垃圾分类系统

张琦琦 王晓珑 陈港 梁高丽 肖共军 唐志能

（六盘水师范学院 物理与电气工程学院，贵州 六盘水 553004）

一、绪论

科学技术发展越来越快，人们的物质生活也有所提高，生活中人们产生的垃圾越来越复杂处理起来难度越来越大，所以垃圾分类的目的是为了将可回收废弃物进行二次利用，并且将其他的有害垃圾进行分类处理，充分利用现代高科技生产制造技术回收利用有用资源，减少资源的浪费。

由于人们生产的垃圾量越来越大且成分复杂多样，给环境造成了严重的污染，一方面人们的健康也逐渐地受到威胁，如果垃圾分类处理不当，混合在一起的垃圾会占用大量土地面积，污染社会环境，影响人们的健康，形成浪费资源，进而损害生命健康安全，影响社会和谐。另一方面，垃圾中可能含有各种有用的物质，可以看作是一种可回收资源，如果实用的材料能够回收利用，生活中就可以减少垃圾排放，还可以解决资源短缺的问题。因此，垃圾分类处理一直以来就是社会发展的核心问题，人类走向美好生活的重要因素之一就是要妥善处理垃圾。为了提供优质的堆肥原料，对以易腐朽有机成分为主的餐厨垃圾进行了分离，为提高土壤肥力生产优质有机肥，减少农作物用量，对危险废物进行分类，降低废物中重金属、减少有害物质对土壤的污染，对废物进行无害化处理，减少水资源污染，降低垃圾处理中的有害物质和细菌对空气污染的程度。将不同类型的垃圾分开处理可以使填埋场的垃圾量大大减少。在现实生活中也要加大垃圾分类的宣传力度，最重要的是让每一位公民都认识到垃圾分类的重要性。

二、系统的总设计方案

本设计的核心处理器为Arduino UNO 主板，总体设计的系统结构图如图1 所示，其中电源采用直流+5V 供电，主要系统有：语音信息采集系统、舵机驱动系统、烟雾检测系统、火焰检测系统、超声波距离检测系统以及蜂鸣器报警系统等。在设计中最重要的为语音信息采集系统，因为它要接收来自于人发出的指令进行分析，并把分析出来的结果通过数据线传送到Arduino UNO 主板，Arduino UNO 主板将收到的信息处理后驱动对应的垃圾桶盖上的舵机使其桶盖打开，其他系统均为辅助系统，例如烟雾检测系统、火焰检测系统的作用是，当桶内发生火灾时，将会驱动蜂鸣器报警，并且驱动水泵工作灭火。超声波距离检测系统的作用是，当桶内垃圾量装满到一定高度时，垃圾桶盖上的指示灯会由绿灯变为红灯，表示此时垃圾桶内已装满。

三、硬件设计

（一）Arduino UNO 主板

Arduino UNO 是基于ATmega328P 一种非常实用的Arduino 开发板，如图2 所示，因为它价格实惠安装起来也很简单，存储空间也更大，Arduino UNO的数字输入/输出端3、5、6、9、10、11 这六个引脚具有PWM 输出功能、6 个模拟输入引脚A0-A5 可作为数模转换器使用，还包括了一个晶振、USB电脑接口和DC接口，不仅如此，还包含了51单片机所需要的一切实用功能，只需将其连接到电脑的USB 接口，使用交流DC 适配器，或使用电池驱动。Arduino UNO 主板有三种供电方式，分别是USB 连接口、DC 插座、Vin 电压输入引脚。通过USB 端口到控制板的电源是5V，如果要通过DC 插座供电，电源电压限制为6 伏到20 伏，就可以通过电源端供电。

（二）LD3320 语音模块

ld3320 是一种基于asr 语音识别的新型技术,为单一的芯片语音识别技术提供了高效的解决办法。ld3320 芯片已经集成了高测量精度的模数转换和数模转换接口,可以取样和编码，所以不再需要外部的随机存储器和辅助闪存，就可以轻松地对使用者说出的关键词进行识别。另外,关键词列表也可通过外部程序进行编写，本次设计时，通过程序将垃圾分为四大类的库，分别是厨余垃圾、其他垃圾、有害垃圾以及可回收垃圾，比如可回收垃圾库里面包含有：矿泉水瓶、牛奶盒、旧玩偶等，当人们呼叫“矿泉水瓶”这个垃圾名称时，经过LD3320 语音板识别后，将信号传送给Arduino UNO主板，Arduino UNO主板处理后，将控制可回收垃圾桶桶盖打开。

