垃圾分類系統(tǒng)

張琦琦 王曉瓏 陳港 梁高麗 肖共軍 唐志能

（六盤水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

一、緒論

科學(xué)技術(shù)發(fā)展越來越快，人們的物質(zhì)生活也有所提高，生活中人們產(chǎn)生的垃圾越來越復(fù)雜處理起來難度越來越大，所以垃圾分類的目的是為了將可回收廢棄物進行二次利用，并且將其他的有害垃圾進行分類處理，充分利用現(xiàn)代高科技生產(chǎn)制造技術(shù)回收利用有用資源，減少資源的浪費。

由于人們生產(chǎn)的垃圾量越來越大且成分復(fù)雜多樣，給環(huán)境造成了嚴重的污染，一方面人們的健康也逐漸地受到威脅，如果垃圾分類處理不當(dāng)，混合在一起的垃圾會占用大量土地面積，污染社會環(huán)境，影響人們的健康，形成浪費資源，進而損害生命健康安全，影響社會和諧。另一方面，垃圾中可能含有各種有用的物質(zhì)，可以看作是一種可回收資源，如果實用的材料能夠回收利用，生活中就可以減少垃圾排放，還可以解決資源短缺的問題。因此，垃圾分類處理一直以來就是社會發(fā)展的核心問題，人類走向美好生活的重要因素之一就是要妥善處理垃圾。為了提供優(yōu)質(zhì)的堆肥原料，對以易腐朽有機成分為主的餐廚垃圾進行了分離，為提高土壤肥力生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機肥，減少農(nóng)作物用量，對危險廢物進行分類，降低廢物中重金屬、減少有害物質(zhì)對土壤的污染，對廢物進行無害化處理，減少水資源污染，降低垃圾處理中的有害物質(zhì)和細菌對空氣污染的程度。將不同類型的垃圾分開處理可以使填埋場的垃圾量大大減少。在現(xiàn)實生活中也要加大垃圾分類的宣傳力度，最重要的是讓每一位公民都認識到垃圾分類的重要性。

二、系統(tǒng)的總設(shè)計方案

本設(shè)計的核心處理器為Arduino UNO 主板，總體設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，其中電源采用直流+5V 供電，主要系統(tǒng)有：語音信息采集系統(tǒng)、舵機驅(qū)動系統(tǒng)、煙霧檢測系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)、超聲波距離檢測系統(tǒng)以及蜂鳴器報警系統(tǒng)等。在設(shè)計中最重要的為語音信息采集系統(tǒng)，因為它要接收來自于人發(fā)出的指令進行分析，并把分析出來的結(jié)果通過數(shù)據(jù)線傳送到Arduino UNO 主板，Arduino UNO 主板將收到的信息處理后驅(qū)動對應(yīng)的垃圾桶蓋上的舵機使其桶蓋打開，其他系統(tǒng)均為輔助系統(tǒng)，例如煙霧檢測系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)的作用是，當(dāng)桶內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，將會驅(qū)動蜂鳴器報警，并且驅(qū)動水泵工作滅火。超聲波距離檢測系統(tǒng)的作用是，當(dāng)桶內(nèi)垃圾量裝滿到一定高度時，垃圾桶蓋上的指示燈會由綠燈變?yōu)榧t燈，表示此時垃圾桶內(nèi)已裝滿。

三、硬件設(shè)計

（一）Arduino UNO 主板

Arduino UNO 是基于ATmega328P 一種非常實用的Arduino 開發(fā)板，如圖2 所示，因為它價格實惠安裝起來也很簡單，存儲空間也更大，Arduino UNO的數(shù)字輸入/輸出端3、5、6、9、10、11 這六個引腳具有PWM 輸出功能、6 個模擬輸入引腳A0-A5 可作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器使用，還包括了一個晶振、USB電腦接口和DC接口，不僅如此，還包含了51單片機所需要的一切實用功能，只需將其連接到電腦的USB 接口，使用交流DC 適配器，或使用電池驅(qū)動。Arduino UNO 主板有三種供電方式，分別是USB 連接口、DC 插座、Vin 電壓輸入引腳。通過USB 端口到控制板的電源是5V，如果要通過DC 插座供電，電源電壓限制為6 伏到20 伏，就可以通過電源端供電。

（二）LD3320 語音模塊

ld3320 是一種基于asr 語音識別的新型技術(shù),為單一的芯片語音識別技術(shù)提供了高效的解決辦法。ld3320 芯片已經(jīng)集成了高測量精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換接口,可以取樣和編碼，所以不再需要外部的隨機存儲器和輔助閃存，就可以輕松地對使用者說出的關(guān)鍵詞進行識別。另外,關(guān)鍵詞列表也可通過外部程序進行編寫，本次設(shè)計時，通過程序?qū)⒗譃樗拇箢惖膸欤謩e是廚余垃圾、其他垃圾、有害垃圾以及可回收垃圾，比如可回收垃圾庫里面包含有：礦泉水瓶、牛奶盒、舊玩偶等，當(dāng)人們呼叫“礦泉水瓶”這個垃圾名稱時，經(jīng)過LD3320 語音板識別后，將信號傳送給Arduino UNO主板，Arduino UNO主板處理后，將控制可回收垃圾桶桶蓋打開。

