（衢州学院 浙江 衢州 324000）
摘要：智能垃圾箱可以解决许多因垃圾溢出而无法及时处理的问题，通过STM32来控制各个外围设备，让垃圾可以进行多次压缩，达到满溢状态后，通过GSM通信功能通知相应的工作人员进行及时的处理，工作人员打开手机APP就有GPS定位功能可以查出哪一些垃圾箱已经达到满溢状态，接着就派出清洁人员前去清理。垃圾箱满溢状态解除，重新回到初始状态。
1、整体结构
通过CPU控制GPIO的高低电平对电机、蜂鸣器、LED进行控制。在压缩杆上的压力传感器，通过信号放大器，将放大后的信号传入IO口，进行AD转换得到的数值就是压力的大小。红外的发射与接收都通过GPIO进行读取和控制。而GPS以及GSM的信息则通过DMA快速通道传输信息，以达到合理利用CPU的目的。
图1 整体结构图
2、主芯片的选择
市面上最常见的单片机有8位，16位和32位，8位和16位单片机在价格上比32位便宜，但处理数据速度慢。如果处理大量数据的话，8位或者16位单片机容易卡死，这对于电子产品来说是致命的缺点。ARM基于32位单片机发展而来，它的优点在于体积小、功耗低、廉价、性能优异，并且内部集成了大量的寄存器。
本项目涉及范围广，功能相对也比较多，系统具有网络数据传输，USB通讯等功能。所以，主控芯片必须得具有足够的外设接口，高速的处理速度和较高的性价比。单片机由于自身条件的限制，无法满足此系统的要求。因此，本系统选用了高性价比的STM32F103VCT6芯片。STM32拥有比单片机更强的运算能力，且价格低廉，它还有非常丰富的外设与内设资源，扩展性强，非常适用于设计智能设备。STM32集成了32-512KB的闪存和6-64KB的静态存储器，可以放入足够的代码，不用担心内存溢出。并且，内部集成了2个12位的us级的A/D转换器和12位D/A转换器，开发者并不需要外接模数或数模转化芯片来额外增加成本。
3、主要硬件电路设计
① STM32F103最小系统设计
STM32的最小系统主要由晶振、复位、电源三部分组成，如图3所示。STM32F103的晶振电路由两部组成，分别是时钟电路和驱动电路。时钟晶振电路主要是为了能够准确的设置本地时间，所采用的晶振频率是32768Hz，15次二分频就可得到1S的定时周期，根据需要可以通过程序驱动RTC，从而获得准确的时间。系统时钟晶振是8MHz，主要是给控制芯片执行程序所需要的时序。晶振电路需平稳运行才能保证设备工作正常，如果8M的晶振不起振，那么控制芯片将会运行不正常。本项目中，STM32所采用的供电电压是3.3V，由5V电压通过稳压芯片7805产生。
图2 最小系统电路图
项目设计还得考虑启动模式，这个部分常常被开发人员所忽略，一旦设置错误，系统将不能运行。启动模式由BOOT0、BOOT1这两个引脚决定，本系统直接将BOOT0设置接地，将启动模式设置为闪存启动，在这个模式下，BOOT1引脚尽量避免出现悬空，防止出现不正常的工作状态。
② 定位系统电路
拟采用u-blox公司的NEO-6M模组方案，这个模组的电路图如图4所示。GY-NEO6MV2飞控GPS模块具有高性能、低功耗的特点。它可以通过串口及USB接口向单片机系统和电脑输出GPS定位信息，使用简单方便。本模块使用的EEPROM芯片型号为AT24C32，它用于记录GPS模块的配置参数，每次掉电重启后，GPS模组会从EEPROM中加载配置信息。为了提高GPS的工作效率，电路中加入了XH414法拉电容，确保GPS模块的RTC部分在掉电后可以快速搜星。由于我们的设备主要是置于室外，所以本GPS模块自带了无源陶瓷天线，可直接接收GPS卫星信号。匹配NEO-6M模块内部自带的LNA(低噪声放大器)，可达到良好的信号接收效果。与此同时本模块也保留了IPX接口，可用于扩展有源天线，增强信号接收能力。
图4 红外发射电路模块
④ 红外接受电路模块
当红外接收LED未接收到红外信号时，电路断开，DB输出高电平给单片机。当D1~D4导通时DB为低电平，判断此时垃圾箱处于空置状态。其电路原理图如图6所示。
图6 GSM/GPRS电路模块
⑥ 压缩器压力感知模块。
两个应变片在感受到压缩器力臂被拉伸时，电阻值发生变化，导致运放器的输入端电压发生变化，其电路原理图如图8所示。运放器将输出端的电压直接反馈给STM32芯片作AD转换。我们会给AD值设置一个安全范围，避免机械臂和垃圾箱物理结构的损坏。当检测压力超过安全值，压缩器即停止工作并回复。我们对运放器引入一个负反馈机制，使运放电路的运行更加稳定，避免电压波动对检测结果的影响，保护压缩器能正常工作。
图8 APP界面 图9 数据传输路径
4、结论
本系统通过CPU控制GPIO的高低电平对电机、蜂鸣器、LED进行控制。在压缩杆上的压力传感器，通过信号放大器，将放大后的信号传入IO口，进行AD转换得到的数值就是压力的大小。红外的发射与接收都通过GPIO进行读取和控制。而GPS以及GSM的信息则通过DMA快速通道传输信息，以达到合理利用CPU的目的。该系统设计很好的解决了当前社会因垃圾溢出而未及时清理从而导致环境污染的一系列问题，实用价值高，有望取代传统的垃圾箱。
参考文献：
[1]张毅刚,彭喜元.单片机原理与应用设计[M].电子工业出版社，2008
[2]华俊芳.基于单片机的智能垃圾桶的设计[J].电子世界，2017
[3]段志杰.智能分类垃圾箱及实现分析[J].智能城市，2018
作者简介：瞿嫣慧，衢州学院2016级物联网工程专业学生；
指导教师: 叶志斌、陈勇。
项目基金：国家大学生创新项目（201811488012）。
论文作者:瞿嫣慧, 刘轩,管向平,陈俊,傅金阳
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/11
标签：电路论文; 单片机论文; 压缩器论文; 垃圾箱论文; 模块论文; 系统论文; 芯片论文; 《科技新时代》2018年11期论文;