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，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)會自動(dòng)打開，并在人離開時(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)通過使用一顆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自超聲波傳感器的信號，其中觸發(fā)器和接收信號之間的延遲時(shí)間表示聲音信號移動(dòng)和從對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，相對于所選擇的距離閾值測量該距離。如果滿足閾值，則生成合適的PWM信號并發(fā)送到伺服電機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)90º從而打開垃圾桶蓋。當(dāng)用戶離開垃圾桶時(shí)，該IC從超聲波傳感器接收新值，生成新的PWM信號，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)垃圾桶傳感器對客戶更具吸引力。

我們用了一個(gè)小型伺服電機(jī)(SG90)來創(chuàng)建項(xiàng)目原型設(shè)計(jì)，這對小型垃圾桶很方便。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垃圾捅蓋。該項(xiàng)目已通過實(shí)際原型進(jìn)行測試和實(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自超聲波傳感器的信號，并將其與距離進(jìn)行關(guān)聯(lián)。 第二部分負(fù)責(zé)生成PWM信號以旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)。

超聲波傳感器控制設(shè)計(jì)

我們在這個(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。如果我們在TRIG引腳上施加高信號至少10us(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，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

請注意，我們從傳感器接收的時(shí)間是聲音信號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的輸入信號傳遞至2-bit LUT0和CNT0;兩者都用于計(jì)算脈沖寬度，來與所選閾值進(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)。

來自管道延遲塊的信號傳遞至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，則高信號產(chǎn)生并存儲在DFF3中。

Pin5連接到一個(gè)按鈕，該按鈕通過為由DFF1、DFF2和DFF5組成的3-bit移位寄存器提供時(shí)鐘，來循環(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)換來自Pin4的信號。反相器的輸出連接到DFF3的CK輸入。當(dāng)傳感器開始新的運(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信號以旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)臂，從而根據(jù)距離計(jì)算打開和關(guān)閉垃圾桶蓋。

伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度由PWM信號決定。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)角度通過提供給電機(jī)控制輸入的PWM信號來延展。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“檢測到物體”的信號傳遞至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，否則垃圾桶蓋不會打開。

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;由于我們從“IN +”列表中選擇了“通過矩陣選擇的寄存器”，因此生成的脈沖的寬度將對應(yīng)于先前存儲在該塊的內(nèi)部寄存器中的值。我們在寄存器1中存儲了值24，在寄存器2中存儲了值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，并在人離開時(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，和為伺服電機(jī)生成合適的信號，都是通過單個(gè)小型Dialog GreenPAK CMIC實(shí)現(xiàn)，它能有效地執(zhí)行各項(xiàng)功能。