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智能垃圾桶检测系统毕业论文
基于物联网技术的垃圾智能管理系统的
设计与实现
摘要
本设计主要以单片机AT89S51为智能控制中心，结合GSM模块、重力检测模块、超声波检测模块与温度检测模块，与其外围辅助电路，构成了一个多种检测功能为一体的多功能垃圾管理系统。
首先由各传感器检测重力、高度与温度信号并显示出来，当检测到的信号超出自身的设定值时，将其转化为电信号并传送给单片机处理，再由单片机将电信号传送给GSM模块进行打和发短信通知用户。
该系统具有轻便灵巧、电路简单易实现，所使用的各类元器件灵敏度较高的特点。
利用单片机编程，可使电路功能易于控制，从而实现了识别不同情况下具有智能的垃圾管理系统。
关键词：
GSM；单片机；温度模块；超声波检测
Abstract
ThisdesignmainlyintelligentcontrolofthesinglechipAT89S51asthecenter,incombinationwiththeGSMmodule,gravitydetectionmodule,ultrasonicdetectionmoduleandtemperaturedetectionmodule,anditsperipheryauxiliarycircuit,formedavarietyofdetectionfortheintegrationofmulti-functionalwastemanagementsystem.Firstdetectedbythesensorofgravity,altitudeandtemperaturesignals,whenthedetectedsignalisbeyonditsownvalue,istransformedintoelectricalsignalsandtransmittedtothesinglechipmicrocomputerprocessing,againbyMCUwillberoutedtoaGSMmodulecallingandtextingnotifiestheuser.Thesystemhasalightweightflexible,simplecircuittoimplement,ofthevariouscomponentsusedthecharacteristicsofhighsensitivity.Microcontrollerprogramming,canmakethecircuitfunctioniseasytocontrol,soastorealizetherecognitionofdifferentcases,thewastemanagementsystemwithsmart.
Keywords：
GSM;Singlechipmicrocomputer;Temperaturemodule;
1.引言
随着人类社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们对其卫生的要求也越来越高，主要表现在他们不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对干净整洁、智能性等方面也提出了更高的要求。
人们迫切需要一种智能的家庭能垃圾管理系统可靠地进行垃圾管理工作，与时发现垃圾桶是否已满通知户主，以便将病毒消灭在萌芽状态，这样人们的健康能够得到较大的保证，同时也保证了用家庭的干净整洁。
垃圾智能管理系统的设计与实现，是一项专业性很强的实用技术。
人们普遍认为，所谓的垃圾智能管理系统，就是以清洁为目的，运用各种高科技设备与手段，不间断地垃圾环境进行清理和分类的备的总和。
随着社会经济的发展进步，垃圾智能管理系统的应用普与越来越广，科技含量越来越高。
先进的垃圾集中管理系统体现了物联网的研究成果，科技产品和技术的一个结晶和缩影。
当然，垃圾智能管理系统的研发不能一味地追求高、精、尖，其最根本的立足点还是必须回归实用性，在保障适用性的前提下追求最低的成本与价格。
本文基于上述原因提出一种能够通知用户的垃圾智能管理系统。
具体来说，该系统以重力、高度与温度信号等传感器，结合GSM模块，与其外围辅助电路，以单片机为智能控制中心，构成了一个集测量温度、测量重力、测量高度等多种检测功能为一体的垃圾智能管理系统。
2、系统总体设计方案
2.1系统总体设计
2.1.1设计要求
本文的目的是设计一个简单实用经济的垃圾智能管理系统，因此在设计的时候需要遵循一定的规则。
（1）低功耗
现今社会对能源的消耗越来越快，节能成为了一个我们必须考虑的因素，在智能家居系统中在不影响性能的基础上，必须将功耗考虑在，从器件选择和程序优化上控制功耗；
（2）低成本
系统针对普通家庭，必须考虑成本因素，需尽量选择性价比高的元器件；
（3）实用可靠性
任何一个产品的设计，不能光有华丽的外表或繁杂的功能，实用性、可靠性才是产品能否取得成功的决定性因素。
2.1.2设计框架
本文所设计的智能家居监控系统由主控制器模块、GSM通讯模块、重力传感器、温度传感器、超声波测量等部分组成。
其架构如图2-1所示。
图2-1整体架构图
该系统的控制方式为远程控制：
通过GSM通讯模块以短消息的方式来实现，同时还能实现远程报警功能。
2.1.3GSM通讯技术
GSM是全球移动通信系统（GlobalSystemforMobilecommunications）的简称，是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准；它的空中接口采用时分多址技术，是当前应用最为广泛的移动标准；自90年代中期投入商用以来，全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用[10]。
