城市生活垃圾分类计量收费设备控制装置的设计

摘   要： 城市生活垃圾分类计量收费是解决城市垃圾问题的有效手段。设计了一种基于单片机的垃圾分类计量控制装置,具备体积小巧、易于安装和成本低廉等优势，可推广使用。
关键词： 垃圾分类计量; 控制装置; 单片机
       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。
   
       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[1]。
     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[2]：
   
       (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]。
   
       (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。
   
   


      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。
   
       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。
   
   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。
参考文献
[1] 李铁军，何永洪.基于单片机的IC卡系统设计[J]. 微型机与应用,2009,28(21):19-21.
[2] 宁波博达技术部.探究我国称重传感器的现场使用和调试[J].传感器专刊,2007,36(B10):45-48.
[3] 高芳玲，满庆丰，夏继强.地铁AFC系统中的射频卡读写器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(1):57-60.