（三）舵机驱动模块

本设计采用4 个SG90 模拟舵机,是一种物体位置角度的驱动器，根据不同的应用需要可以改变舵机的角度，也可以在内部程序设置好固定的角度系统。舵机是一套自动闭环控制装置，要使系统保持输出恒定，就要用自动闭环控制，所谓自动闭环控制就是利用闭环反馈控制回路不断修正输出偏差，从而保持系统的输出恒定。接线图如图3 所示。

（四）烟雾传感器模块

此次设计所采用的是MQ-2 烟雾浓度检测传感器，工作电压为3.3V—5V，它具有高灵敏度、反应快速和良好的稳定性等优点，MQ-2 传感器对可燃气、烟雾、酒精等气体灵敏度极高。

烟雾传感器在本次设计主要起到桶内烟雾检测作用，防止垃圾桶内发生火灾。

（五）火焰传感模块

在实际设计时，考虑到垃圾桶内部容易发生火灾的情况，只有精准的检测才能有效地避免火灾的发生，所以在垃圾桶内安装了火焰传感器，能够输出模拟信号，探测角度大于120 度，3.3V—9V 供电，灵敏度高，对普通的光源也有反映，本次设计使用火焰传感器主要是用于检测桶内是否产生明火，驱动水泵工作，防止火灾发生。

（六）声音报警控制模块

本次设计采用的是高电平触发的有源蜂鸣器，当垃圾桶内产生的是暗火，伴有大量烟雾时，烟雾传感器检测到烟雾并测量其数值，若测量的数值大于程序内部设定的固定值时，将通过Arduino UNO 主板对对应管脚输出高电平驱动蜂鸣器报警跟水泵工作。若产生的是明火，火焰传感器将会捕捉到火焰的辐射值，同样也会驱动蜂鸣器报警跟水泵工作。

蜂鸣器电路图如4 所示，蜂鸣器的负极接地，三极管的集电极输出端接正极。

（七）超声波距离检测模块

本次设计采用的是hc-sr04 超声波距离模块。该模块应用非常广泛，例如各类超声波靠近开关以及用于各类防盗的报警控制等相关领域，可提供0.02m-4m的传感距离，测量的精度也非常准确。其工作原理如下：

（1）带触发引脚的触发器，提供至少10us 高电平脉冲信号；

（2）距离模块能够发送8 个40 千赫兹的方波并检测有无信号返回；

（3）当信号返回时，通过echo 脚传送高电平；

该模块有4 个脚，分别是VCC、GND、trig、echo；VCC 连接5V 电源、GND 接地，trig 发出信号，echo 接收反射的信号；在本次设计中，采用该传感器用来检测桶内的垃圾是否达到装满上限值，若装满（2cm<检测距离<5cm）时，垃圾桶桶盖上的指示灯将由绿灯转换为红灯。

四、系统调试

系统调试采用Arduino 专业编程软件Arduino IDE 与Keil uVision4编程软件，Arduino IDE 主要负责Arduino UNO 核心板程序的编写；Keil uVision4 编程软件主要用于LD3320 语音模块的程序编写。当LD3320 语音模块识别到垃圾名称后，进行处理，将处理好的信息发送给Arduino UNO主板，然后控制舵机打开桶盖，LD3320语音板对垃圾识别流程图如图5所示。

五、结论

设计一款垃圾分类系统从各个方面考虑都有非常可观的发展前景和发展价值，本次研究设计成功能够实现语音分类、垃圾桶满载检测、烟雾气体浓度检测和实现报警功能。如：当发现垃圾桶内有烟雾或者其他可燃性气体时，能够及时地检测出来并进行报警等，及时驱动水泵系统工作，提醒工作人员发现和处理，避免发生生命危险和财产损失。如果垃圾分类能在日常生活中得到广泛应用，人们的生活环境将会得到改善，可以减少有用资源的浪费，垃圾分类系统可以为人们的美好生活提供更多的安全保障，同时也为我国构建美好和谐的社会献出一份力量。