垃圾分類系統

張琦琦 王曉瓏 陳港 梁高麗 肖共軍 唐志能

（六盤水師范學院 物理與電氣工程學院，貴州 六盤水 553004）

一、緒論

科學技術發展越來越快，人們的物質生活也有所提高，生活中人們產生的垃圾越來越復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，充分利用現代高科技生產制造技術回收利用有用資源，減少資源的浪費。

由于人們生產的垃圾量越來越大且成分復雜多樣，給環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，混合在一起的垃圾會占用大量土地面積，污染社會環境，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，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。為了提供優質的堆肥原料，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優質有機肥，減少農作物用量，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、系統的總設計方案

本設計的核心處理器為Arduino UNO 主板，總體設計的系統結構圖如圖1 所示，其中電源采用直流+5V 供電，主要系統有：語音信息采集系統、舵機驅動系統、煙霧檢測系統、火焰檢測系統、超聲波距離檢測系統以及蜂鳴器報警系統等。在設計中最重要的為語音信息采集系統，因為它要接收來自于人發出的指令進行分析，并把分析出來的結果通過數據線傳送到Arduino UNO 主板，Arduino UNO 主板將收到的信息處理后驅動對應的垃圾桶蓋上的舵機使其桶蓋打開，其他系統均為輔助系統，例如煙霧檢測系統、火焰檢測系統的作用是，當桶內發生火災時，將會驅動蜂鳴器報警，并且驅動水泵工作滅火。超聲波距離檢測系統的作用是，當桶內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為紅燈，表示此時垃圾桶內已裝滿。

三、硬件設計

（一）Arduino UNO 主板

Arduino UNO 是基于ATmega328P 一種非常實用的Arduino 開發板，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 可作為數模轉換器使用，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,為單一的芯片語音識別技術提供了高效的解決辦法。ld3320 芯片已經集成了高測量精度的模數轉換和數模轉換接口,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鍵詞進行識別。另外,關鍵詞列表也可通過外部程序進行編寫，本次設計時，通過程序將垃圾分為四大類的庫，分別是廚余垃圾、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，當人們呼叫“礦泉水瓶”這個垃圾名稱時，經過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）舵機驅動模塊

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

（四）煙霧傳感器模塊

此次設計所采用的是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、反應快速和良好的穩定性等優點，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計主要起到桶內煙霧檢測作用，防止垃圾桶內發生火災。

（五）火焰傳感模塊

在實際設計時，考慮到垃圾桶內部容易發生火災的情況，只有精準的檢測才能有效地避免火災的發生，所以在垃圾桶內安裝了火焰傳感器，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，本次設計使用火焰傳感器主要是用于檢測桶內是否產生明火，驅動水泵工作，防止火災發生。

（六）聲音報警控制模塊

本次設計采用的是高電平觸發的有源蜂鳴器，當垃圾桶內產生的是暗火，伴有大量煙霧時，煙霧傳感器檢測到煙霧并測量其數值，若測量的數值大于程序內部設定的固定值時，將通過Arduino UNO 主板對對應管腳輸出高電平驅動蜂鳴器報警跟水泵工作。若產生的是明火，火焰傳感器將會捕捉到火焰的輻射值，同樣也會驅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

本次設計采用的是hc-sr04 超聲波距離模塊。該模塊應用非常廣泛，例如各類超聲波靠近開關以及用于各類防盜的報警控制等相關領域，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）帶觸發引腳的觸發器，提供至少10us 高電平脈沖信號；

（2）距離模塊能夠發送8 個40 千赫茲的方波并檢測有無信號返回；

（3）當信號返回時，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 發出信號，echo 接收反射的信號；在本次設計中，采用該傳感器用來檢測桶內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換為紅燈。

四、系統調試

系統調試采用Arduino 專業編程軟件Arduino IDE 與Keil uVision4編程軟件，Arduino IDE 主要負責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、結論

設計一款垃圾分類系統從各個方面考慮都有非常可觀的發展前景和發展價值，本次研究設計成功能夠實現語音分類、垃圾桶滿載檢測、煙霧氣體濃度檢測和實現報警功能。如：當發現垃圾桶內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，及時驅動水泵系統工作，提醒工作人員發現和處理，避免發生生命危險和財產損失。如果垃圾分類能在日常生活中得到廣泛應用，人們的生活環境將會得到改善，可以減少有用資源的浪費，垃圾分類系統可以為人們的美好生活提供更多的安全保障，同時也為我國構建美好和諧的社會獻出一份力量。