基于单片机的智能垃圾分类系统

窦红真，丁楚童

（安徽文达信息工程学院，安徽合肥 230061）

1 概述

《上海市生活垃圾管理条例》正式实施后，垃圾分类成为人们关注的重点。因此，对垃圾进行妥善的再利用，预防环境污染等问题刻不容缓。垃圾主要分为4种不同类别，即厨余垃圾、有害垃圾、可回收垃圾、其他垃圾。垃圾分类主要是在传统垃圾分类基础上对垃圾进行收集与处理，是有效进行垃圾处理的科学管理方法，通过进一步挖掘垃圾蕴含的价值，从而变废为宝，达到保护环境的目的。

针对垃圾分类问题，本文设计了基于单片机的智能垃圾分类系统，可以实现对金属垃圾以及干湿垃圾的分类。金属传感器和湿度传感器能检测垃圾并进行分类，当垃圾为金属垃圾时，蜂鸣器会发出警报，当垃圾桶满时，显示器会显示满信息。

2 整体方案设计

2.1 系统设计

智能垃圾分类系统以单片机为控制核心，实现对各个功能模块的协调控制。通过金属传感器实现对金属的检测，利用湿度传感器实现对湿垃圾的检测。系统默认垃圾为干垃圾，传感器检测出相关数据传递给单片机，经过单片机对数据的处理，实现垃圾的进一步识别，达到某些设定条件时报警器自动报警，相关信息在LCD显示器显示。在垃圾桶盖上加装超声波测距，随时可以监控到垃圾桶内垃圾信息，当垃圾桶装满以后就会发出报警。

系统整体硬件结构组成主要包括单片机控制模块、显示模块、报警模块、传感器检测模块以及满载检测模块。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构示意图

2.2 单片机最小系统设计

单片机最小系统如图2所示。主要电路包括复位电路、电源电路、晶振电路和P0端口的上拉排阻。

图2 单片机最小系统

时钟电路由12MHz晶振和2个起振电容组成，电容具有稳定频率的功能。晶体振荡器的主要功能是向单片机系统提供稳定的时钟信号和时钟频率。

复位电路是单片机控制系统的关键部分，功能是恢复单片机的初始状态，复位电路主要分为手动复位和上电复位。本系统采用上电复位的方式，STC89C52系列微处理机采用REST对插头进行重置，该复位插针能够在10ms以上的高电平（一般为MCU电源电压）下对单片机进行重新设置。

2.3 LCD显示模块

智能垃圾分类系统主要采用LCD1602液晶显示电路。该液晶显示可以实现单行16个字符或两行8个字符数据的显示。该显示电路可以显示垃圾分类检测各项相关数据，具体包含垃圾种类信息、垃圾桶种类信息、满载信息，以及红外传感器的信息等。

2.4 湿度感应模块

湿度传感器对环境湿度很敏感，可用来进行湿垃圾的检测。通过对电位器的调节，可以改变湿度检测的阈值（控制湿度值），如需要控制环境湿度为60%时，模块在相应环境湿度调到其绿灯亮，DO则输出低电平，低于此设定湿度值时，输出高电平，绿灯不亮。DO输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的湿度改变。

LM393（双电压比较器）采用两个独立的高精度电压比较电路，它广泛用于脉冲电源、方波电源、多谐振子、限幅和模数转换器等。LM393的特点是单电源供电、高精度、高输入电压、低偏流、与TTL和CMOS兼容、功耗低。LM393引脚的功能如下。

（1）第4引脚和第8引脚分别接地和电源。

（2）第1引脚和第7引脚分别为内部的两个比较器的输出端。

（3）3、5引脚为同相输入端，2、6引脚为反向输入端。当同相输入端电压高于反向输入端电压时，输出高阻态加一个上拉电阻输出高电平。同相输入端电压低于反向输入端电压，输出低电平。红外感应模块如图3所示，红外感应模块的核心是红外传感器，其作用是在人进入感知距离时输出低电平，在人离开感知距离时，延迟关断低电平，输出高电平。通过该模块实现对有无人员进入该区域的判断。

图3 红外感应模块电路

2.5 金属检测模块

当检测到金属垃圾时，金属对信号产生谐波的场强会发生变化，引起磁场周围电流的变化，从而形成涡流。探头线圈接触到涡流阻抗会发生变化，从而使金属探测器的振幅发生改变。该振幅变化量作为探测信号，经过放大，变换成音频信号驱动蜂鸣器发出警报。

2.6 继电器驱动模块

在本设计中，继电器电路起到很大的作用，当发现不同的垃圾属性后，单片机会输出低电平给继电器，通过继电器的开关来模拟不同垃圾桶的控制，实现对垃圾分类的模拟。

2.7 电机驱动模块

工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分组成，当按下按键时低电压加在电磁铁两端，电磁铁开始工作，把衔铁吸下使工作电路断开，从而使按键电磁铁失去磁力而松开，衔铁继电器只需要控制低压电路就可以实现对高压电路的控制。电路中采用PNP三极管为继电器提供动力，当阈值超过设定值时，由高电平向低电平过渡。

垃圾桶满度检测模块：对于垃圾桶满度的检测，本系统采用HC-SR04超声波测距模块进行测试。该模块有4个引脚，第1引脚和第4引脚分别接电源和地，第2引脚和第3引脚分别与单片机P2.0，P2.1接口相连。该模块的主要作用是通过超声波测距检测垃圾到桶盖的距离，由此量化垃圾桶的满度情况。

2.8 电源模块

单片机的供电电源开关控制如图4所示，这个电路是单片机的整个供电电路。由于所有的元件都是5V供电，本次设计电源电路由充电宝或者计算机的USB接口提供电源电压即可。

图4 电源模块电路

3 软件设计

3.1 主程序设计

主程序主要完成系统各模块的初始化，通过调用其他各子模块函数，完成整个系统软件与硬件的结合，最终实现各个功能模块协调工作。主函数主要是对红外检测模块、金属垃圾检测模块、湿垃圾检测模块，以及超声波测距判断垃圾桶是否装满子模块的调用，如图5所示。

图5 主程序设计流程

3.2 超声波测距流程

超声波测距模块的第2和第3引脚分别为Trig（控制端）和Echo（接收端），与单片机的P2.1和P2.0引脚相接。单片机给控制端发送一个20μs的高电平后其内部定时器清零，此时Trig=1。当超声波测距模块的接收端Echo为高电平时，单片机定时器启动，当接收端Echo为低电平时，单片机定时器关闭，获取TH0和TL0定时器的高低8位数据，通过公式S=（TH0×256+TL0）×1μs，可以得到从发射超声波到接收超声波所用时间，将该时间除以2再乘340m/s，即可得到垃圾距离超声波检测模块的距离，如图6所示。

图6 超声波检测流程

3.3 湿垃圾检测流程图

当红外传感器检测到周围有人准备丢垃圾时，LCD1602通过display（）函数显示当前垃圾信息。当存在湿垃圾时通过湿度传感器能检测出来。通过uchar（）函数为湿垃圾赋值，继电器打开，默认检测时间为5s。

4 结束语

本文设计的基于单片机的智能垃圾分类系统，以单片机为主控芯片，通过不同的传感器实现对不同垃圾的分类，同时还可以实现对垃圾桶满载的检测报警。从某种程度上可以减轻人们垃圾分类的负担，打破了传统的垃圾分类方式。

在今后的研究中应该对当前垃圾分类系统进行进一步的智能改进，如更细化地分出各种垃圾，在垃圾的投递方面做更多的工作，进一步体现垃圾分类的智能化，便捷化，更好地满足人们的生活需求。