家居生活中的幾乎每一種設(shè)備都在經(jīng)歷自動(dòng)化和智能化的創(chuàng)新。順應(yīng)這一趨勢(shì)，本文將介紹如何創(chuàng)建一個(gè)智能垃圾桶設(shè)計(jì)，當(dāng)有人接近垃圾桶時(shí)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，并在人離開(kāi)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。這個(gè)設(shè)計(jì)不需要用戶觸碰垃圾桶。該系統(tǒng)還配備了特殊的按鈕來(lái)校準(zhǔn)距離：用戶可以選擇垃圾桶感應(yīng)的距離為20厘米、40厘米或60厘米。該設(shè)計(jì)通過(guò)使用一顆IC、" target="_blank">Dialog SLG46140V CMIC、一個(gè)伺服電機(jī)和一個(gè)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)。
我們?yōu)檫@個(gè)項(xiàng)目選擇了SLG46140，因?yàn)樗擞行?zhí)行所有系統(tǒng)功能的合適元素。該IC以脈沖的形式接收來(lái)自超聲波傳感器的信號(hào)，其中觸發(fā)器和接收信號(hào)之間的延遲時(shí)間表示聲音信號(hào)移動(dòng)和從對(duì)面物體回彈所需的時(shí)間。然后，該IC將時(shí)間延遲與距離進(jìn)行關(guān)聯(lián)；然后，相對(duì)于所選擇的距離閾值測(cè)量該距離。如果滿足閾值，則生成合適的PWM信號(hào)并發(fā)送到伺服電機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)90？從而打開(kāi)垃圾桶蓋。當(dāng)用戶離開(kāi)垃圾桶時(shí)，該IC從超聲波傳感器接收新值，生成新的PWM信號(hào)，使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)90°，從而關(guān)閉桶蓋。
圖1： 電路框圖
SLG46140 GreenPAK是一款小型IC，包含很多不同的可配置組件。可以在幾分鐘內(nèi)對(duì)該IC完成配置實(shí)現(xiàn)這個(gè)應(yīng)用，它將能執(zhí)行所有系統(tǒng)功能，而無(wú)需使用微控制器或類似的處理器件。此外，GreenPAK的低功耗性能可以節(jié)省電池使用，這使自動(dòng)垃圾桶傳感器對(duì)客戶更具吸引力。
我們用了一個(gè)小型伺服電機(jī)（SG90）來(lái)創(chuàng)建項(xiàng)目原型設(shè)計(jì)，這對(duì)小型垃圾桶很方便。在選擇伺服電機(jī)的時(shí)候，應(yīng)檢查其扭矩并確保能夠正確打開(kāi)垃圾捅蓋。該項(xiàng)目已通過(guò)實(shí)際原型進(jìn)行測(cè)試和實(shí)現(xiàn)。
GreenPAK設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)包括兩個(gè)基本部分：第一部分用于接收來(lái)自超聲波傳感器的信號(hào)，并將其與距離進(jìn)行關(guān)聯(lián)。 第二部分負(fù)責(zé)生成PWM信號(hào)以旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)。
超聲波傳感器控制設(shè)計(jì)
我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中使用的傳感器是HC－SR04超聲波傳感器模塊。該傳感器有四個(gè)引腳。GND和VCC引腳為傳感器提供電源，TRIG和ECHO引腳控制濾波后的超聲波信號(hào)。如果我們?cè)赥RIG引腳上施加高信號(hào)至少10 us（微秒），傳感器將發(fā)送頻率為40 kHz的8周期超聲波發(fā)射脈沖串。如果有物體面向傳感器，超聲波將反彈并被傳感器接收。然后，傳感器將在ECHO引腳上輸出一個(gè)高信號(hào)，其周期等于脈沖發(fā)送和接收之間的延遲。
根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)表，距離可以通過(guò)以下公式計(jì)算：
時(shí)間＝回波脈沖寬度（微秒）
距離（以cm為單位）＝時(shí)間 ／ 58
或者你可以利用聲速（340米／秒）并使用等式：
距離＝速度x時(shí)間
請(qǐng)注意，我們從傳感器接收的時(shí)間是聲音信號(hào)接收和反彈所需的時(shí)間。因此距離值加倍，我們需要將時(shí)間除以2才能得到正確的距離。
GreenPAK中的Pin3已配置為輸出，連接到HC－SRO4的TRIG引腳。CNT2和CNT3每20ms生成一個(gè)10us脈沖，發(fā)送到Pin3。
CNT2已配置為“延遲”，計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)等于270。延遲在來(lái)自P DLY的下降沿觸發(fā)。CNT3負(fù)責(zé)每10ms生成一個(gè)脈沖，其計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)為249。
CNT3輸出連接到DFF0，已與P DLY一起用作分頻器，每20ms觸發(fā)一次CNT2。
