一种基于单片机的垃圾分类系统设计

姚展YAO Zhan；郗艳华XI Yan-hua

（咸阳师范学院，咸阳 712000）

1 背景及研究现状

随着国家的经济快速发展，而且城市化进程加速，“垃圾围城”成了日益突出的现象，垃圾所含有有害物质，会直接破坏当地的环境。垃圾被分类后，被送到相应的垃圾处理厂，以便进一步的处理[1]。这样可以节省土地，还可以实现对废旧资源的进一步应用。显然，垃圾分类处理可以使得社会、经济、生态三方面获得相应的效益。研究一款智能垃圾分类系统有一定的社会价值。

当前智能垃圾分类箱按照不同产品的类型[2，3]，可分为如下几个类别：视频识别垃圾、二维码识别垃圾、其他。

Intuitive AI公司设计了一款名叫Oscar的垃圾分类系统。它的基本运转方式是：利用计算机视觉系统对垃圾进行分类，该系统通过成千上万的垃圾图片分析学习，已经可以将垃圾分成数百个类别，而且仍然接受训练，从部分可见的视觉线索识别垃圾，进而进行分类。

深圳市德立信环境工程有限公司则更加专注于运用人工智能、云端大数据平台的研究[4]，经过其测试与校准后，并搭载百度AI人脸识别系统的德立信智能垃圾分类设备不需要复杂的手机扫码、验证码、微信等传统登陆模式登陆，只需通过设备屏幕的人脸设别，即可完成登录、投放等操作

宿迁皓玗交通设施有限公司的智能垃圾箱主要功能有垃圾自动称重、自动累计积分、扫码、刷卡、人脸识别、电动开门、分类语音提示、垃圾自动称重、GPS定位、满桶检测报警等。

国内的众多垃圾分类箱，虽然应用范围广泛，设计也兼具很多新意，但是一定程度上仍然是人为参与操作，尚未实现解决垃圾的智能分类。

2 垃圾分类系统设计

本设计的智能垃圾分类系统需要实现的功能是对所投入的垃圾进行识别分类，进而投入所属箱内，由于本设计是对垃圾进行分类，因此需要采集所投入箱中的物品，故而需要有输入模块；为了更好的对其所投入箱中的物品进行进一步的分析、识别、检测其主要参数，因此需要数据处理模块；除此之外，还应该专门有一个负责对其进行最终分类，并把它放入指定目标垃圾箱中的装置，因此系统需要一个输出模块以专门负责传送分类；为了满足以上所有要求，系统还需要一个主控模块来对其他模块进行管理及协调功能模块间的工作。系统框图如图1所示。

2.1 硬件电路设计

对于以单片机为核心控制芯片的垃圾分离系统，其基本目标是对于所驱动的摄像头进行拍摄所取得的图片信息传送给数据处理芯片进行处理。需要有对投入物品进行实时拍摄的输入电路、可以处理图片信息的数据处理电路、以及最终实现分类的输出电路。

2.1.1 数据处理电路

数据处理电路主要采用的是ARM芯片作为数据处理芯片，将ARM芯片的第40引脚片选引脚端口接入主控芯片的P3.7读信号引脚端口进行数据交换与传送，当改端口输出为高电平时，则选中改芯片，由P1.0~P1.7端口传送数据。

2.1.2 显示电路

显示电路主要是由LCD1602显示屏和10k排阻构成，显示器的第1引脚VSS接入5V电源，使能端置为高电平，将读写引脚与主控芯片的第16引脚相连接，进行读写输入控制以显示目标参数，并将D0~D7的8个数据引脚端口经由10k欧上拉电阻连接至主控芯片引脚的P2.0~P2.7端口，以进行数据传送。电路如图2所示。

2.2 系统软件设计

输入模块中需要有程序支持，其中的图像拍摄需要对摄像头进行初始化，故软件设计中需要有初始化程序；主控模块需要有程序对整个系统进行控制以管理各个模块，因此软件设计中需要有主控程序；数据处理芯片中需要对数据进行处理，因此数据处理芯片中需要有数据处理程序；输出模块要对垃圾进行分类是对分析结果实现，因此软件设计中需要有输出程序段。

2.2.1 初始化子程序

本设计采用的是OV7725摄像头作为该系统的输入模块，主要功能是对各数据初始化；各个接口初始化；摄像头初始化；作用是对所放入的物品进行拍照取样，因此需要对其进行程序编写。首先对摄像头OV7725进行初始化，其次是配置其驱动程序，还应该将重量传感器、温度传感器等一系列传感器设置为初始状态，最后在接受到单片机的重量传感信息后进行接受并传输数据。该程序的编写核心部分是摄像头及其一系列传感器的初始化以及摄像头的驱动程序的配置。

2.2.2 输入子程序

当OV7725摄像头设置完成后，应该调用主程序进行扫描判断是否有物品投入垃圾箱内，如果有，则启用摄像头进行拍照，并将拍照所得结果传输给主控芯片，并由其传送给数据处理芯片，以完成下一步的分析。

如果由重量传感器检测所得的数值不为0的时候，则启动连接在P0.0引脚的摄像头，进行对物品摄像，并将所得数据暂时保存在message中，进而将message通过摄像头的第11引脚由P0.1引脚口传送回主控芯片。其中核心语句如下所示：

