基于單片機的智能垃圾分類系統(tǒng)

竇紅真，丁楚童

（安徽文達信息工程學院，安徽合肥 230061）

1 概述

《上海市生活垃圾管理條例》正式實施后，垃圾分類成為人們關(guān)注的重點。因此，對垃圾進行妥善的再利用，預防環(huán)境污染等問題刻不容緩。垃圾主要分為4種不同類別，即廚余垃圾、有害垃圾、可回收垃圾、其他垃圾。垃圾分類主要是在傳統(tǒng)垃圾分類基礎(chǔ)上對垃圾進行收集與處理，是有效進行垃圾處理的科學管理方法，通過進一步挖掘垃圾蘊含的價值，從而變廢為寶，達到保護環(huán)境的目的。

針對垃圾分類問題，本文設計了基于單片機的智能垃圾分類系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對金屬垃圾以及干濕垃圾的分類。金屬傳感器和濕度傳感器能檢測垃圾并進行分類，當垃圾為金屬垃圾時，蜂鳴器會發(fā)出警報，當垃圾桶滿時，顯示器會顯示滿信息。

2 整體方案設計

2.1 系統(tǒng)設計

智能垃圾分類系統(tǒng)以單片機為控制核心，實現(xiàn)對各個功能模塊的協(xié)調(diào)控制。通過金屬傳感器實現(xiàn)對金屬的檢測，利用濕度傳感器實現(xiàn)對濕垃圾的檢測。系統(tǒng)默認垃圾為干垃圾，傳感器檢測出相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給單片機，經(jīng)過單片機對數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)垃圾的進一步識別，達到某些設定條件時報警器自動報警，相關(guān)信息在LCD顯示器顯示。在垃圾桶蓋上加裝超聲波測距，隨時可以監(jiān)控到垃圾桶內(nèi)垃圾信息，當垃圾桶裝滿以后就會發(fā)出報警。

系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)組成主要包括單片機控制模塊、顯示模塊、報警模塊、傳感器檢測模塊以及滿載檢測模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 單片機最小系統(tǒng)設計

單片機最小系統(tǒng)如圖2所示。主要電路包括復位電路、電源電路、晶振電路和P0端口的上拉排阻。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

時鐘電路由12MHz晶振和2個起振電容組成，電容具有穩(wěn)定頻率的功能。晶體振蕩器的主要功能是向單片機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘信號和時鐘頻率。

復位電路是單片機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，功能是恢復單片機的初始狀態(tài)，復位電路主要分為手動復位和上電復位。本系統(tǒng)采用上電復位的方式，STC89C52系列微處理機采用REST對插頭進行重置，該復位插針能夠在10ms以上的高電平（一般為MCU電源電壓）下對單片機進行重新設置。

2.3 LCD顯示模塊

智能垃圾分類系統(tǒng)主要采用LCD1602液晶顯示電路。該液晶顯示可以實現(xiàn)單行16個字符或兩行8個字符數(shù)據(jù)的顯示。該顯示電路可以顯示垃圾分類檢測各項相關(guān)數(shù)據(jù)，具體包含垃圾種類信息、垃圾桶種類信息、滿載信息，以及紅外傳感器的信息等。

2.4 濕度感應模塊

濕度傳感器對環(huán)境濕度很敏感，可用來進行濕垃圾的檢測。通過對電位器的調(diào)節(jié)，可以改變濕度檢測的閾值（控制濕度值），如需要控制環(huán)境濕度為60%時，模塊在相應環(huán)境濕度調(diào)到其綠燈亮，DO則輸出低電平，低于此設定濕度值時，輸出高電平，綠燈不亮。DO輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的濕度改變。

LM393（雙電壓比較器）采用兩個獨立的高精度電壓比較電路，它廣泛用于脈沖電源、方波電源、多諧振子、限幅和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。LM393的特點是單電源供電、高精度、高輸入電壓、低偏流、與TTL和CMOS兼容、功耗低。LM393引腳的功能如下。

（1）第4引腳和第8引腳分別接地和電源。

（2）第1引腳和第7引腳分別為內(nèi)部的兩個比較器的輸出端。

（3）3、5引腳為同相輸入端，2、6引腳為反向輸入端。當同相輸入端電壓高于反向輸入端電壓時，輸出高阻態(tài)加一個上拉電阻輸出高電平。同相輸入端電壓低于反向輸入端電壓，輸出低電平。紅外感應模塊如圖3所示，紅外感應模塊的核心是紅外傳感器，其作用是在人進入感知距離時輸出低電平，在人離開感知距離時，延遲關(guān)斷低電平，輸出高電平。通過該模塊實現(xiàn)對有無人員進入該區(qū)域的判斷。