Pin4配置為輸入，連接到超聲波傳感器的ECHO引腳。Pin4的輸入信號(hào)傳遞至2－bit LUT0和CNT0；兩者都用于計(jì)算脈沖寬度，來(lái)與所選閾值進(jìn)行比較。
CNT0被配置為上升沿延遲，計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)等于26。該延遲時(shí)間等于1．14ms，對(duì)應(yīng)于20cm的距離。 因此，CNT0將為每個(gè)20cm距離增量輸出一個(gè)脈沖，根據(jù)來(lái)自傳感器的ECHO脈沖持續(xù)時(shí)間計(jì)算。
管道延遲塊用于計(jì)算來(lái)自CNT0的一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)脈沖。“1 Pipe Out”與20cm距離標(biāo)記相關(guān)聯(lián)，“Out1”與40cm距離標(biāo)記相關(guān)聯(lián)，“Out0”與60cm距離標(biāo)記相關(guān)聯(lián)。
來(lái)自管道延遲塊的信號(hào)傳遞至4－bit LUT0和3－bit LUT0，以與DFF1、DFF2和DFF5輸出進(jìn)行比較。 如果管道延遲的有效輸出與用戶選擇的值匹配，則高信號(hào)產(chǎn)生并存儲(chǔ)在DFF3中。
Pin5連接到一個(gè)按鈕，該按鈕通過(guò)為由DFF1、DFF2和DFF5組成的3－bit移位寄存器提供時(shí)鐘，來(lái)循環(huán)設(shè)備的距離靈敏度。DFF輸出連接到Pin9、Pin10和Pin11，這幾個(gè)引腳都配置為輸出。這些DFF負(fù)責(zé)保存用戶選擇的選項(xiàng)，輸出可以發(fā)送到LED以示意當(dāng)前設(shè)置。
Pin6將切換反相DFF4，它負(fù)責(zé)激活或停用系統(tǒng)。DFF4的輸出傳遞至2－L2和2－L3。
Pin5和Pin6均采用外部濾波器去抖，因?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)使用了SLG46140中的所有CNT ／ DLY模塊。
3－L1配置為反相器，轉(zhuǎn)換來(lái)自Pin4的信號(hào)。反相器的輸出連接到DFF3的CK輸入。當(dāng)傳感器開(kāi)始新的運(yùn)行周期時(shí)，此連接使DFF3能夠保持位于“D”輸入的值。
伺服電機(jī)控制設(shè)計(jì)
在這部分設(shè)計(jì)中，將生成合適的PWM信號(hào)以旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)臂，從而根據(jù)距離計(jì)算打開(kāi)和關(guān)閉垃圾桶蓋。
伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度由PWM信號(hào)決定。在本項(xiàng)目中，我們將使用Tower Pro SG90，它能夠旋轉(zhuǎn)到幾乎180°（每側(cè)90°）。 旋轉(zhuǎn)角度通過(guò)提供給電機(jī)控制輸入的PWM信號(hào)來(lái)延展。如果每個(gè)PWM脈沖寬度為1．5ms，則電機(jī)位于中間（角度0°）；如果脈沖寬度等于2ms，則電機(jī)位于90°；如果脈沖寬度等于1ms，則電機(jī)位于－90°。在這個(gè)項(xiàng)目中，當(dāng)傳感器未在指定范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)到物體時(shí)，電機(jī)應(yīng)定位在0°；當(dāng)物體接近垃圾桶時(shí)，電機(jī)將旋轉(zhuǎn)至約90°角。
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到垃圾桶附近有物體時(shí)，DFF3輸出從低切換到高；命名為“檢測(cè)到物體”的信號(hào)傳遞至CNT1的“DLY IN”輸入。CNT1配置為雙邊延遲，用于防止噪音或傳感器前方任何快速移動(dòng)導(dǎo)致打開(kāi)垃圾桶。 這樣的話，除非物體在垃圾桶前停留半秒以上，否則垃圾桶蓋不會(huì)打開(kāi)。
CNT1的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)為193，等于500ms。CNT1的輸出連接到PWM0的“MTRX sel＃1”和“MTRX sel＃0”輸入。PWM0負(fù)責(zé)生成伺服電機(jī)的最終PWM信號(hào)；由于我們從“IN ＋”列表中選擇了“通過(guò)矩陣選擇的寄存器”，因此生成的脈沖的寬度將對(duì)應(yīng)于先前存儲(chǔ)在該塊的內(nèi)部寄存器中的值。我們?cè)诩拇嫫?中存儲(chǔ)了值24，在寄存器2中存儲(chǔ)了值52。
圖2： GreenPAK設(shè)計(jì)
圖3： 頂層電路圖
圖4： 自動(dòng)垃圾桶原型
總結(jié)
在本項(xiàng)目中我們創(chuàng)建了一個(gè)智能垃圾桶，當(dāng)有人靠近它時(shí)自動(dòng)打開(kāi)，并在人離開(kāi)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。
系統(tǒng)的所有控制功能，包括從超聲波傳感器接收信號(hào)，和為伺服電機(jī)生成合適的信號(hào)，都是通過(guò)單個(gè)小型Dialog GreenPAK CMIC實(shí)現(xiàn)，它能有效地執(zhí)行各項(xiàng)功能。