基于STM32的智能垃圾桶控制系统设计

引言

本项目设计了一个基于STM32微控制器的智能垃圾桶控制系统，能够通过超声波传感器检测手部动作，自动打开或关闭垃圾桶盖，提升用户的便利性和卫生性。该项目展示了STM32微控制器在传感器检测、伺服电机控制和嵌入式智能控制中的应用。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
超声波传感器模块（如 HC-SR04）
舵机（用于控制垃圾桶盖的开合）
蜂鸣器（用于提示音）
LED 指示灯（用于显示状态）
面包板和杜邦线
USB-TTL 串口调试工具

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

超声波传感器连接：将超声波传感器的 Trig 引脚连接到 STM32 的 GPIO 引脚（如 PA0），Echo 引脚连接到另一个 GPIO 引脚（如 PA1）。
舵机连接：将舵机的信号引脚连接到 STM32 的 PWM 引脚（如 PA8），用于控制垃圾桶盖的开合。
蜂鸣器连接：将蜂鸣器的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO 引脚（如 PA2），用于提示垃圾桶状态。
LED 指示灯连接：将 LED 的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO 引脚（如 PA3），用于显示垃圾桶的工作状态。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 GPIO 引脚用于超声波传感器、蜂鸣器和 LED 的控制。
配置 PWM 输出，用于控制舵机的开合。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写超声波传感器测距、垃圾桶开关控制、提示音和状态显示的代码。以下是智能垃圾桶控制系统的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "servo.h"
#include "ultrasonic.h"

// 定义引脚
#define BUZZER_PIN GPIO_PIN_2
#define LED_PIN GPIO_PIN_3
#define BUZZER_PORT GPIOA
#define LED_PORT GPIOA

// 定义超声波阈值
#define OPEN_DISTANCE 15 // 15cm内检测到手部时打开垃圾桶

// 函数声明
void Buzzer_Control(uint8_t state);
void LED_Control(uint8_t state);
uint32_t Measure_Distance(void);
void System_Init(void);
void Trash_Can_Open(void);
void Trash_Can_Close(void);

// 初始化系统
void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM1_Init();  // PWM 初始化
    
    Servo_Init();    // 初始化舵机
    Ultrasonic_Init(); // 初始化超声波传感器
}

// 控制蜂鸣器
void Buzzer_Control(uint8_t state)
{
    HAL_GPIO_WritePin(BUZZER_PORT, BUZZER_PIN, state ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}

// 控制 LED
void LED_Control(uint8_t state)
{
    HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, state ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}

// 打开垃圾桶
void Trash_Can_Open(void)
{
    Servo_Open();  // 旋转舵机打开垃圾桶
    LED_Control(1);  // 点亮 LED
    Buzzer_Control(1);  // 发出提示音
    HAL_Delay(100); // 提示音短暂响起
    Buzzer_Control(0);
}

// 关闭垃圾桶
void Trash_Can_Close(void)
{
    Servo_Close();  // 旋转舵机关闭垃圾桶
    LED_Control(0);  // 关闭 LED
}

// 测量距离并判断是否打开垃圾桶
void Trash_Can_Control(void)
{
    uint32_t distance = Measure_Distance();
    
    if (distance < OPEN_DISTANCE)
    {
        Trash_Can_Open();
        HAL_Delay(5000);  // 打开垃圾桶 5 秒后自动关闭
        Trash_Can_Close();
    }
}

int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        Trash_Can_Control();  // 控制垃圾桶开关
        HAL_Delay(1000);  // 每秒钟检查一次距离
    }
}

4. 超声波传感器测距

以下是超声波传感器测量距离的代码示例：

#include "ultrasonic.h"

// 初始化超声波传感器
void Ultrasonic_Init(void)
{
    // 配置 GPIO 引脚，设置 Trig 为输出，Echo 为输入
}

// 测量距离
uint32_t Measure_Distance(void)
{
    uint32_t distance = 0;
    uint32_t local_time = 0;
    
    // 发送 Trig 脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);  // 10 微秒脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 等待 Echo 的高电平并计算时间
    while (!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1));
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1))
    {
        local_time++;
        HAL_Delay(1);  // 1 微秒
    }
    
    // 计算距离（声速340米/秒）
    distance = (local_time * 0.034) / 2;
    
    return distance;
}

5. 舵机控制垃圾桶开关

以下是舵机控制垃圾桶盖开关的代码示例：

#include "servo.h"

// 初始化舵机
void Servo_Init(void)
{
    // PWM 初始化代码
}

// 打开垃圾桶盖
void Servo_Open(void)
{
    // 通过 PWM 控制舵机旋转到打开的位置
}

// 关闭垃圾桶盖
void Servo_Close(void)
{
    // 通过 PWM 控制舵机旋转到关闭的位置
}

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6. 系统工作原理

距离检测：通过超声波传感器检测手部或物体的距离，当物体接近垃圾桶并进入设定的检测范围（如 15cm），系统会自动打开垃圾桶盖。
舵机控制：使用舵机控制垃圾桶盖的开合，舵机通过 PWM 信号来调节转角。
状态提示：当垃圾桶盖打开时，LED 指示灯亮起，同时蜂鸣器发出短促提示音，提示垃圾桶状态变化。
自动关闭：垃圾桶盖打开一段时间后（如 5 秒），系统会自动关闭垃圾桶盖，防止长时间保持打开状态。

常见问题与解决方法

1. 超声波传感器测距不准确

检查超声波传感器的连接是否正确，确保 Trig 和 Echo 引脚没有接反。
确保测量环境没有过多干扰物，以免影响超声波的传播和反射。

2. 舵机无法正常控制垃圾桶盖

检查舵机的 PWM 信号是否正常输出，确保 PWM 配置正确。
检查舵机供电是否充足，确保舵机能够正常旋转。

3. 蜂鸣器和 LED 无反应

确保蜂鸣器和 LED 的引脚连接正确，检查 GPIO 的初始化是否正确。
确保蜂鸣器和 LED 的供电电压满足工作要求。

结论

通过本项目，我们设计了一个基于STM32的智能垃圾桶控制系统，实现了通过超声波检测自动控制垃圾桶盖的开关，同时结合了舵机、蜂鸣器和LED显示，提升了用户的交互体验和便利性。该系统可广泛应用于家庭、办公室等场景，展示了STM32在物联网和智能设备中的实际应用。