《光電智能垃圾分揀小車》課題結(jié)題報告

陳森森 林志國

如今的中國正處于高速發(fā)展階段，而每一個國家在經(jīng)歷這一階段的同時不可避免地會出現(xiàn)比較嚴重的環(huán)境污染;中國也不例外，然而這些污染的源頭無非就是一些生活垃圾或者化工“垃圾”，生活垃圾分為1.不可回收垃圾2.可回收垃圾3.有害垃圾，如果我們沒有做好垃圾分類的話，不僅會浪費資源，造成污染，同時也會給一些垃圾處理部門造成不必要的麻煩。而智能垃圾分揀小車可以自主搜尋垃圾、識別垃圾種類并針對不同的垃圾進行相應的回收，節(jié)省大量的人工勞動力;并且可以在許多苛刻的環(huán)境中代替人力完美執(zhí)行分揀垃圾的工作;如今關(guān)于智能垃圾分揀小車研究備受世界的關(guān)注，由于在未來人工智能將在很多領(lǐng)域占據(jù)主導地位，像分揀垃圾這種需要大量勞動力的工作，將完全有可能被人工智能所取代，減少人工分類、減少環(huán)境污染、讓城市更加規(guī)范化。

目前，在百度AI平臺里的EasyDl定制化圖像識別功能已經(jīng)可以初步識別常見垃圾，但并不具備循跡、分揀等功能，而我們要做的就是設(shè)法將三者合并起來，制作出可以自己尋找垃圾并識別分類的智能垃圾分揀小車。

在研究的過程中，我們采用了模擬法、功能分析法、實驗法等科研方法來進行研究。

設(shè)計的任務(wù)是：小車來到垃圾分放點后，經(jīng)過掃碼識別和服務(wù)器判斷，給小車發(fā)送指令信息，接收到后小車能夠?qū)⒗謷街付ㄎ恢?。小車總體功能結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

本設(shè)計需要的模塊有：循跡避障小車模塊、識別抓取模塊、定位卸貨模塊、無線交互模塊。

主控制器單片機的選擇

本設(shè)計采用STC89C52RC型號的單片機，STC89C52單片機具有以下標準功能：4個外部中斷，看門狗定時器，MAX810復位電路，16位定時器3個，全雙工串行口，7向量4級中斷結(jié)構(gòu)一個?？山抵?Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。

循跡避障小車的硬件設(shè)計

實現(xiàn)小車基礎(chǔ)的循跡避障功能，需要用到驅(qū)動系統(tǒng)提供小車行駛的動力，和循跡避障系統(tǒng)判斷小車執(zhí)行的行駛指令。本設(shè)計分別對兩個模塊進行論證以完成該硬件系統(tǒng)的設(shè)計。

驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)本設(shè)計的思路，由單片機根據(jù)所檢測的數(shù)據(jù)進行判斷，然后執(zhí)行對應的功能，實現(xiàn)對自動分揀小車的智能控制。

L298N芯片的驅(qū)動原理

L298N芯片是一種高電壓大電流的電機驅(qū)動芯片，工作電壓較高，含H型全橋式驅(qū)動器兩個，可用于驅(qū)動直流、步進電機。直流電機沒有正負極，但為了方便設(shè)計，我們模擬電機某同一端為正，另一端為負極。該設(shè)計將芯片的5、6、7、10、11、12接腳接到51單片機的P1.1、P1.0、P1.2、P1.4、P1.3、P1.5接口。芯片的2和3輸出口接到左電機正負極，13、14接到右電機正負極。當單片機P1.0信號為“1”，左電機輸出電路開關(guān)打開，P1.1輸出信號“1”，P1.2信號“0”，OUT1口輸出一個VCC高電平，OUT2輸出低電平0V，左電機正轉(zhuǎn)。同樣，P1.3信號“1”，P1.4信號“0”，P1.5信號“1”，則右電機反轉(zhuǎn)。這樣便實現(xiàn)了小車前進。在程序中，可以這樣定義：

（1）執(zhí)行左電機正轉(zhuǎn)：{ P1_0 = 1 ; P1_1 = 1 ; P1_2 = 0 }

（2）執(zhí)行左電機停轉(zhuǎn)：{ P1_0 = 0 ; P1_1 = 0 ; P1_2 = 0 }

（3）執(zhí)行左電機反轉(zhuǎn)：{ P1_0 = 1 ; P1_1 = 0 ; P1_2 = 1 }

（4）執(zhí)行右電機正轉(zhuǎn)：{ P1_3 = 1 ; P1_4 = 1 ; P1_5 = 0 }

（5）執(zhí)行右電機停轉(zhuǎn)：{ P1_3 = 0 ; P1_4 = 0 ; P1_5 = 0 }

（6）執(zhí)行右電機反轉(zhuǎn)：{ P1_3 = 1 ; P1_4 = 0 ; P1_5 = 1 }

循跡避障系統(tǒng)的硬件設(shè)計

循跡系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本設(shè)計中采用的紅外循跡模塊為TCRT5000紅外反射傳感器。

