王先春,汪大理, 吴云昌, 周 洲



基于太阳能供电的自动垃圾箱控制系统

王先春*,汪大理, 吴云昌, 周 洲

(湖南文理学院 物理与电子科学学院, 湖南 常德, 415000)

目前传统的城市垃圾箱一般开口在侧面,投放垃圾时很不方便, 同时垃圾箱敞开,桶内的垃圾产生的异味容易散发出来刺鼻, 不卫生. 为解决这个困扰市民生活已久的问题, 提升城市文明卫生水平, 本文提出了一种基于太阳能供电的自动垃圾箱控制系统. 本设计通过红外线传感器技术、光伏发电技术、微控制器技术相结合的方式使垃圾箱实现了自动开关门、环保等特性.

单片机; 传感器; 太阳能智能系统; 便捷应急充电; LED照明;

垃圾箱是城市不可或缺的卫生助手, 目前市面上的垃圾箱一般开口在侧面, 垃圾投放时很不方便, 同时垃圾箱口敞开, 垃圾在桶内产生的异味容易散发出来, 不卫生易滋生细菌传染疾病. 为方便人们的生活, 美化城市的环境, 设计了一种基于太阳能供电的自动垃圾箱, 它是基于红外线技术, 光伏发电技术的智能绿色环保垃圾箱. 在丢垃圾时, 只需把垃圾伸到垃圾投放口的上方, 垃圾箱盖就会自动打开, 丢完垃圾后又会自动关闭, 另外还设计了夜间照明系统、便捷应急充电器系统、城市广告板的功能.

1 系统组成

系统由主控芯片、红外线传感器检测模块、机械传送模块、电机驱动模块、便捷应急充电模块、LED照明及广告模块和光伏发电模块组成(图1).

图1 整个系统结构框图

光伏发电模块由太阳能电池板、控制器和蓄电池组成. 太阳能电池转化的电能为系统的各个模块提供电能, 多余的电能储存在蓄电池中, 供无光照时使用; 传感器检测模块将检测到的信号及时传送给单片机, 单片机根据传感器采集到的信号判断有没有人来丢垃圾; 便捷充电模块利用太阳能电池转化的电能经过稳压等处理之后, 可以为市民随身携带的移动设备提供便捷的应急供电; LED照明及广告模块在美化城市的同时为市民夜间行走提供照明.

2 硬件控制电路设计

2.1 系统电源模块

该模块以LM317芯片、LM2596芯片及LM2940芯片为核心构成一个降压稳压电路模块, 将蓄电池的电从12 V降到5 V和7.2 V. 以LM2940线性稳压芯片为核心的稳压电路给单片机、人体释热红外传感器及各种控制芯片提供稳定的5 V电源. 以LM317稳压芯片为核心的稳压电路为电机驱动模块提供7.2 V电源; 以LM2596开关稳压芯片为核心的稳压电路, 为LED照明系统及便捷充电模块供电[1].

2.2 主控芯片CPU和电机驱动模块

单片机是Atmel公司生产的低电压, 高性能CMOS微处理器, 片类带可擦写的程序存储器, 共有4个8位I/O接口, 功能满足系统要求. L298N是SGS半导体公司生产的直流电机专用控制芯片, 能产生正反转控制信号, 带散热片, 输出功率强, 易于与单片机结合实现单片机控制[2].

以单片机为主控芯片, 在软件的配合下用P1口作为传感器信号输入口, 扫描多点红外传感器的监控信息, 信息经处理运算后, 通过P2口输出脉冲给电机驱动电路, 驱动电机的正反转, 从而实现箱门的开关. 电机选用大功率直流电机, 每个电机用2位I/O口控制, 所以P2口的P2.0和P2.1控制第1个电机的转向即控制垃圾箱的第1个门的打开与关闭, P2口的P2.2和P2.3控制第2个电机的转向即控制垃圾箱的第2个门的打开与关闭.

为避免电机工作时对单片机主控芯片的干扰, 在驱动电路中加入反相器和光耦隔离控制电路和电机驱动电路, 使主控芯片单片机能稳定可靠地工作(图2).

图2 主控芯片CPU 及电机驱动电路

2.3 传感器检测模块

该模块由2个人体释热红外传感器采集模块构成, 分别用来检测2个垃圾箱是否有人需要丢垃圾(一个是可回收垃圾箱, 一个是不可回收垃圾箱). 同时这2个人体释热红外传感器采集模块分别与单片机的P1.0和P1.1相连. 当有人将手伸向垃圾箱准备丢垃圾时, 人体释热红外传感器就可以迅速的采集到人体释放出来的红外信号, 同时向单片机对应的端口发送一个高电平信号.