2.2.3 数据处理子程序

当由主控芯片传送过来所捕获的物品图像时，数据处理芯片开始对其信号进行进一步处理，图像的彩色边缘检测，图像的分割，图像的色彩特征及其形状特征提取，图像的分类识别，可以使得机器具有一定的视觉功能，能够认识“记忆”中的水果。

①边缘检测。边缘是图像的一个基本特征，携带了图像中的大量信息，边缘检测不仅能得到关于边界的有用的结构信息，而且还能极大地减少要处理的数据，很多图像处理和识别算法都以边缘检测为重要基础。本设计采用的算子是索贝尔（Sobel）算子它是效果最好的一种，可以直接应用于彩色图像的各个颜色分量进行检测，可分别对红，绿，蓝三个颜色通道（或其他颜色空间分量）执行边缘检测，最后的输出是这三幅边缘图像的合成，其结构如图3所示。

②数学形态处理。图像经过边缘检测后，所获得的边缘既不是很连续也不是很光滑，而且在高细节区存在琐细边缘，难以形成一个大区域，因此需要进行形态的处理，在本设计中构造了边缘元素进行膨胀处理，以使得这些噪点消失，为此，在0°以及90°的方向上分别构造。

Se0为在水平方向上的构造函数，Se90为在垂直方向上所构造的膨胀处理函数。分别在水平和垂直方向上构造函数并进行处理，可对图像有完整的表述。核心语句代码如下所示：

③填充处理。在数学形态处理完成后，图像有了完整而又连续的边缘，得到了很好的描述，但是其内部还依然存在着许多孔洞，可以通过填充操作来使这些空洞消失，以便完成后续操作。

本设计中将已经进行数学形态处理的BW2图像采用函数imfill进行孔洞填充，其中，holes为填充参数内容，这种格式的调用可以填充所有的空洞区域，然后将填充的结果返还给BW3，并将其显示。其核心代码段如下所示：

BW3=imfill（BW2，'holes'）；

figure，imshow（BW3）；title（'填充处理'）

④标记提取。在填充处理后，为了使得更加清楚的观察到分割所得到的结果，则对其上面的连通区域进行标记，将不同的区域用不同的颜色表示，并且统计上一步标记图像中的连通域的面积分布。

接下来则就是找到最大连通区域的标号，并将标记为最大的连通区域置为0。在黑白二值图像中，可将连续且值为1的像素集合提取出来，由于上述操作已经可以将不同区域以不同标记，则可以得到不同坐标，进而提取出指定的连续区域范围，因此，可以选择指定的对象。核心代码如下所示：

BW3（find（L==ind））=0；%将其区域置为0

⑤特征提取。所获得图像在经过边缘提取和图像分割操作后，就会得到边缘和区域，也就是获得了物体的形状。可以用来表示形状的特征包括几何特征和矩特征，在这里统计了诸多变量，相关数据储存在states表格中，所统计的数据包括面积、重心、偏心率、周长、细度比例等其核心代码语句如下所示：

2.3 主程序

主程序是本系统实现设计目标的核心模块，当程序开始运行后，首先对于相关设备进行初始化，设置摄像头、重量传感器、温度传感器等一系列传感器为初始状态，对所放入的物品进行拍照取样，其次还将由重量感应器对目标物品进行称重，以便于辅助分类，以判断其分类桶中是否被装满。由湿度传感器则用于判断应为干垃圾还是湿垃圾，进而进行精确分类。最后由温度传感器是以用于当垃圾投入箱中时，判断其所放入物品的核心温度以便于分类。

当摄像头采集到数据后，数据处理芯片开始对其信号进行进一步处理，图像的彩色边缘检测，图像的分割，图像的色彩特征及其形状特征提取，图像的分类识别，可以使得机器具有一定的视觉功能，能够认识“记忆”中的水果。所获得图像在经过边缘提取和图像分割操作后，就会得到边缘和区域，也就是获得了物体的形状。用来表示形状的特征包括几何特征和矩特征等相关数据，与储存在states表格中，所统计的数据包括面积、重心、偏心率、周长、细度比例等标准信息进行对比，判断出物品是否具有回收价值，如果物品具备回收价值，则由相应部件完成回收，进行二次利用。如果物品不具备回收价值，则由相应部件完成分类处理。

主程序的主要功能是传送数据项；控制整个系统逻辑运转；并完成最后分类。如图4所示。

3 结果分析

当系统处于工作状态时，显示模块上的显示屏处于点亮状态；第一行所显示SE为所放入物品的所属种类，应该将其放入那一块垃圾分类箱中，第二行显示的RE为该物品的可回收状态即放入物品的损坏程度，依此来进行判断是否可以对其进行二次的回收利用，此处由于屏幕显示器的大小限制，因此只显示该两个部分。

当腐烂程度高于所设标准阈值时，则会对其进行丢弃处理，如图5所示。

当其损坏程度较低时，则会将其进行回收，如图6所示。

4 结论

垃圾分类和人们的生活息息相关，不管是在日常生活中还是工业、环境、生态等领域都需要对垃圾分类进行控制，因此，对于智能垃圾分类方面的研究具有一定的价值。

本设计采用以AT89C51单片机为主控芯片，以ARM为数字处理芯片，可以实现对垃圾的智能识别以及分类。经实验证明，本系统具有垃圾智能识别以及分类功能，对所投入的物品进行智能识别并完成最终分类。本系统可以广泛适用于家庭、常规的工作场合以及储存库房等地方。