如圖1-2為TCRT5000紅外反射傳感器原理圖，圖中紅外對接管用于發(fā)射和接收紅外信號。平時電源接通時，電源指示燈有電流通過，指示燈亮。LM3939是一個比較器，當正端電壓大于負端，輸出高電平，開關(guān)指示燈不亮。當正端電壓小于負端電壓，輸出低電平0，開關(guān)指示燈形電流流通，燈亮。在代碼中可這樣設(shè)計：

（1）判斷兩邊未檢測到黑線：{P3_6 == 0 ; P3_7 == 0 } 執(zhí)行 前行

（2）判斷左邊檢測到黑線：{P3_6 == 1 ; P3_7 == 0 } 執(zhí)行 左轉(zhuǎn)

（3）判斷右邊檢測到黑線：{P3_6 == 0 ; P3_7 == 1 } 執(zhí)行 右轉(zhuǎn)

（4）判斷兩邊都檢測到黑線：{P3_6 == 1 ; P3_7 == 1 } 執(zhí)行 停車

避障系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本設(shè)計采用紅外發(fā)射式傳感器僅用于檢測障礙物。其中左避障傳感器輸出接P3.4，右避障輸出端接P3.5，在程序中可以這樣設(shè)置：

（1）判斷左方遇到障礙：{ P3_4 == 0 ; P3_5 == 1 } 執(zhí)行 停車

（2）判斷右方遇到障礙：{ P3_4 == 1 ; P3_5 == 0 } 執(zhí)行 停車

（3）判斷兩方都遇到障礙：{ P3_4 == 0 ; P3_5 == 0 } 執(zhí)行 停車

識別抓取系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要包括雙目攝像機、六自由度 機械臂、攝像機標定及測量子系統(tǒng)、機械臂控制子系統(tǒng)以及目標識別與定位子系統(tǒng)。雙目攝像機由兩個相同配置的CCD相機組成，充當機器人的眼睛;六自由度機械臂充當機器人的手臂，移動抓取物體;目標識別與定位系統(tǒng)安裝在一臺帶有GPU的服務(wù)器上，提供圖像目標檢測的接口服務(wù);攝像機標定及測量系統(tǒng)采集視場圖像，將圖像提交到目標識別與定位系統(tǒng)，根據(jù)其返回的物體分類信息及定位信息，計算物體三維坐標，控制機械臂移動并抓取目標。

定位和卸貨系統(tǒng)的硬件設(shè)計

定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計

光敏電阻傳感器功能的設(shè)計

定位系統(tǒng)采用光敏電阻傳感器和LED發(fā)光二極管搭配使用組成定位點的識別系統(tǒng)，設(shè)計中使用4個LED發(fā)光二極管和一個光敏電阻傳感器，在路線中設(shè)置四個點，各點適當位置放置一個LED發(fā)光二極管，小車側(cè)邊安裝一個光敏電阻傳感器。四個定位點位置模擬垃圾放置點、A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)。當小車到達第一個點，光敏電阻傳感器感應到光線達到標準，輸出低電平。然后判斷wifi信號是否存入變量中，如果wifi變量為0，則小車停車。識別垃圾并且機械臂抓取垃圾放到小車車廂內(nèi)，wifi變量不等于0，光敏信號為0，則小車循跡前進。當光敏電阻傳感器感應不到標準強度光線后，輸出信號“1”，此時對比變量，給另一個變量值加一。如此循環(huán)，直到小車到達wifi信息所對應的定位點后，停車卸貨。在本設(shè)計中，使用P2.0接口連接光敏電阻的DO口，當光強達到閾值傳感器輸出“0”，強未達到閾值輸出“1”，因此程序中可這樣設(shè)計：

（1）判斷到達定位點：{P2_0 == 0 }

（2）判斷未到定位點：{P2_0 == 1 }

卸貨系統(tǒng)的硬件設(shè)計

舵機功能的設(shè)計

本設(shè)計采用SG909g型號的舵機，用于執(zhí)行卸貨動作。當卸貨條件達成時，舵機子程序驅(qū)動舵機旋轉(zhuǎn)90度，將放置在稱重模塊上的貨物推下。動作完成后，卸貨功能完成，舵機復位，并將變量歸零，程序又開始循環(huán)變量判斷，小車繼續(xù)循跡繞回初始點停車。舵機的工作原理

驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動需要通過信號線給舵機一個周期性的直流偏置電壓，舵機會根據(jù)輸入的電壓和基準電壓進行比較，得到電壓差輸出，根據(jù)電壓差正負確定旋轉(zhuǎn)方向。另外，根據(jù)輸入方波的周期來判斷旋轉(zhuǎn)的角度。