PIR是一种以非接触形式检测人体或动物辐射的红外线能量变化, 并将其转化成电压信号输出的传感器. BIS001是一种高性能的信号处理集成电路, 由运算放大器、电压比较器、延迟时间和封锁时间定时器等构成, 它与PIR和少量外接元器件可构成被动式的人体红外传感器采集电路[3—4].

人体释热红外传感器信号检测电路中的PIR采用LH1778来监测人体红外信号, 采集的信号经BIS0001放大处理后以高低电平的形式输出给单片机运算处理, 从而实现对设定区域的信号采集. 在监测电路中可通过调节精密电位器RP1对BIS0001内部放大器放大倍数的控制, 从而增减PIR探头探测的灵敏度, 实现对感应距离的控制, 调节RP3控制信号的输出延时时间(x),x≈ 49 152 × R8RP3C5, 默认为x≈ 1 s; 调节RP2控制信号的输出封锁时间(i), 监测电路在这个时间里输出低电平,i≈ 24 × R5RP1C7, 默认为1.2 s, 所以结合x和i可控制监测电路的探测周期. 实物中对PIR探头做了两种处理以实现对其监测面积的控制. 当套用自制的金属框时可调节到半径为50 cm左右, 45°角的扇形区域的探测, 套用内径为1.5 cm的空心金属套筒时, 探测范围变成一条长约50 cm的直线. 经多次验证测试人体释热红外传感器信号检测电路达到设计功能.

2.4 LED照明及广告模块

本模块设计中, 将广告牌安装在垃圾箱体的上方, 广告牌内可以很方便的安放各种广告, 广告牌的4个角落每个角安装一个1 W的LED灯, 在为市民夜间活动提供照明的同时美化城市环境, 为城市增添夜景.

LED照明电路采用基于LM2596开关稳压芯片为核心的恒压恒流电路, 当输出电流小于设定值时,就自动工作在恒压输出模式, 当输出电流大于设定值时, 就自动工作在恒流输出模式, 可以为LED灯提供稳定可靠的驱动电源. 4个LED灯的安装方式按照每两个LED灯串联之后再并联起来的方式连接.

照明控制电路采用以NE555芯片加光敏电阻为核心的光控开关对4个LED灯控制亮与灭, 每当夜幕降临时光线降到一定的暗度光控开关便会控制4个LED灯发光. 当光线恢复到一定的强度时光控开关便会控制4个LED灯熄灭停止工作. 阈值光线值可以通过调节电位器R20的值来改变.

2.5 便捷充电模块

该模块采用的是TP4056构成的充电器. 该充电器可以为外接设备提供一个充电电源. 通过一个十合一万用充电转接线可以很方便的为各种型号的手机等移动设备提供应急充电.

TP4056是一款完整的恒流/恒压的线性充电器, 底部带有散热片, 外部元件数目较少, 是便携式应用充电器的理想选择. TP4056 可以适合USB电源和其他适配器电源工作, 广泛应用于移动电话、PDA、MP3、MP4播放器、数码相机、GPS、便携式设备等各种充电器.

由于内部采用了PMOSFET 架构, 加上防倒充电路, 所以不需要外部隔离二极管. 热反馈可对充电电流进行自动调节, 在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制. 充电电压固定于4.2 V, 通过一个可变电阻器调节充电电流. 在达到最终浮充电压之后, 充电电流降至设定值1/10时, TP4056将自动终止充电循环. 当输入电压(交流适配器或USB电源)被拿掉时, TP4056自动进入一个低电流状态, 将电池漏电流降至2 μA以下. TP4056在有电源时也可置于停机模式, 以而将供电电流降至55 μA. TP4056的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED状态引脚.

2.6 光伏供电模块

2.6.1 材料配件的选配

主要零配件有太阳能电池板、太阳能蓄电池、太阳能控制器、太阳能支架等, 其中最需要配套的是太阳能蓄电池和太阳能电池板. 如果太阳能电池板的功率偏大, 蓄电池的容量偏小, 就会浪费资源, 而且发挥不出最大的实际使用功率; 如果太阳能蓄电池容量偏大, 太阳能电池板功率偏小, 就会导致蓄电池充电不满.

本模块设计中, 选用的是单晶硅太阳能电池板, 单晶硅太阳能电池相对与多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜电池具有效率高、技术成熟等优点, 当然成本也稍高, 综合考虑各方面的因素选用了单晶硅太阳能电池板, 选用全密封式免维护铅酸蓄电池, 它具有价格低、电压稳定、无污染、整个使用周期内无需维护使用方便等优点. 选用长沙光合公司生产的12/24 V-10 A的智能型太阳能光电控制器, 它具有智能优化SOC控制、高精度稳定补偿、防过充、过放、点短路、防反接保护等全自动控制等优点.