随着用户的不断增长和数字通信的发展，又出现了GPRS、CDMA以与3G（WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA）等数字通信系统，现在正在朝着4G发展。
但目前相对来说GSM技术最成熟。
而且它以OSI为基础，技术标准公开，发展规模最大，是基于时分多址技术的移动通信体制中应用最广泛的系统。
我国地域辽阔，虽然3G移动通讯网最近几年发展非常快，但目前我国公众移动通信的主要方式，仍然是GSM数字蜂窝移动通信网，主要提供话音、短消息等服务。
SMS是短消息服务（ShortMessageService）的简称，是用手机收发简短文本消息的一种通信机制。
随着GSM移动通信网络的迅速普与和广覆盖，短信息服务（SMS）作为GSM网络的一种基本服务，已经得到了空前的发展，我国目前已建成覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，为我国移动通信提供了可靠保证。
SMS与话音传输与一样，是GSM通信网即2G移动通信提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，是GSM通信网所特有的。
SMS采用存储转发模式——短信息被发送出去后，不是直接发送给接收方，而是先存储在短信息中心（SMSC），然后再由SMSC把短信息转发给接收方。
如果接收方不在服务区或关机，SMSC会自动保存此短信息，等到接收方在服务区再发送。
与普通的寻呼机制有所不同，SMS是一项有保证的双向服务。
发送方可以在短信息发送出去后得到一条确认信息，以告知传递成功或失败。
由此可见，短消息业务作为GSM网络的一种主要的电信业务，它的信息传递是比较可靠的。
因此，选用GSM的短消息业务来实现远程无线数据传输也是可行的。
本次课题将有效利用GSM短信通讯技术来实现智能家居系统的远程控制和报警功能。
3、硬件设计与实现
3.1主控制器的选择与外围电路设计
本系统采用的单片机为STC89C52单片机作为主控制器。
图3-1单片机最小系统
单片机最小系统如图3-1所示，18引脚和19引脚XTAL1、XTAL2分别与外部晶振和电容相连接，第9引脚为复位输入端，接上电容、电阻与开关后够上电复位电路，20引脚为接地端，40引脚为电源端。
EA引脚为使能端，接电源VCC置1，P0口因部没有上拉电阻，故外接10K的上拉排阻。
3.2GSM通讯模块设计
目前国使用比较广泛的GSM模块有西门子的TC35/TC35i；Wavecom的GSM（Mo3、Mo2）；中兴的ZXGM18、ZXGM28；华为的GTM900；SIMCOM公司的SIM900等，而这些模块的功能用法差别并不是很大。
本系统采用华为GTM900C无线模块。
GTM900C是一款双频GSM/GPRS无线模块，并且方便开发以降低产品成本。
其结构图如图3-2所示：
GTM900C电路中GTM900_TXD/RXD串口用于与PC或MCU连接，实现命令调度与控制通信，GTM900_CARD用来插入带有GSM网络的SIM卡。
LED1红色指示灯用于指示电源状态，LED2绿色指示灯用于指示联网状态，开始联网时闪烁频率比较快，一旦连接到网络后，闪烁速度变慢。
MCU控制TC35开发板收发短信，有两种方式。
（1）通过串口线连接。
MCU开发板的串口经过RS232交叉串口线与GTM900C模块的九针串口连接。
（2）通过杜邦线连接。
TC35开发板的RXD、TXD、GND接口通过杜邦线分别与MCU开发板的TXD、RXD、GND口连接。
在本系统中，为了设计方便，直接采用了第一种接线方式。
3.3温度检测模块设计
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与纯铜的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写。
温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
以下对DS18B20的主要特点做简单介绍：
（1）独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）在使用中无需任何外围元件；
（3）可用数据线供电，电压围：
+3.0~+5.5V；
（4）测温围：
-55~125°C；国有测温分辨率为0.5°C;
（5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性：
电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
具体部原理图和外形图如图3-3所示：
图3-3
3.4高度检测模块设计
US-100超声波测距模块可实现2cm~4.5m的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V的宽电压输入围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，带看门狗，工作稳定可靠。
1.主要技术参数
电气参数
US-100超声波测距模块
工作电压
DC2.4V~5.5V
静态电流
2mA
工作温度
-20~+70度
输出方式
电平或UART（跳线帽选择）
感应角度
小于15度
探测距离
2cm-450cm
探测精度
0.3cm+1%
UART模式下串口配置
波特率9600，起始位1位，停止位1位，数据位8位，无奇偶校验，无流控制。
2.本模块实物图与尺寸如图3-4和图3-5所示
图3-4US-100正面图图3-5US-100背面图
3.接口说明
