通信模塊等5 大模塊組成,簡稱簡易功能設備( RFD) 。系統架構圖如圖 1 所示。



          1. 1. 1 系統主控模塊

          系統主控電路的總體框圖如圖 2 所示。為使系統擁有較高的智能化水平,選用 Kinetis60 芯片( 簡稱 K60 芯片) 作為系統核心部件的微控制器。該芯片屬于 32 位 KL 系列,其特點是功耗低、性能穩定和價格實惠。K60 芯片作為控制器還可實現對語音模塊、ZigBee 模塊、傳感器模塊的控制,從而實現系統頂層的綜合管理、功耗控制和信息存儲等功能。

          射頻發射芯片同樣采用 K60 芯片,由于該芯片集成了 ZigBee 協議,作為監測和采集垃圾桶信息的無線傳感器網絡節點有3種形式: 協調節點、路由節點和終端節點。節點功能主要有人體紅外感應自動開關桶蓋、語音提示、重力監測等。

          1.1.2 電源管理模塊

          本系統采用太陽能供電系統。太陽光照在半導體電池板 P - N 結上,形成新的空穴 - 電子對,在 P - N 結電場的作用下,空穴由 N 區流向 P 區,電子由 P 區流向 N 區,接通電路后就形成電流,形成的電流通過圖 3 所示的電路輸出。

          供電系統采用可再生資源———太陽能作為電池,其缺點是太陽光強弱的變化較大,日常使用內阻較高,輸出電流小,且輸出電壓不穩定。為此系統進一步優化蓄電池充電過程,即電源電壓要做變壓處理: 通過單端反激式的直流變換電路將電源電路變壓后供給電池充電。這種電源電路采用的單端反激式變換器電路,是單管直流變換電路的一種,屬于直流變換電路。其工作過程如圖3 所示:開關管 VT 1 ,初級線圈 L 1 和 L 2 以及電容 C 2 構成初級回路; 次級線圈 L 3 、整流二極管 VD 1 和電容 C 3構成感應電路。當 VT 1 導通時,初級線圈 L 2產生感應電壓,方向為 1 正 2 負; 初級線圈 L 2 和次級線圈 L 3 構成了高頻變壓器,此時在 L 3 中的電壓方向為 5 正 6 負。當 VD 1 截止,初級線圈 L 2 儲存能量。當 VT 1 截止時,高頻變壓器次級線圈 L 3電壓方向反向( 5 負6 正) ,初級線圈 L 2 存儲的能量將輸出。其中,整流二極管 VD 1 起整流作用,次級電路中的電容 C 3 對電路進行濾波。變壓后通過 U 2 對整個電路進行供電。在系統中為使蓄電池能持續供電,畜電池的充電電壓設定為 3. 6V。為保證蓄電池的壽命,不過充電,限制電源電路的充電電壓為 4. 2V。電源電路的限壓電路由電阻 R 5 和R 6 、穩壓二極管 VP 3、開關管 VT 2 等組成,其工作過程為: 蓄電池開始充電,電阻 R 5 和 R 6 構成分壓電路,R 6 右端電位逐漸降低。當充電電壓大于 4. 2V 時,分壓電路開始分壓,穩壓二極管 VP 3 導通,此時 VT 2 開始導通,輸出電壓不再上升,充電電壓得到控制,同時采用小

          電流充電即可將蓄電池的電壓維持在 4. 2V。其中,VT 2 起分流作用,目的是降低 VT 1的集電極電流。

          本系統的電源模塊利用太陽能接收板儲存電能,蓄電池為備用電源。當陽光照射時,接收板采集能量向蓄電池充電,且為系統電路提供電源; 當光照條件較差時,蓄電池為系統電路提供電源。

          1. 1. 3 語音模塊

          本系統的語音模塊主要由音頻下載電路、存儲電路以及功放電路( 實現外放) 組成

          [5] 。系統通過

          音頻下載電路將語音下載并存入存儲模塊。當人與垃圾桶的距離接近到某范圍時,語音模塊開始播放設定的語音; 當人離開垃圾桶達到一定距離時,語音模塊再次啟動語音提示,播放設定的語音。本系統設有存儲電路,其作用是存放通過 USB接口下載的語音提示信息。語音提示可以是錄入的激勵人心的話語或者一些廣告語,通過功放模塊進行播報?;谙到y應用的需要,系統的音頻信號處理器選用 K60 開發板,該開發板側重于音頻信號處理,能滿足系統需要。如圖4所示,當端口P2.0 檢測到高低電平發生變化,音頻播放器會做出相應反應。例如若該端口是高電平,語音儲存的內容通過音頻放大器播放; 若端口是低電平,音頻

          放大器不工作。

          1. 1. 4 傳感器模塊

          1) 重力傳感器。

          本系統要將感受到物體的重力轉化成可用輸出信號,因此測重傳感模塊采用的是 TYC901 重力傳感器 。TYC901 重力傳感器直接輸出的信號強度較弱,為使 K60 芯片可以穩定準確快速地檢測到輸出信號,需在模塊電路中采用差分放大器放大輸出信號。信號放大后,通過 K60 芯片內部的 AD 轉換進行處理。


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