基于單片機的智能垃圾分類系統

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注的重點。因此，對垃圾進行妥善的再利用，預防環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垃圾分類基礎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，可以實現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 系統設計

智能垃圾分類系統以單片機為控制核心，實現對各個功能模塊的協調控制。通過金屬傳感器實現對金屬的檢測，利用濕度傳感器實現對濕垃圾的檢測。系統默認垃圾為干垃圾，傳感器檢測出相關數據傳遞給單片機，經過單片機對數據的處理，實現垃圾的進一步識別，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，隨時可以監控到垃圾桶內垃圾信息，當垃圾桶裝滿以后就會發出報警。

系統整體硬件結構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。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構示意圖

2.2 單片機最小系統設計

單片機最小系統如圖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

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

復位電路是單片機控制系統的關鍵部分，功能是恢復單片機的初始狀態，復位電路主要分為手動復位和上電復位。本系統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

智能垃圾分類系統主要采用LCD1602液晶顯示電路。該液晶顯示可以實現單行16個字符或兩行8個字符數據的顯示。該顯示電路可以顯示垃圾分類檢測各項相關數據，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。通過對電位器的調節，可以改變濕度檢測的閾值（控制濕度值），如需要控制環境濕度為60%時，模塊在相應環境濕度調到其綠燈亮，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、限幅和模數轉換器等。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，延遲關斷低電平，輸出高電平。通過該模塊實現對有無人員進入該區域的判斷。

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，金屬對信號產生諧波的場強會發生變化，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生變化，從而使金屬探測器的振幅發生改變。該振幅變化量作為探測信號，經過放大，變換成音頻信號驅動蜂鳴器發出警報。

2.6 繼電器驅動模塊

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

2.7 電機驅動模塊

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各模塊的初始化，通過調用其他各子模塊函數，完成整個系統軟件與硬件的結合，最終實現各個功能模塊協調工作。主函數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。單片機給控制端發送一個20μs的高電平后其內部定時器清零，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，單片機定時器關閉，獲取TH0和TL0定時器的高低8位數據，通過公式S=（TH0×256+TL0）×1μs，可以得到從發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（）函數為濕垃圾賦值，繼電器打開，默認檢測時間為5s。

4 結束語

本文設計的基于單片機的智能垃圾分類系統，以單片機為主控芯片，通過不同的傳感器實現對不同垃圾的分類，同時還可以實現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，進一步體現垃圾分類的智能化，便捷化，更好地滿足人們的生活需求。