本模块共有两个接口，即模式选择跳线和5Pin接口。
模式选择跳线接口如图3-6所示。
模式选择跳线的间距为2.54mm，当插上跳线帽时为UART（串口）模式，拔掉时为电平触发模式。
图3-6
从左到右依次编号1,2,3,4,5。
它们的定义如下：
1号Pin：
接VCC电源（供电围2.4V~5.5V）。
2号Pin：
当为UART模式时，接外部电路UART的TX端；当为电平触发模式时，接外部电路的Trig端。
3号Pin：
当为UART模式时，接外部电路UART的RX端；当为电平触发模式时，接外部电路的Echo端。
4号Pin：
接外部电路的地。
5号Pin：
接外部电路的地。
4.串口触发测温工作原理
在模块上电前，首先插上模式选择跳线上的跳线帽，使模块处于串口触发模式。
串口触发测温的时序如图7.1所示：
在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X50（波特率9600），系统便启动温度传感器对当前温度进行测量，然后将温度值通过Echo/RX管脚输出。
测量完成温度后，本模块会返回一个字节的温度值（TData）， 实际的温度值为TData-45。
例如通过TX发送完0X50后，在RX端收到0X45，则此时的温度值为[69（0X45的10进制值）-45]=24度。
图3-6串口触发测温时序图
3.5重力检测模块设计
HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。
与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。
该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片部的寄存器编程。
输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其部的低噪声可编程放大器相连。
通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。
通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。
芯片提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。
芯片的时钟振荡器不需要任何外接器件。
上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。
高精度高增益24位A/D芯片HX711具有以下特点：
两路可选择差分输入；
片低噪声可编程放大器，可选增益为64和128；
片稳压电路可直接向外部传感器和芯片A/D转换器提供电源；
片时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟；
上电自动复位电路；
简单的数字控制和串口通讯：
所有控制由管脚输入，芯片寄存器无需编程；
可选择10Hz或80Hz的输出数据速率；
同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰；
耗电量（含稳压电源电路）：
典型工作电流：
<.7mA,断电电流：
<1μA
工作电压围：
2.6~5.5V；
HX711管脚说明如图3-7所示：
图3-7管脚图
HX711管脚描述如下表所示
3.6显示模块设计
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表所示
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
4、软件设计与实现
在硬件电路确定之后，需要通过软件编程来实现系统的功能,而软件是整个智能家居系统的灵魂。
4.1软件设计流程分析
本系统采用结构化模块程序设计，所谓“模块”，实质上就是具有一定功能、相对独立的程序段。
在编程过程中首先将所要完成的各个功能分别按模块编写和调试，所有模块调试成功以后，再将各个模块连接整合在一起形成系统。
模块化程序设计的主要特点是：
单个模块比一个完整的程序更容易编写、查错和测试；模块化程序可以实现共享，一个模块化程序可被多个任务在不同的条件下调用；把输入/输出封装起来，可以使程序减少不必要的修改；这样的设计有利于程序代码的优化和共享，而且便于设计、调试和维护，可以增强系统的可靠性。
主控制器程序流程图如图4-1所示：
图4-1软件设计流程
本系统软件设计的核心部分是GSM短信收发，其他次要部分还有传感器程序设计、报警程序设计等。
4.2GSM短消息程序设计
4.2.1短消息收发模式
目前，短消息收发常用基于AT指令的Text和基于AT指令的PDU模式。
Text模式只支持传送英文与数字信息，不能收发中文短信，但收发短信代码简单，实现起来比较容易，故在本系统中为了易于操作，控制阶段将采用Text模式。
Text模式在信息传送时通过串口传送的是十六进制ASCII码，其USART通讯默认使用9600比特率，8位数据信息，无奇偶校验，有一位开始位和一位结束位。
与短消息有关的AT指令表如表4.1所示：
指令
作用
AT+CNMA
新信息确认应答
AT+CPMS
优先信息存储，这个命令定义用来读写信息的存储区域
AT+CMGF
优先信息格式，执行格式有TEXT方式和PDU方式
AT+CSAS
保存设置，保存+CSAS和+CSMP的参数
AT+CRES
恢复设置
AT+CSDH
显示文本方式的参数
AT+CNMI
新信息指示，这个命令选择如何从网络上接收短信息
AT+CMGR
读短信，信息从+CPMS命令设定的存储器读取。
AT+CMGL
列出存储的信息
AT+CMGS
发送信息
AT+CMGW
写短信息并存储
AT+CMSS
从存储器中发送信息