圖3 紅外感應模塊電路

2.5 金屬檢測模塊

當檢測到金屬垃圾時，金屬對信號產(chǎn)生諧波的場強會發(fā)生變化，引起磁場周圍電流的變化，從而形成渦流。探頭線圈接觸到渦流阻抗會發(fā)生變化，從而使金屬探測器的振幅發(fā)生改變。該振幅變化量作為探測信號，經(jīng)過放大，變換成音頻信號驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報。

2.6 繼電器驅(qū)動模塊

在本設計中，繼電器電路起到很大的作用，當發(fā)現(xiàn)不同的垃圾屬性后，單片機會輸出低電平給繼電器，通過繼電器的開關(guān)來模擬不同垃圾桶的控制，實現(xiàn)對垃圾分類的模擬。

2.7 電機驅(qū)動模塊

工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分組成，當按下按鍵時低電壓加在電磁鐵兩端，電磁鐵開始工作，把銜鐵吸下使工作電路斷開，從而使按鍵電磁鐵失去磁力而松開，銜鐵繼電器只需要控制低壓電路就可以實現(xiàn)對高壓電路的控制。電路中采用PNP三極管為繼電器提供動力，當閾值超過設定值時，由高電平向低電平過渡。

垃圾桶滿度檢測模塊：對于垃圾桶滿度的檢測，本系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波測距模塊進行測試。該模塊有4個引腳，第1引腳和第4引腳分別接電源和地，第2引腳和第3引腳分別與單片機P2.0，P2.1接口相連。該模塊的主要作用是通過超聲波測距檢測垃圾到桶蓋的距離，由此量化垃圾桶的滿度情況。

2.8 電源模塊

單片機的供電電源開關(guān)控制如圖4所示，這個電路是單片機的整個供電電路。由于所有的元件都是5V供電，本次設計電源電路由充電寶或者計算機的USB接口提供電源電壓即可。

圖4 電源模塊電路

3 軟件設計

3.1 主程序設計

主程序主要完成系統(tǒng)各模塊的初始化，通過調(diào)用其他各子模塊函數(shù)，完成整個系統(tǒng)軟件與硬件的結(jié)合，最終實現(xiàn)各個功能模塊協(xié)調(diào)工作。主函數(shù)主要是對紅外檢測模塊、金屬垃圾檢測模塊、濕垃圾檢測模塊，以及超聲波測距判斷垃圾桶是否裝滿子模塊的調(diào)用，如圖5所示。

圖5 主程序設計流程

3.2 超聲波測距流程

超聲波測距模塊的第2和第3引腳分別為Trig（控制端）和Echo（接收端），與單片機的P2.1和P2.0引腳相接。單片機給控制端發(fā)送一個20μs的高電平后其內(nèi)部定時器清零，此時Trig=1。當超聲波測距模塊的接收端Echo為高電平時，單片機定時器啟動，當接收端Echo為低電平時，單片機定時器關(guān)閉，獲取TH0和TL0定時器的高低8位數(shù)據(jù)，通過公式S=（TH0×256+TL0）×1μs，可以得到從發(fā)射超聲波到接收超聲波所用時間，將該時間除以2再乘340m/s，即可得到垃圾距離超聲波檢測模塊的距離，如圖6所示。

圖6 超聲波檢測流程

3.3 濕垃圾檢測流程圖

當紅外傳感器檢測到周圍有人準備丟垃圾時，LCD1602通過display（）函數(shù)顯示當前垃圾信息。當存在濕垃圾時通過濕度傳感器能檢測出來。通過uchar（）函數(shù)為濕垃圾賦值，繼電器打開，默認檢測時間為5s。

4 結(jié)束語

本文設計的基于單片機的智能垃圾分類系統(tǒng)，以單片機為主控芯片，通過不同的傳感器實現(xiàn)對不同垃圾的分類，同時還可以實現(xiàn)對垃圾桶滿載的檢測報警。從某種程度上可以減輕人們垃圾分類的負擔，打破了傳統(tǒng)的垃圾分類方式。

在今后的研究中應該對當前垃圾分類系統(tǒng)進行進一步的智能改進，如更細化地分出各種垃圾，在垃圾的投遞方面做更多的工作，進一步體現(xiàn)垃圾分類的智能化，便捷化，更好地滿足人們的生活需求。