以单片机为主控制器的垃圾分类计量收费设备控制装置设计

工程师黄明星 发表于 2018-08-16 17:27:43 收藏 已收藏
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以单片机为主控制器的垃圾分类计量收费设备控制装置设计

工程师黄明星 发表于 2018-08-16 17:27:43
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我国现有的垃圾收费标准偏低,政府每年都要投入很大一部分资金来贴补垃圾处理企业。垃圾收费制度改革后,不但可以弥补政府和企业投入,还能督促居民加强垃圾的减量和资源化意识,促进垃圾减量化、资源化、无害化。

许多发达国家已经实行了垃圾计量收费,日本、韩国以及美国的经验是按照垃圾袋计算费用,居民多扔垃圾多买袋就多花钱;另外的形式是直接按照垃圾重量计费,多倾倒一桶垃圾就多花一定的费用,可以避免按户或按人头收费的“一刀切”做法。

本文设计了一种基于单片机的垃圾称重计费控制系统。与其他控制系统相比,单片机系统具有体积小巧、成本低廉等优势。

1 系统要求和主控制器的选择

系统工作原理如下:垃圾箱由3个不同的箱体组成,分别收集厨余垃圾(箱1)、纸张和塑料等可回收垃圾(箱2)以及其他不可回收垃圾(箱3)。每个箱体顶部安装大小合适的投入门,底部安装一个称重台。住户准备投放垃圾时,拿出充值卡,当卡内余额充足时,可以打开箱1、箱2或箱3,进行垃圾投放。其中箱1和箱3按照称重减费,箱2按照称重加费。为防止不同类别的垃圾投错,可以将各个箱的投入门做得各不相同,例如纸张投入箱控制门应当做成扁平口,只允许纸张或报纸杂志投入。控制系统硬件结构如图1所示。

以单片机为主控制器的垃圾分类计量收费设备控制装置设计

与其他控制器相比,单片机具有体积小巧、价格低廉以及性价比高等优点,因此本控制系统选用目前应用最多的AT89 S51单片机做为主控制器,可以方便地与射频电路、显示电路、通信电路、A/D转换电路接口连接,构成完整的控制系统。

2 IC卡及读卡电路

非接触式IC卡又称射频卡,与接触式IC卡相比,解决了无源和免接触的问题,具有可靠性高、操作方便的优点,本设计中选用目前流行的Mifare1卡, 控制器内的专用读卡芯片连接的天线线圈不断向外发射一组13.56 MHz固定频率的电磁波, Mifare1卡靠近时,卡内的LC串联谐振电路产生共振,使电容充电产生电荷,当电容充电达到2 V时,该电容作为电源为卡上的电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接收控制器内的数据并予以保存。

MFRC500是应用于13.56 MHz的非接触式通信高集成度读卡芯片,集成了13.56 MHz下所有类型的被动非接触通信方式和协议,支持Mifare1卡,与AT89S51的接口电路如图2所示。根据系统要求,相应部分的控制程序需要实现的功能如下:

以单片机为主控制器的垃圾分类计量收费设备控制装置设计

(1)无刷卡时,系统处于等待状态;当有刷卡时,识别卡内信息,包括用户信息、卡内余额以及系统内部的存储区域,并调用显示程序。

(2)支付方式可选充值和记账。本设计采用充值方式,对厨余垃圾和不可回收垃圾进行扣费,而纸张、塑料垃圾可以向卡内充值。

3 称重模块和显示模块的设计

(1)称重传感器的选择

电子计价秤、平台称等场合适合选用铝合金悬臂梁式传感器,由弯曲引起的形变,在弯曲面集中的区域上下两面粘贴应变计,形成全桥的测量电路。图3为CYT-204系列悬臂梁称重传感器,选择量程为0~0.1 T,精度高,漂移低;选择输出0~5 V, 易于和单片机接口; 尺寸为130 mm×32 mm×32 mm,安装方便[3]。

以单片机为主控制器的垃圾分类计量收费设备控制装置设计

(2)A/D转换电路和显示电路的设计

TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。采用串行输入结构,能够节省单片机I/O资源,且具有接口简单、价格适中、分辨率较高等特点,在仪器仪表中有较为广泛的应用,因此在本系统中采用TLC2543作A/D转换元件。

控制系统常用的显示器件有LED显示器和LCD显示器,其中LCD除了可以显示数字之外还可以显示字符,因此本设计选用目前非常通用的LCD1602显示模块进行称重结果的显示。

显示控制程序实现用户信息的显示,包括姓名、门牌号码和卡内余额。当用户按下箱体选择按钮,垃圾重量计费装置打开相应的投入门,用户投放垃圾完毕后,根据投放垃圾的种类和重量,卡内余额可以增加或扣减并进行显示。

4 存储模块和通信模块的设计

AT24C08是ATMEL公司的EEPROM存储器,它的接线极为简单,只需要2根信号线;其存储容量为1 KB, 1个存储模块可以储存几百个用户的信息,与单片机的接口电路如图4所示。

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对每个住户的垃圾投放情况进行统计,需要将系统内存储的住户垃圾投放信息读出。单片机的串行通信接口可以扩展为USB接口、RS232接口和GPRS接口等。本系统内AT89S51的串行接口只有1个,考虑到系统的方便性,在本设计中采用USB口扩展。

5 投入门控制模块的设计

ZYT系列永磁直流电动机采用铁氧体永久磁铁激磁系封闭自冷式。作为小功率直流电动机,可在各种装置中用作驱动元件。本系统中采用ZYT系列永磁直流电动机控制垃圾箱投入门的打开和关闭。

L298N芯片是步进电机和直流电机的驱动芯片,很容易实现电机的正反转,本设计中选择Multiwatt15封装,易于实验室焊接。L298N芯片的引角图如图5所示。该芯片可接收标准TTL逻辑电平信号VSS, VSS可接4.5 V~7 V电压; 4脚VS接电源电压, VS电压范围VIH为2.5 V~46 V。输出电流可达2.5 A,可驱动电感性负载;1脚和15脚下发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机,OUT1和OUT2以及OUT3和OUT4之间可分别接电动机。输入信号端IN1接高电平、IN2接低电平,电机1正转;反之,电机1反转。输入信号端IN3接高电平、IN4接低电平,电机2正转;反之,电机2反转。因为不需要调速,调速端A、B可以直接接+5 V。本装置中,有3个投入门需要控制,因此需要2片L298N,占用单片机6个I/O口。另外L298N对每个电动机都有使能控制端EnA和EnB,3个投入门需要3根单片机I/O口线,如果它们为低电平,则电机不会转动。

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考虑到一片AT89S51的I/O口有限,且本系统需要的I/O口线较多,所以选用1片AT89C2051来控制投入门电动机动作的正反转。AT89C2051可以接收选择投入门的按键的信号;它是24引脚的CPU芯片,体积小,节省空间。投入门是否动作由系统中的主CPU AT89S51的一根口线和这片AT89C2051一根I/O口线相连作为信号线来决定。如果用户卡余额不足,则AT89S51的这根I/O口线输出高电平,与AT89C2051相连的I/O口线也为高电平,禁止所有投入门动作,AT89S51的芯片如图6所示。

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6 系统软件的设计

根据系统功能要求,AT89S51系统主程序框如图7所示。AT892051系统程序框图较为简单,主要是根据用户选卡内余额是否充足,由主AT89S51芯片发送信号决定是否开门,再根据用户选择的投入门按键打开相应的投入门,等待用户投放垃圾完毕后再关闭投入门。

利用单片机来构建垃圾分类计量设备的控制系统,其成本低廉、体积小巧、易于安装,可以大规模推广使用。

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