（三）舵機驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用4 個SG90 模擬舵機,是一種物體位置角度的驅(qū)動器，根據(jù)不同的應(yīng)用需要可以改變舵機的角度，也可以在內(nèi)部程序設(shè)置好固定的角度系統(tǒng)。舵機是一套自動閉環(huán)控制裝置，要使系統(tǒng)保持輸出恒定，就要用自動閉環(huán)控制，所謂自動閉環(huán)控制就是利用閉環(huán)反饋控制回路不斷修正輸出偏差，從而保持系統(tǒng)的輸出恒定。接線圖如圖3 所示。

（四）煙霧傳感器模塊

此次設(shè)計所采用的是MQ-2 煙霧濃度檢測傳感器，工作電壓為3.3V—5V，它具有高靈敏度、反應(yīng)快速和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點，MQ-2 傳感器對可燃氣、煙霧、酒精等氣體靈敏度極高。

煙霧傳感器在本次設(shè)計主要起到桶內(nèi)煙霧檢測作用，防止垃圾桶內(nèi)發(fā)生火災(zāi)。

（五）火焰?zhèn)鞲心K

在實際設(shè)計時，考慮到垃圾桶內(nèi)部容易發(fā)生火災(zāi)的情況，只有精準的檢測才能有效地避免火災(zāi)的發(fā)生，所以在垃圾桶內(nèi)安裝了火焰?zhèn)鞲衅?，能夠輸出模擬信號，探測角度大于120 度，3.3V—9V 供電，靈敏度高，對普通的光源也有反映，本次設(shè)計使用火焰?zhèn)鞲衅髦饕怯糜跈z測桶內(nèi)是否產(chǎn)生明火，驅(qū)動水泵工作，防止火災(zāi)發(fā)生。

（六）聲音報警控制模塊

本次設(shè)計采用的是高電平觸發(fā)的有源蜂鳴器，當(dāng)垃圾桶內(nèi)產(chǎn)生的是暗火，伴有大量煙霧時，煙霧傳感器檢測到煙霧并測量其數(shù)值，若測量的數(shù)值大于程序內(nèi)部設(shè)定的固定值時，將通過Arduino UNO 主板對對應(yīng)管腳輸出高電平驅(qū)動蜂鳴器報警跟水泵工作。若產(chǎn)生的是明火，火焰?zhèn)鞲衅鲗蹲降交鹧娴妮椛渲?，同樣也會?qū)動蜂鳴器報警跟水泵工作。

蜂鳴器電路圖如4 所示，蜂鳴器的負極接地，三極管的集電極輸出端接正極。

（七）超聲波距離檢測模塊

本次設(shè)計采用的是hc-sr04 超聲波距離模塊。該模塊應(yīng)用非常廣泛，例如各類超聲波靠近開關(guān)以及用于各類防盜的報警控制等相關(guān)領(lǐng)域，可提供0.02m-4m的傳感距離，測量的精度也非常準確。其工作原理如下：

（1）帶觸發(fā)引腳的觸發(fā)器，提供至少10us 高電平脈沖信號；

（2）距離模塊能夠發(fā)送8 個40 千赫茲的方波并檢測有無信號返回；

（3）當(dāng)信號返回時，通過echo 腳傳送高電平；

該模塊有4 個腳，分別是VCC、GND、trig、echo；VCC 連接5V 電源、GND 接地，trig 發(fā)出信號，echo 接收反射的信號；在本次設(shè)計中，采用該傳感器用來檢測桶內(nèi)的垃圾是否達到裝滿上限值，若裝滿（2cm<檢測距離<5cm）時，垃圾桶桶蓋上的指示燈將由綠燈轉(zhuǎn)換為紅燈。

四、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試采用Arduino 專業(yè)編程軟件Arduino IDE 與Keil uVision4編程軟件，Arduino IDE 主要負責(zé)Arduino UNO 核心板程序的編寫；Keil uVision4 編程軟件主要用于LD3320 語音模塊的程序編寫。當(dāng)LD3320 語音模塊識別到垃圾名稱后，進行處理，將處理好的信息發(fā)送給Arduino UNO主板，然后控制舵機打開桶蓋，LD3320語音板對垃圾識別流程圖如圖5所示。

五、結(jié)論

設(shè)計一款垃圾分類系統(tǒng)從各個方面考慮都有非?？捎^的發(fā)展前景和發(fā)展價值，本次研究設(shè)計成功能夠?qū)崿F(xiàn)語音分類、垃圾桶滿載檢測、煙霧氣體濃度檢測和實現(xiàn)報警功能。如：當(dāng)發(fā)現(xiàn)垃圾桶內(nèi)有煙霧或者其他可燃性氣體時，能夠及時地檢測出來并進行報警等，及時驅(qū)動水泵系統(tǒng)工作，提醒工作人員發(fā)現(xiàn)和處理，避免發(fā)生生命危險和財產(chǎn)損失。如果垃圾分類能在日常生活中得到廣泛應(yīng)用，人們的生活環(huán)境將會得到改善，可以減少有用資源的浪費，垃圾分類系統(tǒng)可以為人們的美好生活提供更多的安全保障，同時也為我國構(gòu)建美好和諧的社會獻出一份力量。