張琦琦 王曉瓏 陳港 梁高麗 肖共軍 唐志能

（六盤(pán)水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，貴州 六盤(pán)水 553004）

一、緒論

科學(xué)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，人們的物質(zhì)生活也有所提高，生活中人們產(chǎn)生的垃圾越來(lái)越復(fù)雜處理起來(lái)難度越來(lái)越大，所以垃圾分類(lèi)的目的是為了將可回收廢棄物進(jìn)行二次利用，并且將其他的有害垃圾進(jìn)行分類(lèi)處理，充分利用現(xiàn)代高科技生產(chǎn)制造技術(shù)回收利用有用資源，減少資源的浪費(fèi)。

由于人們生產(chǎn)的垃圾量越來(lái)越大且成分復(fù)雜多樣，給環(huán)境造成了嚴(yán)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(lèi)處理不當(dāng)，混合在一起的垃圾會(huì)占用大量土地面積，污染社會(huì)環(huán)境，影響人們的健康，形成浪費(fèi)資源，進(jìn)而損害生命健康安全，影響社會(huì)和諧。另一方面，垃圾中可能含有各種有用的物質(zhì)，可以看作是一種可回收資源，如果實(shí)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(wèn)題。因此，垃圾分類(lèi)處理一直以來(lái)就是社會(huì)發(fā)展的核心問(wèn)題，人類(lèi)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(yōu)質(zhì)的堆肥原料，對(duì)以易腐朽有機(jī)成分為主的餐廚垃圾進(jìn)行了分離，為提高土壤肥力生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，減少農(nóng)作物用量，對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行分類(lèi)，降低廢物中重金屬、減少有害物質(zhì)對(duì)土壤的污染，對(duì)廢物進(jìn)行無(wú)害化處理，減少水資源污染，降低垃圾處理中的有害物質(zhì)和細(xì)菌對(duì)空氣污染的程度。將不同類(lèi)型的垃圾分開(kāi)處理可以使填埋場(chǎng)的垃圾量大大減少。在現(xiàn)實(shí)生活中也要加大垃圾分類(lèi)的宣傳力度，最重要的是讓每一位公民都認(rèn)識(shí)到垃圾分類(lèi)的重要性。

二、系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的核心處理器為Arduino UNO 主板，總體設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，其中電源采用直流+5V 供電，主要系統(tǒng)有：語(yǔ)音信息采集系統(tǒng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、煙霧檢測(cè)系統(tǒng)、火焰檢測(cè)系統(tǒng)、超聲波距離檢測(cè)系統(tǒng)以及蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)等。在設(shè)計(jì)中最重要的為語(yǔ)音信息采集系統(tǒng)，因?yàn)樗邮諄?lái)自于人發(fā)出的指令進(jìn)行分析，并把分析出來(lái)的結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送到Arduino UNO 主板，Arduino UNO 主板將收到的信息處理后驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的垃圾桶蓋上的舵機(jī)使其桶蓋打開(kāi)，其他系統(tǒng)均為輔助系統(tǒng)，例如煙霧檢測(cè)系統(tǒng)、火焰檢測(cè)系統(tǒng)的作用是，當(dāng)桶內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，并且驅(qū)動(dòng)水泵工作滅火。超聲波距離檢測(cè)系統(tǒng)的作用是，當(dāng)桶內(nèi)垃圾量裝滿(mǎn)到一定高度時(shí)，垃圾桶蓋上的指示燈會(huì)由綠燈變?yōu)榧t燈，表示此時(shí)垃圾桶內(nèi)已裝滿(mǎn)。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）Arduino UNO 主板

Arduino UNO 是基于ATmega328P 一種非常實(shí)用的Arduino 開(kāi)發(fā)板，如圖2 所示，因?yàn)樗鼉r(jià)格實(shí)惠安裝起來(lái)也很簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)空間也更大，Arduino UNO的數(shù)字輸入/輸出端3、5、6、9、10、11 這六個(gè)引腳具有PWM 輸出功能、6 個(gè)模擬輸入引腳A0-A5 可作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器使用，還包括了一個(gè)晶振、USB電腦接口和DC接口，不僅如此，還包含了51單片機(jī)所需要的一切實(shí)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(qū)動(dòng)。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(guò)USB 端口到控制板的電源是5V，如果要通過(guò)DC 插座供電，電源電壓限制為6 伏到20 伏，就可以通過(guò)電源端供電。

（二）LD3320 語(yǔ)音模塊

ld3320 是一種基于asr 語(yǔ)音識(shí)別的新型技術(shù),為單一的芯片語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)提供了高效的解決辦法。ld3320 芯片已經(jīng)集成了高測(cè)量精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換接口,可以取樣和編碼，所以不再需要外部的隨機(jī)存儲(chǔ)器和輔助閃存，就可以輕松地對(duì)使用者說(shuō)出的關(guān)鍵詞進(jìn)行識(shí)別。另外,關(guān)鍵詞列表也可通過(guò)外部程序進(jìn)行編寫(xiě)，本次設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)程序?qū)⒗譃樗拇箢?lèi)的庫(kù)，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(kù)里面包含有：礦泉水瓶、牛奶盒、舊玩偶等，當(dāng)人們呼叫“礦泉水瓶”這個(gè)垃圾名稱(chēng)時(shí)，經(jīng)過(guò)LD3320 語(yǔ)音板識(shí)別后，將信號(hào)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(kāi)。