2.6.2 太阳能电池板与蓄电池配置计算公式

① 根据以下公式计算出电流. 电流=功率÷电压.本系统设计使用了12 V蓄电池系统. 设计功率: 1 W的LED灯4只以及单片机、2个直流电机等, 一天内的平均功率约为3 W. 所以: 电流=3 W ÷ 12 V = 0.25 A.

② 计算出蓄电池容量需求: 蓄电池容量＝电流×工作时间×连续阴雨天数. 设计需要满足连续阴雨天3天的照明需求. 所以: 蓄电池容量= 0.25 A × 24 h × 3 d = 18 Ah. 留有一点盈余所以最终选用20 Ah的蓄电池[5].

③ 计算出电池板的需求峰值(P):P÷ 电压= (电流× 工作时间× 120%) ÷ 有效光照时间. 系统每天累计工作时间为24h; 考虑到垂直光照时间短, 电池板平均每天接受有效光照时间设为4h, 需要最少放宽对电池板需求20%的预留额. 所以:P÷ 17.6 V = (0.25 A × 24 h × 120%) ÷ 4 hP= 31.68 W. 考虑理论与实际的差值及预留所以我们选用40 W的太阳能电池板.

3 软件设计

控制部分软件采用C语言在Keil环境下编写(图3).

图3 程序流程图

初始化主要是针对单片机内部变量的赋值及输入端、输出端的清零、定时器中断初始化等. 在无人进入垃圾投放检测区域时, 传感器输入到单片机的信号一直为低, 当将垃圾袋伸进垃圾投放检测区域时, 相对应的传感器会输出高电平, 单片机开始从P1.0至P1.3逐位扫描进行信号检测, 当检测到P1.0或P1.1中某位为高电平时, 相对应的电机立即响应, 实现箱门的打开, 同时对应的定时器中断初始化开始工作. 当检测到P1.2或P1.3中某位为高电平时, 说明对应的箱门已经完全打开, 相应的电机立即停止工作. 当定时器中断溢出时, 说明垃圾已经投放完毕, 电机反转箱门关闭.

4 机械及外型设计

垃圾箱分为上下2部分, 上面为广告板部分, 主要包括广告板、顶棚、太阳能电池板. 下面为垃圾箱体, 采用封闭设计, 分为2个仓, 一个为可回收仓, 另一个为不可回收仓. 垃圾投放口在正上方, 左右各一个, 中间为便捷应急充电盒. 指示灯及红外传感器处于垃圾投放口的正前方. 垃圾投放口处箱门设计采用前后滑动式.

5 结语

本设计使用太阳能电池为整个系统提供电能, 以单片机为控制核心, 结合人体释热红外传感器组成的信号采集电路和L298N驱动电路去控制垃圾箱门, 以TP4056为核心的便捷应急充电模块为市民随身携带的移动设备提供方便快捷的应急充电, 以LED照明技术为核心的夜间照明及广告模块提供照明, 发布广告, 增添夜景. 该系统解决了传统垃圾箱垃圾投放不方便, 气味容易散发出来的问题, 能方便市民生活, 在提升城市市容和城市品位方面具有重要意义.

[1] 康华光, 邹寿彬. 电子技术基础(数字部分)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[2] 谢维成, 杨加国. 单片机原理与应用及C51程序设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009.

[3] 张佳一. 释热红外传感器放大电路的设计及其应用[J]. 广西通信技术, 2010(3): 24—25.

[4] 宋文绪, 杨帆. 传感器与检测技术[M]: 2版. 北京: 高等教育出版社, 2009: 11.

[5] 周志敏, 纪爱华, 周纪海. LED照明技术与应用电路[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009: 5.

Automatic trash control system based on solar power

WANG XianChun, WANG DaLi,WU YunChang, ZHOU Zhou

(Department of Physics and Electronic Science, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The traditional city dustbin is not convenient and not health because of design of the entrancehe of garbage box,which cause people feel uncomfortable. An automatic trash control system was proposed based on solar power in order to solve the problem. The design of the infrared sensor technology combined with photovoltaic technology and micro-controller technology realized the automatic trash control system.

single chip computer; sensor; solar intelligent system; convenient emergency charging; LED lighting;

TP 23

1672-6146(2014)02-0070-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.015

通讯作者：email: wxc2129@163.com.

2014-05-05

湖南省“大学生研究性学习与创新性实验计划项目”基金, 湖南文理学院“校企联合人才培养基地”基金, 湖南 文理学院教研教改项目, 光电信息集成与光学制造技术湖南省重点实验室项目, 湖南文理学院重点学科建设 项目.

(责任编校:刘刚毅)