智能垃圾桶（dustbin）是傳統(tǒng)垃轉(zhuǎn)存設備的替代者。本項目采用基于MCU的Arduino Uno開發(fā)板，通過伺服馬達和超聲波傳感器，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)垃圾桶的智能化升級改造。

1.項目介紹

項目中的超聲波傳感器安置于垃圾桶的頂部，感測來跡象的狀態(tài)，其閾值設置成一個特別電平。Arduino編程邏輯如下：當有人靠近垃圾桶前方并伸手丟垃圾時，伺服馬達開始動作，并打開垃圾桶的蓋子，讓人把廢物丟進垃圾桶里。

由于住戶不用動手開蓋，并在離開時自動關閉，避免了傳統(tǒng)垃圾桶蓋子長期打開散發(fā)氣味、危害環(huán)境的弊端，還能培養(yǎng)住戶和小孩養(yǎng)成良好衛(wèi)生習慣，保持環(huán)境干凈、整潔。

通常，垃圾箱分為干、濕、可回收、有毒害四類。本項目通過檢測人手的存在決定箱蓋的打開、閉合，還能夠識別丟進來的垃圾的種類，并區(qū)分為可生物降解，獲非降解兩類。

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2.物料介紹

項目物料清單如下：
12v電源適配器
Arduino Uno開發(fā)板
Arduino Nano
HC-SR04超聲波傳感器
微型伺服馬達
面包板
工具及軟件：示波器、可變電源、數(shù)字萬用表、烙鐵、PCB打孔機

（1）超聲波傳感器

超聲波傳感器工作時會發(fā)出一個超出人類聽覺范圍的超聲波，其換能器相當于話筒，可接收超聲波信號并轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好等特點。

本項目與其他一樣，也使用單換能器來發(fā)送脈沖合接收回聲。如圖2所示，傳感器向某一方向發(fā)射超聲波時開始計時，超聲波碰到障礙物時返回，根據(jù)時間差和超聲波速度可以估算出發(fā)射位置到障礙物的距離。

項目使用的HC-SRO4傳感器模塊的四個引腳分別為：Vcc(5V電源)、觸發(fā)引腳、回聲引腳、接地(0V)。工作時，采用IO觸發(fā)測距10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有回聲。如果有回聲，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。HC-SRO4性能參數(shù)如下：
工作使用電壓：DC5V
靜態(tài)電流：小于2mA
電平輸出：高5V
電平輸出：底0V
感應角度：不大于15度
探測距離：2-450cm
高精度：可達0.3cm

（2）伺服馬達

伺服馬達是可以讓物體精確轉(zhuǎn)動的電氣元件，可以控制速度，位置精度非常準確。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

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伺服馬達分為直流和交流兩大類，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。Micro Servo 9G伺服馬達參數(shù)如下：
重量: 9g
尺寸: 22.2 x 11.8 x 31mm approx.
失速轉(zhuǎn)矩: 1.8kgf·cm
運行速度: 0.1s/60度
工作電壓: 4.8V(~5V)
死區(qū)寬度: 10μs
工作溫度: 0–55oC
模擬力矩: 4.8V@1.80kg-cm)
旋轉(zhuǎn)范圍: 180°
脈沖周期: ca. 20ms
脈沖寬度: 500-2400μs

（3）Arduino UNO

Arduino是一個構架電子項目的開源平臺，包括一個物理可編程電路板和一套開發(fā)環(huán)境軟件（IDE），IDE可在PC運行，用來向Arduino板子寫入代碼或上傳代碼。

Arduino的Uno版本更加普及，適合藝術家、設計師、發(fā)燒友和各種愛好DIY的人群，可用來控制按鈕、LEDs、馬達、喇叭、GPS單元、照相機，甚至于手機和電視機。

Arduino有很多種類，但大多數(shù)板子上面的元器件是一樣的。以下按標號逐一解釋：
標號1：USB座。可通過USB電纜連接電腦或者電源，為Arduino UNO供電。從PC向Arduino開發(fā)板上傳代碼，也是通過這個USB電纜進行的。
標號3：GND引腳。Arduino有多個接地引腳，功能是一樣的。
標號4：5V電源。提供5V電壓。
標號5：3.3V電源。提供3.3V電壓。
標號6：模擬輸入引腳(A0--A5），用來讀取來自模擬傳感器（如溫度傳感器）的信號，并轉(zhuǎn)換成我們能夠識別的數(shù)字。
標號7：數(shù)字輸入引腳(0--13），用以數(shù)字輸入（如按鈕被按下）信號，或者輸出數(shù)字信號（如驅(qū)動一個LED）。
標號8：PWM引腳 (3, 5, 6, 9, 10, 11)。本質(zhì)上屬于數(shù)字引腳，也可用作PWM?？捎脕砟M某些輸出，如LED的亮度變化。
標號9：AREF引腳，表示模擬參考，大多數(shù)情況下不用，有時用來設置一個作為上限的外部模擬電壓。
標號10：復位按鈕。按個案件非常有用，按下就立即接地，并重啟任何上傳到Arduino的代碼。
標號11：電源LED指示器。只要將Arduino接上電源，這個LED就一直點亮。如果不亮，馬上檢查電路，看看哪里出錯了？
標號12：TX RX LEDs指示燈，點亮表示正在接收或發(fā)射數(shù)據(jù)。
標號13：主控IC芯片，來自愛特梅爾的ATmega。
標號14：穩(wěn)壓芯片。