無線傳輸設(shè)計

無線傳輸系統(tǒng)意為通過無線連接，客戶機與服務(wù)機進行信息交換，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)分為WIFI無線模塊、紅外遙控模塊。

WIFI無線模塊的硬件設(shè)計

WIFI傳輸功能的設(shè)計

該設(shè)計采用的是市面上普遍應用的ESP8266WIFI模塊。ESP8266模塊的工作原理

在正常工作的模式下使用時，通過單片機程序發(fā)送指令，讓芯片進入指定模式，這里可以通過if語句判斷0和1來執(zhí)行發(fā)送的指令內(nèi)容，建立好TCP協(xié)議后，便可以收發(fā)數(shù)據(jù)。

紅外遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

使用遙控器時，當按鍵按下超過36ms，振蕩器讓芯片激活，紅外發(fā)射口發(fā)射出一組108ms的脈沖。該脈沖由9ms的引導碼，4.5ms的結(jié)果碼，9ms18ms的低八位地址碼，9ms18ms的高八位地址碼，9ms～18ms的八位數(shù)據(jù)碼和該數(shù)據(jù)碼的反碼構(gòu)成。單片機接收到后，對信號進行判斷。檢測到非合法紅外信號則跳出，檢測到合法的紅外信號，表明接收到遙控器的信號。然后等待9ms低電平過去，再判斷是否為連發(fā)碼，若為連發(fā)碼則跳出，直到檢測到是引導碼，再等待4.5ms結(jié)果碼高電平過去，之后接收到的便是用戶碼。開始對用戶碼進行解碼。隨后對已解碼的用戶碼進行判斷，判斷成功則執(zhí)行設(shè)定的程序，即小車的前進、轉(zhuǎn)彎、倒退。

主函數(shù)的設(shè)計

void main（）

{

bit ExeFlag=0;

EX0=0;

IT0=1;

EA=1;

TMOD=0X01;

TH0= 0XFc;//1ms定時

TL0= 0X18;

TR0= 1;

ET0= 1;

Init_Tim1（）;

#if（0）

SendString（"AT+CWMODE_DEF=1＼r＼n"）;

HAL_Delay（100）;

SendString（"AT+CWJAP_DEF=＼"SCY＼"，＼"bilibili＼"＼r＼n"）;

HAL_Delay（3000）;

#else

SendString（"AT+CWMODE_DEF=2＼r＼n"）;

#endif

HAL_Delay（100）;

SendString（"ATE0＼r＼n"）;

HAL_Delay（100）;

SendString（"AT+CIPMUX=1＼r＼n"）;

HAL_Delay（100）;

SendString（"AT+CIPSERVER=1，333＼r＼n"）;

while（1）

{

if（P3_3 == 0）

{

delay_nms（10）;

if（P3_3 == 0）

{temp++ ; while（！P3_3）; }

BUZZ=0;

delay（50）;

BUZZ=1;

}

if（temp > 2）

{temp = 1; }

switch（temp）

{

case 1： Car_Avoidance（）;EX0 = 0;break;

case 2： BUZZ = 1; EX0 = 1;break;

}}}

測試與調(diào)試

循跡避障模塊的測試記錄

（1）試驗所用模塊：89C52RC單片機主板、電機驅(qū)動模塊、直流電機、小車底盤和紅外避障模塊。

（2）試驗過程：安裝好小車，編寫紅外循跡避障程序，燒寫進單片機試驗。

（3）試驗結(jié)果：前方有障礙物時小車停車不及時。

（4）解決方法：將障礙物檢測放在循跡條件父級，讓小車需要先滿足無障礙才能繼續(xù)循跡判斷和電機轉(zhuǎn)動。

自動分揀小車的整體測試記錄

（1）試驗所用模塊：測試好的所有模塊、安裝好舵機、第二層車身板、LED燈4個、制作好的手機APP和印有二維碼的模擬垃圾，搭建好演示環(huán)境。

（2）試驗過程：完善代碼并燒寫進小車，分別測試遙控模式和自動模式是否達到預期要求。

（3）試驗結(jié)果：遙控模式正常，切換自動模式正常，定位卸貨系統(tǒng)正常，但出現(xiàn)電機驅(qū)動電壓不足的問題，小車行駛不流暢。

（4）解決方法：尋找是否有短路或者串口沖突的問題，或者使用pwm調(diào)速，增大電機驅(qū)動電壓。

參考文獻

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第一作者簡介：

陳森森，2020，男，漢，籍貫：河南省開封市，學歷：大學本科，單位：江蘇大學機械工程學院，研究方向：光電信息科學與工程，單位所在省市及郵編：江蘇省鎮(zhèn)江市，212001

江蘇大學機械工程學院 江蘇省鎮(zhèn)江市 212001