AT+CSMP
设置文本模式的参数
AT+CMGD
删除短信息
AT+CSCA
短信服务中心地址
AT+WMSC
信息状态（是否读过、是否发送等等）修正
AT+WMGO
信息覆盖写入
AT+WUSS
不改变SMS状态，在执行+CMGR
或+CMGL后仍保持UNREAD
表4.1与短消息有关的AT指令
PDU模式不仅支持中文短信，也能发送数字和英文信息，但比较复杂。
为了显示直观易懂，本系统的报警阶段将采用PDU模式。
PDU模式收发短信有3种编码方式：
7-bit、8-bit和UCS2。
7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，8-bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。
PDU相当于一个数据包，由0-9，A-F组成，他们是8位字节的十六进制数或BCD码的十进制数。
发送和接收的PDU串结构是不同的。
4.2.2接收短消息程序设计
系统接受短消息其实就是MCU读取GSM模块中SIM卡新短消息的过程。
当从SIM卡读取短消息时，首先需要设定短信收发模式，其次通过查询和读取指令获取短消息容，然后将收到的短消息与预先设置好的控制命令比对，从而做出相应的控制操作。
程序流程图如图4-2所示：
主要程序指令有：
USART_Puts（“AT+CMGF=1\r”）;//选择以TEXT模式收信息
USART_Puts（“AT+CMGL=“RECUNREAD”\r”）;//查询是否有未读信息
USART_Puts（“AT+CMGR=n\r”）;//读取信息
图4-2接收短信流程图
4.2.3发送短消息程序设计
在本系统中当发生紧急情况时，需要主控制器通过GSM模块给用户发送发送报警短信。
当系统中的任一传感器检测到异常时，控制系统会按照预先设置好的短消息容发送给用户。
在短消息发送的实现过程中，主要的工作是设置好短消息的发送模式，其次是把预先想好的短信容加载到要发送的数组中，最后就是把短信发送到设置好的用户中。
其程序流程图4-3如图所示：
图4-3发送短信流程图
主要程序指令有：
USART_Puts（“AT+CMGF=0\r”）;//选择以PDU模式发信息
USART_Puts（“AT+CMGS=”+86XXXXXXXXXXX”\r”）;//输入用户手机号
USART_Puts（message）,USART_Puts（“\0xla\r”）;//发送短信容
5.系统调试与实现
5.1硬件制作与调试
硬件的制作是很重要的，它直接关系到整个设计的成败。
由于采用的是手工制版，在设计PCB过程中，使用的是单程走线，这就不免出现少量的飞线。
在本次系统制作过程中，为了制作简便，使用了市场上现有的GSM模块GTM900C。
在与主控板连接时，需预先将其与PC连接进行测试，过程为：
图5-1GSM模块测试结果图
将GTM900C模块通过RS232转USB线与计算机连接，进行调试。
先启动GSM串口调试助手程序，选择好端口，将波特率设为9600，无奇偶效验位。
然后打开串口，依次点选GSM调试专用栏的生产厂商、设备类型、设备初始化和拨号测试等，如图5-1所示结果显示GTM900C模块工作正常。
5.2软件编程与调试
软件是整个系统的灵魂，本次软件设计采用KeilμVision4开发软件。
KeilμVision4编程示意图如图5-2所示：
图5-2编程示意图
5.3实物验证：
1.启动系统后，GSM模块打给预设的手机提示其开始正常工作，结果如图5-3所示。
图5-3正常工作结果图
2.当温度超过预设的值时，手机将接受到如图5-4所示短信（短信容以设置）
图5-4
3.当高度超过预设值时，手机将接收到如图5-5所示短信（短息容可以设置）
图5-5
4.当重力超过预设值时，手机将接收到如图5-6所示短信（短信容可以设置）
图5-5
6.总结与展望
经过自己的不懈努力，本文设计与实现了一个针对普通家庭的垃圾智能管理系统。
本系统将单片机、GSM网络和多传感器有机结合，实现了远程手机接收，具体为：
（1）垃圾桶已满用过电脑提示用户；
（2）对于用户的家庭卫生起到很好的保护作用。
虽然本次研究和设计基本实现了系统的各项功能，但是系统还有许多需要完善的地方。
首先，为了提高系统对险情的检测灵敏性和可靠性，可以考虑利用无线传感网络技术。
其次，本次系统远程控制所用的短消息属于第一代无线数据服务技术，在容、数据输送等方面存在限制，有时存在短信延迟等现象，可以考虑使用GTM900C自带的GPRS功能，或者利用现在已经大力发展的3G网络与正在不断发展的4G网络，以实现数据的传输。
最后，本系统的美观还有待提升。
7.致
本研究与学位论文是在我的导师***老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。
他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
*老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向*老师致以诚挚的意和崇高的敬意。
我还要感在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的意!
最后我还要感培养我长大含辛茹苦的父母，你们!
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感！
参考文献
[1]MeHome~（TM）全移动智能家居系统[J].数字社区&智能家居,2007,（08）
[2]智能家居系统分类——尼科智能家居系统[J].电
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