用Arduino和超声波传感器DIY一个智能垃圾桶

智能垃圾桶（dustbin）是传统垃转存设备的替代者。本项目采用基于MCU的Arduino Uno开发板，通过伺服马达和超声波传感器，实现了对传统垃圾桶的智能化升级改造。

1.项目介绍

项目中的超声波传感器安置于垃圾桶的顶部，感测来迹象的状态，其阈值设置成一个特别电平。Arduino编程逻辑如下：当有人靠近垃圾桶前方并伸手丢垃圾时，伺服马达开始动作，并打开垃圾桶的盖子，让人把废物丢进垃圾桶里。

由于住户不用动手开盖，并在离开时自动关闭，避免了传统垃圾桶盖子长期打开散发气味、危害环境的弊端，还能培养住户和小孩养成良好卫生习惯，保持环境干净、整洁。

通常，垃圾箱分为干、湿、可回收、有毒害四类。本项目通过检测人手的存在决定箱盖的打开、闭合，还能够识别丢进来的垃圾的种类，并区分为可生物降解，获非降解两类。

 

2.物料介绍

项目物料清单如下：
12v电源适配器
Arduino Uno开发板
Arduino Nano
HC-SR04超声波传感器
微型伺服马达
面包板
工具及软件：示波器、可变电源、数字万用表、烙铁、PCB打孔机

（1）超声波传感器

超声波传感器工作时会发出一个超出人类听觉范围的超声波，其换能器相当于话筒，可接收超声波信号并转换成电信号。超声波是振动频率高于20kHz的机械波，具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好等特点。

本项目与其他一样，也使用单换能器来发送脉冲合接收回声。如图2所示，传感器向某一方向发射超声波时开始计时，超声波碰到障碍物时返回，根据时间差和超声波速度可以估算出发射位置到障碍物的距离。

项目使用的HC-SRO4传感器模块的四个引脚分别为：Vcc(5V电源)、触发引脚、回声引脚、接地(0V)。工作时，采用IO触发测距10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有回声。如果有回声，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。HC-SRO4性能参数如下：
工作使用电压：DC5V
静态电流：小于2mA
电平输出：高5V
电平输出：底0V
感应角度：不大于15度
探测距离：2-450cm
高精度：可达0.3cm

（2）伺服马达

伺服马达是可以让物体精确转动的电气元件，可以控制速度，位置精度非常准确。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

 

伺服马达分为直流和交流两大类，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。Micro Servo 9G伺服马达参数如下：
重量: 9g
尺寸: 22.2 x 11.8 x 31mm approx.
失速转矩: 1.8kgf·cm
运行速度: 0.1s/60度
工作电压: 4.8V(~5V)
死区宽度: 10μs
工作温度: 0–55ºC
模拟力矩: 4.8V@1.80kg-cm)
旋转范围: 180°
脉冲周期: ca. 20ms
脉冲宽度: 500-2400µs

（3）Arduino UNO

Arduino是一个构架电子项目的开源平台，包括一个物理可编程电路板和一套开发环境软件（IDE），IDE可在PC运行，用来向Arduino板子写入代码或上传代码。

Arduino的Uno版本更加普及，适合艺术家、设计师、发烧友和各种爱好DIY的人群，可用来控制按钮、LEDs、马达、喇叭、GPS单元、照相机，甚至于手机和电视机。

Arduino有很多种类，但大多数板子上面的元器件是一样的。以下按标号逐一解释：
标号1：USB座。可通过USB电缆连接电脑或者电源，为Arduino UNO供电。从PC向Arduino开发板上传代码，也是通过这个USB电缆进行的。
标号3：GND引脚。Arduino有多个接地引脚，功能是一样的。
标号4：5V电源。提供5V电压。
标号5：3.3V电源。提供3.3V电压。
标号6：模拟输入引脚(A0--A5），用来读取来自模拟传感器（如温度传感器）的信号，并转换成我们能够识别的数字。
标号7：数字输入引脚(0--13），用以数字输入（如按钮被按下）信号，或者输出数字信号（如驱动一个LED）。
标号8：PWM引脚 (3, 5, 6, 9, 10, 11)。本质上属于数字引脚，也可用作PWM。可用来模拟某些输出，如LED的亮度变化。
标号9：AREF引脚，表示模拟参考，大多数情况下不用，有时用来设置一个作为上限的外部模拟电压。
标号10：复位按钮。按个案件非常有用，按下就立即接地，并重启任何上传到Arduino的代码。
标号11：电源LED指示器。只要将Arduino接上电源，这个LED就一直点亮。如果不亮，马上检查电路，看看哪里出错了？
标号12：TX RX LEDs指示灯，点亮表示正在接收或发射数据。
标号13：主控IC芯片，来自爱特梅尔的ATmega。
标号14：稳压芯片。

3.项目目标

该项目的目的是建立一个原型，在有人准备扔垃圾的时候自动打开垃圾箱盖子，并检测刚扔进来垃圾的种类，具体参考原理图。Arduino连接方法如下：

HC-SRO4传感器模块引脚VCC连接到Arduino引脚+5VDC，引脚Trig连接到Arduino引脚7，引脚Echo连接到Arduino引脚6，引脚GND连接到Arduino引脚GND。

伺服马达SG-90的Red引脚连接Arduino 3.3v，Black引脚连接Arduino GND，Orange引脚连接Arduino Pin 8。

4.代码编程

按照上述说明把Arduino与超声波传感器、伺服马达连接好后，就开始上传代码。

该智能垃圾箱的伺服数据库为：
// 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;
}

开始编程前，我们先添加 Servo.h 头文件，

#include

接下来，定义触发和回声引脚。HC-SR04超声波传感器的触发和回声引脚分别连接于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;

审核编辑：符乾江