基于A(yíng)T89S51的生活垃圾分類(lèi)計量控制裝置的設計

我國現有的垃圾收費標準偏低，政府每年都要投入很大一部分資金來(lái)貼補垃圾處理企業(yè)。垃圾收費制度改革后，不但可以彌補政府和企業(yè)投入，還能督促居民加強垃圾的減量和資源化意識，促進(jìn)垃圾減量化、資源化、無(wú)害化。

　　許多發(fā)達國家已經(jīng)實(shí)行了垃圾計量收費，日本、韓國以及美國的經(jīng)驗是按照垃圾袋計算費用，居民多扔垃圾多買(mǎi)袋就多花錢(qián)；另外的形式是直接按照垃圾重量計費，多傾倒一桶垃圾就多花一定的費用，可以避免按戶(hù)或按人頭收費的“一刀切”做法。

　　本文設計了一種基于單片機的垃圾稱(chēng)重計費控制系統。與其他控制系統相比，單片機系統具有體積小巧、成本低廉等優(yōu)勢。

　　1 系統要求和主控制器的選擇

　　系統工作原理如下:垃圾箱由3個(gè)不同的箱體組成，分別收集廚余垃圾（箱1）、紙張和塑料等可回收垃圾（箱2）以及其他不可回收垃圾（箱3）。每個(gè)箱體頂部安裝大小合適的投入門(mén)，底部安裝一個(gè)稱(chēng)重臺。住戶(hù)準備投放垃圾時(shí)，拿出充值卡，當卡內余額充足時(shí)，可以打開(kāi)箱1、箱2或箱3，進(jìn)行垃圾投放。其中箱1和箱3按照稱(chēng)重減費，箱2按照稱(chēng)重加費。為防止不同類(lèi)別的垃圾投錯，可以將各個(gè)箱的投入門(mén)做得各不相同，例如紙張投入箱控制門(mén)應當做成扁平口，只允許紙張或報紙雜志投入?？刂葡到y硬件結構如圖1所示。

　　與其他控制器相比，單片機具有體積小巧、價(jià)格低廉以及性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因此本控制系統選用目前應用最多的AT89 S51單片機做為主控制器，可以方便地與射頻電路、顯示電路、通信電路、A/D轉換電路接口連接，構成完整的控制系統。

　　2 IC卡及讀卡電路

　　非接觸式IC卡又稱(chēng)射頻卡，與接觸式IC卡相比，解決了無(wú)源和免接觸的問(wèn)題，具有可靠性高、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，本設計中選用目前流行的Mifare1卡， 控制器內的專(zhuān)用讀卡芯片連接的天線(xiàn)線(xiàn)圈不斷向外發(fā)射一組13.56 MHz固定頻率的電磁波， Mifare1卡靠近時(shí)，卡內的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，使電容充電產(chǎn)生電荷，當電容充電達到2 V時(shí)，該電容作為電源為卡上的電路提供工作電壓，將卡內數據發(fā)射出去或接收控制器內的數據并予以保存[1]。

　　MFRC500是應用于13.56 MHz的非接觸式通信高集成度讀卡芯片，集成了13.56 MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸通信方式和協(xié)議，支持Mifare1卡，與AT89S51的接口電路如圖2所示。根據系統要求，相應部分的控制程序需要實(shí)現的功能如下[2]：

　　(1)無(wú)刷卡時(shí)，系統處于等待狀態(tài)；當有刷卡時(shí)，識別卡內信息，包括用戶(hù)信息、卡內余額以及系統內部的存儲區域，并調用顯示程序。

　　(2)支付方式可選充值和記賬。本設計采用充值方式，對廚余垃圾和不可回收垃圾進(jìn)行扣費，而紙張、塑料垃圾可以向卡內充值。

　　3 稱(chēng)重模塊和顯示模塊的設計

　　(1)稱(chēng)重傳感器的選擇

　　電子計價(jià)秤、平臺稱(chēng)等場(chǎng)合適合選用鋁合金懸臂梁式傳感器，由彎曲引起的形變,在彎曲面集中的區域上下兩面粘貼應變計,形成全橋的測量電路。圖3為CYT-204系列懸臂梁稱(chēng)重傳感器，選擇量程為0~0.1 T，精度高，漂移低；選擇輸出0~5 V， 易于和單片機接口； 尺寸為130 mm×32 mm×32 mm，安裝方便[3]。

　　(2)A/D轉換電路和顯示電路的設計

　　TLC2543是TI公司的12位串行模數轉換器，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉換過(guò)程。采用串行輸入結構，能夠節省單片機I/O資源，且具有接口簡(jiǎn)單、價(jià)格適中、分辨率較高等特點(diǎn)，在儀器儀表中有較為廣泛的應用，因此在本系統中采用TLC2543作A/D轉換元件。

