原创 DIY一个可量产的智能垃圾桶

智能垃圾桶是智慧城市的刚需，是传统垃转存设备的替代者。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对传统垃圾箱的智能化升级改造，可用作城市环保设备开发的原型，供开发工程师和DIY爱好者参考。

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：当有人靠近垃圾箱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：

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;

 }