（三）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用4 個(gè)SG90 模擬舵機(jī),是一種物體位置角度的驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)不同的應(yīng)用需要可以改變舵機(jī)的角度，也可以在內(nèi)部程序設(shè)置好固定的角度系統(tǒng)。舵機(jī)是一套自動(dòng)閉環(huán)控制裝置，要使系統(tǒng)保持輸出恒定，就要用自動(dòng)閉環(huán)控制，所謂自動(dòng)閉環(huán)控制就是利用閉環(huán)反饋控制回路不斷修正輸出偏差，從而保持系統(tǒng)的輸出恒定。接線圖如圖3 所示。

（四）煙霧傳感器模塊

此次設(shè)計(jì)所采用的是MQ-2 煙霧濃度檢測(cè)傳感器，工作電壓為3.3V—5V，它具有高靈敏度、反應(yīng)快速和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，MQ-2 傳感器對(duì)可燃?xì)?、煙霧、酒精等氣體靈敏度極高。

煙霧傳感器在本次設(shè)計(jì)主要起到桶內(nèi)煙霧檢測(cè)作用，防止垃圾桶內(nèi)發(fā)生火災(zāi)。

（五）火焰?zhèn)鞲心K

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到垃圾桶內(nèi)部容易發(fā)生火災(zāi)的情況，只有精準(zhǔn)的檢測(cè)才能有效地避免火災(zāi)的發(fā)生，所以在垃圾桶內(nèi)安裝了火焰?zhèn)鞲衅鳎軌蜉敵瞿M信號(hào)，探測(cè)角度大于120 度，3.3V—9V 供電，靈敏度高，對(duì)普通的光源也有反映，本次設(shè)計(jì)使用火焰?zhèn)鞲衅髦饕怯糜跈z測(cè)桶內(nèi)是否產(chǎn)生明火，驅(qū)動(dòng)水泵工作，防止火災(zāi)發(fā)生。

（六）聲音報(bào)警控制模塊

本次設(shè)計(jì)采用的是高電平觸發(fā)的有源蜂鳴器，當(dāng)垃圾桶內(nèi)產(chǎn)生的是暗火，伴有大量煙霧時(shí)，煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧并測(cè)量其數(shù)值，若測(cè)量的數(shù)值大于程序內(nèi)部設(shè)定的固定值時(shí)，將通過(guò)Arduino UNO 主板對(duì)對(duì)應(yīng)管腳輸出高電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警跟水泵工作。若產(chǎn)生的是明火，火焰?zhèn)鞲衅鲗?huì)捕捉到火焰的輻射值，同樣也會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警跟水泵工作。

蜂鳴器電路圖如4 所示，蜂鳴器的負(fù)極接地，三極管的集電極輸出端接正極。

（七）超聲波距離檢測(cè)模塊

本次設(shè)計(jì)采用的是hc-sr04 超聲波距離模塊。該模塊應(yīng)用非常廣泛，例如各類(lèi)超聲波靠近開(kāi)關(guān)以及用于各類(lèi)防盜的報(bào)警控制等相關(guān)領(lǐng)域，可提供0.02m-4m的傳感距離，測(cè)量的精度也非常準(zhǔn)確。其工作原理如下：

（1）帶觸發(fā)引腳的觸發(fā)器，提供至少10us 高電平脈沖信號(hào)；

（2）距離模塊能夠發(fā)送8 個(gè)40 千赫茲的方波并檢測(cè)有無(wú)信號(hào)返回；

（3）當(dāng)信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)echo 腳傳送高電平；

該模塊有4 個(gè)腳，分別是VCC、GND、trig、echo；VCC 連接5V 電源、GND 接地，trig 發(fā)出信號(hào)，echo 接收反射的信號(hào)；在本次設(shè)計(jì)中，采用該傳感器用來(lái)檢測(cè)桶內(nèi)的垃圾是否達(dá)到裝滿(mǎn)上限值，若裝滿(mǎn)（2cm<檢測(cè)距離<5cm）時(shí)，垃圾桶桶蓋上的指示燈將由綠燈轉(zhuǎn)換為紅燈。

四、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試采用Arduino 專(zhuān)業(yè)編程軟件Arduino IDE 與Keil uVision4編程軟件，Arduino IDE 主要負(fù)責(zé)Arduino UNO 核心板程序的編寫(xiě)；Keil uVision4 編程軟件主要用于LD3320 語(yǔ)音模塊的程序編寫(xiě)。當(dāng)LD3320 語(yǔ)音模塊識(shí)別到垃圾名稱(chēng)后，進(jìn)行處理，將處理好的信息發(fā)送給Arduino UNO主板，然后控制舵機(jī)打開(kāi)桶蓋，LD3320語(yǔ)音板對(duì)垃圾識(shí)別流程圖如圖5所示。

五、結(jié)論

設(shè)計(jì)一款垃圾分類(lèi)系統(tǒng)從各個(gè)方面考慮都有非?？捎^的發(fā)展前景和發(fā)展價(jià)值，本次研究設(shè)計(jì)成功能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音分類(lèi)、垃圾桶滿(mǎn)載檢測(cè)、煙霧氣體濃度檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。如：當(dāng)發(fā)現(xiàn)垃圾桶內(nèi)有煙霧或者其他可燃性氣體時(shí)，能夠及時(shí)地檢測(cè)出來(lái)并進(jìn)行報(bào)警等，及時(shí)驅(qū)動(dòng)水泵系統(tǒng)工作，提醒工作人員發(fā)現(xiàn)和處理，避免發(fā)生生命危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。如果垃圾分類(lèi)能在日常生活中得到廣泛應(yīng)用，人們的生活環(huán)境將會(huì)得到改善，可以減少有用資源的浪費(fèi)，垃圾分類(lèi)系統(tǒng)可以為人們的美好生活提供更多的安全保障，同時(shí)也為我國(guó)構(gòu)建美好和諧的社會(huì)獻(xiàn)出一份力量。