　　控制系統常用的顯示器件有LED顯示器和LCD顯示器，其中LCD除了可以顯示數字之外還可以顯示字符，因此本設計選用目前非常通用的LCD1602顯示模塊進(jìn)行稱(chēng)重結果的顯示。

　　顯示控制程序實(shí)現用戶(hù)信息的顯示，包括姓名、門(mén)牌號碼和卡內余額。當用戶(hù)按下箱體選擇按鈕，垃圾重量計費裝置打開(kāi)相應的投入門(mén)，用戶(hù)投放垃圾完畢后，根據投放垃圾的種類(lèi)和重量，卡內余額可以增加或扣減并進(jìn)行顯示。

4 存儲模塊和通信模塊的設計

　　AT24C08是ATMEL公司的EEPROM存儲器，它的接線(xiàn)極為簡(jiǎn)單，只需要2根信號線(xiàn);其存儲容量為1 KB， 1個(gè)存儲模塊可以?xún)Υ鎺装賯€(gè)用戶(hù)的信息，與單片機的接口電路如圖4所示。

　　對每個(gè)住戶(hù)的垃圾投放情況進(jìn)行統計，需要將系統內存儲的住戶(hù)垃圾投放信息讀出。單片機的串行通信接口可以擴展為USB接口、RS232接口和GPRS接口等。本系統內AT89S51的串行接口只有1個(gè)，考慮到系統的方便性，在本設計中采用USB口擴展。

　　5 投入門(mén)控制模塊的設計

　　ZYT系列永磁直流電動(dòng)機采用鐵氧體永久磁鐵激磁系封閉自冷式。作為小功率直流電動(dòng)機，可在各種裝置中用作驅動(dòng)元件。本系統中采用ZYT系列永磁直流電動(dòng)機控制垃圾箱投入門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉。

　　L298N芯片是步進(jìn)電機和直流電機的驅動(dòng)芯片，很容易實(shí)現電機的正反轉，本設計中選擇Multiwatt15封裝，易于實(shí)驗室焊接。L298N芯片的引角圖如圖5所示。該芯片可接收標準TTL邏輯電平信號VSS， VSS可接4.5 V～7 V電壓； 4腳VS接電源電壓， VS電壓范圍VIH為2.5 V～46 V。輸出電流可達2.5 A，可驅動(dòng)電感性負載；1腳和15腳下發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機，OUT1和OUT2以及OUT3和OUT4之間可分別接電動(dòng)機。輸入信號端IN1接高電平、IN2接低電平，電機1正轉；反之，電機1反轉。輸入信號端IN3接高電平、IN4接低電平，電機2正轉；反之，電機2反轉。因為不需要調速，調速端A、B可以直接接+5 V。本裝置中，有3個(gè)投入門(mén)需要控制，因此需要2片L298N，占用單片機6個(gè)I/O口。另外L298N對每個(gè)電動(dòng)機都有使能控制端EnA和EnB，3個(gè)投入門(mén)需要3根單片機I/O口線(xiàn)，如果它們?yōu)榈碗娖?，則電機不會(huì )轉動(dòng)。

　　考慮到一片AT89S51的I/O口有限，且本系統需要的I/O口線(xiàn)較多，所以選用1片AT89C2051來(lái)控制投入門(mén)電動(dòng)機動(dòng)作的正反轉。AT89C2051可以接收選擇投入門(mén)的按鍵的信號；它是24引腳的CPU芯片，體積小,節省空間。投入門(mén)是否動(dòng)作由系統中的主CPU AT89S51的一根口線(xiàn)和這片AT89C2051一根I/O口線(xiàn)相連作為信號線(xiàn)來(lái)決定。如果用戶(hù)卡余額不足，則AT89S51的這根I/O口線(xiàn)輸出高電平，與AT89C2051相連的I/O口線(xiàn)也為高電平,禁止所有投入門(mén)動(dòng)作，AT89S51的芯片如圖6所示。

　　6 系統軟件的設計

　　根據系統功能要求，AT89S51系統主程序框如圖7所示。AT892051系統程序框圖較為簡(jiǎn)單，主要是根據用戶(hù)選卡內余額是否充足，由主AT89S51芯片發(fā)送信號決定是否開(kāi)門(mén)，再根據用戶(hù)選擇的投入門(mén)按鍵打開(kāi)相應的投入門(mén)，等待用戶(hù)投放垃圾完畢后再關(guān)閉投入門(mén)。

　　利用單片機來(lái)構建垃圾分類(lèi)計量設備的控制系統，其成本低廉、體積小巧、易于安裝，可以大規模推廣使用。