3.項目目標

該項目的目的是建立一個原型，在有人準備扔垃圾的時候自動打開垃圾箱蓋子，并檢測剛扔進來垃圾的種類，具體參考原理圖。Arduino連接方法如下：

HC-SRO4傳感器模塊引腳VCC連接到Arduino引腳+5VDC，引腳Trig連接到Arduino引腳7，引腳Echo連接到Arduino引腳6，引腳GND連接到Arduino引腳GND。

伺服馬達SG-90的Red引腳連接Arduino 3.3v，Black引腳連接Arduino GND，Orange引腳連接Arduino Pin 8。

4.代碼編程

按照上述說明把Arduino與超聲波傳感器、伺服馬達連接好后，就開始上傳代碼。

該智能垃圾箱的伺服數(shù)據(jù)庫為：
// Download Servo Library
//https://www.electroniclinic.com/arduino-libraries-download-and-projects-they-are-used-in-project-codes/
#include?
// Defines Tirg and Echo pins of the Ultrasonic Sensor
const int trigPin = 6;
const int echoPin = 7;
// Variables for the duration and the distance
long duration;
int distance;
Servo myServo; // Creates a servo object for controlling the servo motor
void setup() {
?pinMode(trigPin, OUTPUT); // Sets the trigPin as an Output
?pinMode(echoPin, INPUT); // Sets the echoPin as an Input
?Serial.begin(9600);
?myServo.attach(9); // Defines on which pin is the servo motor attached
}
void loop() {
?// rotates the servo motor from 15 to 165 degrees
?for (int i = 15; i <= 165; i++) {
? ?myServo.write(i);
? ?delay(30);
? ?distance = calculateDistance();// Calls a function for calculating the distance measured by the Ultrasonic sensor for each degree

? ?Serial.print(i); // Sends the current degree into the Serial Port
? ?Serial.print(","); // Sends addition character right next to the previous value needed later in the Processing IDE for indexing
? ?Serial.print(distance); // Sends the distance value into the Serial Port
? ?Serial.print("."); // Sends addition character right next to the previous value needed later in the Processing IDE for indexing
?}
?// Repeats the previous lines from 165 to 15 degrees
?for (int i = 165; i > 15; i--) {
? ?myServo.write(i);
? ?delay(30);
? ?distance = calculateDistance();
? ?Serial.print(i);
? ?Serial.print(",");
? ?Serial.print(distance);
? ?Serial.print(".");
?}
}
// Function for calculating the distance measured by the Ultrasonic sensor
int calculateDistance() {

?digitalWrite(trigPin, LOW);
?delayMicroseconds(2);
?// Sets the trigPin on HIGH state for 10 micro seconds
?digitalWrite(trigPin, HIGH);
?delayMicroseconds(10);
?digitalWrite(trigPin, LOW);
?duration = pulseIn(echoPin, HIGH); // Reads the echoPin, returns the sound wave travel time in microseconds
?distance = duration * 0.034 / 2;
?return distance;
}

開始編程前，我們先添加 Servo.h 頭文件，

#include

接下來，定義觸發(fā)和回聲引腳。HC-SR04超聲波傳感器的觸發(fā)和回聲引腳分別連接于Arduino的pins 6、7。

const int trigPin = 6;

const int echoPin = 7;

// Variables for the duration and the distance

long duration;

int distance;

Servo myServo; // Creates a servo object for controlling the servo motor

setup() function runs only one time with the Arduino board is turned ON.

void setup() {

?pinMode(trigPin, OUTPUT); // Sets the trigPin as an Output

?pinMode(echoPin, INPUT); // Sets the echoPin as an Input

?Serial.begin(9600);

?myServo.attach(9); // Defines on which pin is the servo motor attached

}

void loop() {

?// rotates the servo motor from 15 to 165 degrees

?for (int i = 15; i <= 165; i++) {

? ?myServo.write(i);

? ?delay(30);

? ?distance = calculateDistance();// Calls a function for calculating the distance measured by the Ultrasonic sensor for each degree

? ?Serial.print(i); // Sends the current degree into the Serial Port

? ?Serial.print(“,”); // Sends addition character right next to the previous value needed later in the Processing IDE for indexing

? ?Serial.print(distance); // Sends the distance value into the Serial Port

? ?Serial.print(“.”); // Sends addition character right next to the previous value needed later in the Processing IDE for indexing

?}
?

?// Repeats the previous lines from 165 to 15 degrees

?for (int i = 165; i > 15; i–) {

? ?myServo.write(i);

? ?delay(30);

? ?distance = calculateDistance();

? ?Serial.print(i);

? ?Serial.print(“,”);

? ?Serial.print(distance);

? ?Serial.print(“.”);

?}

}

// Function for calculating the distance measured by the Ultrasonic sensor

int calculateDistance() {

?digitalWrite(trigPin, LOW);

?delayMicroseconds(2);

?// Sets the trigPin on HIGH state for 10 micro seconds

?digitalWrite(trigPin, HIGH);

?delayMicroseconds(10);

?digitalWrite(trigPin, LOW);

?duration = pulseIn(echoPin, HIGH); // Reads the echoPin, returns the sound wave travel time in microseconds

?distance = duration * 0.034 / 2;

?return distance;

審核編輯：符乾江