免费在线单片机的智能垃圾桶设计 摘 要 本毕业设计主要包括五个部分， 第一部分是针对智能垃圾桶设计的引言；第二部分是智能垃圾桶整体的设计； 第三部分是智能垃圾桶的硬件设计部分；第四部分是智能垃圾桶的软件设计部分；第五部分是测试与总结。 第一部分是引言，内容是研究背景和研究意义以及国内外的研究现状。 第二部分是智能垃圾桶整体的设计，通过调查问卷了解居民对于垃圾分类的了解以及垃圾分类的需求情况，完 成智能垃圾桶的整体设计框架以及各个模块的组成。 第三部分是智能垃圾桶的硬件设计部分，针对STC89C52单片机微处理模块、单片机最小系统、语音识别模块、 语音播报模块、显示模块、桶满检测模块、电机模块、干湿检测模块、桶满检测以及声光报警模块进行硬件设计研 究。 第四部分是智能垃圾桶的软件设计部分，针对语音识别模块、语音播报模块、显示模块、桶满检测模块、电机 模块、干湿检测模块、桶满检测以及声光报警模块进行软件设计。 第五部分是测试与总结，通过测试制作出来的实物，总结本次设计的不足之处积累经验，也对未来做出展望。 关键词：STC89C52单片机；智能垃圾桶；垃圾分类 ABSTRACT This graduation design mainly includes five parts. The first part is the introduction of intelligent trash can design; The second part is the overall design of intelligent trash can; The third part is the hardware design of intelligent trash can; The fourth part is the software design of intelligent trash can; The fifth part is the test and summary. The first part is the introduction, which is the research background, research significance and research status at home and abroad. The second part is the overall design of the intelligent trash can, through the questionnaire to understand the residents understanding of garbage classification and the needs of garbage classification, and complete the overall design framework of the intelligent trash can and the composition of each module. The third part is the hardware design part of the smart trash can, the hardware design of STC89C52 single-chip micro-processing module, single-chip minimum system, speech recognition module, speech broadcast module, display module, bucket full detection module, Motor Module, dry and wet detection module, bucket full detection and sound and light alarm module is studied. The fourth part is the software design part of the intelligent garbage can, for speech recognition module, Voice Broadcast Module, display module, bucket full detection module, motor module, wet and dry detection module, bucket full detection and sound-light alarm module software code editing. The fifth part is the test and summary, which summarizes the shortcomings of this design, accumulates experience, and look forward to the future. 3 Keyword: STC89C52 single chip microcomputer; Intelligent trash can; refuse classification 目 录 第一部分引言 1 1.1研究背景和研究意义 1 1.2国内外研究现状 1 1.2.1智慧城市废物管理的智能双垃圾桶模型 1 1.2.2实时智能垃圾箱监控和垃圾收集系统 2 1.2.3基于物联网的高效清洁环境智能垃圾箱 5 1.2.4使用物联网的垃圾管理系统 6 第二部分整体方案设计 6 2.1智能垃圾桶的方案调查 6 2.2智能垃圾桶的方案设计 9 第三部分硬件设计与选择 12 3.1单片机微处理模块 12 3.1.1STC89C52 MCU的引脚 12 3.1.2单片机最小系统 13 3.2桶满检测模块 13 3.3电机模块 14 3.4干湿检测模块 15 3.5显示模块 15 3.6报警模块 16 3.7语音识别语音播报模块 16 第四部分软件功能与实现 17 4.1软件整体功能 17 4.2桶满检测模块 18 4.3电机模块 19 4.4干湿检测模块 19 4.5显示模块 20 4.6报警模块 20 4.7语音识别语音播报模块 21 第五部分测试与总结 22 5.1实物测试 22 5.2总结与展望 23 参考文献 24 附录一 25 附录二 26 翻译部分 36 致谢 42 论文重复率查询结果 43 第一部分引言 1.1 研究背景和研究意义 随着我国生态文明的不断发展和完善，垃圾分类已成为亟待解决的问题[1]。中国共产党第十九次全国代表大会 首次将垃圾分类纳入报告。据不完全统计，我国每年因为不合理的垃圾分类造成的资源损失高达250至300亿元 [24]。目前，全国各地的公共机构都在积极推动垃圾分类，但原来的垃圾桶往往采用单箱结构。此外，在垃圾分类 过程中，经常会出现干湿混合垃圾，如饮料杯中有残渣，不方便倒出。虽然用户有分类的意图，但没有合适的工具 来方便、卫生地打开饮料杯的密封膜。这种情况不利于垃圾的精细分类，导致回收效率极低。此外，一些现有的垃 圾桶通常在顶部配备盖板，这会挡住人们的视线，他们无法知道垃圾桶是否已满，导致垃圾桶溢出[2-3]。 4 随着当前人们生活水平的不断提高,日常生活产生的垃圾种类和数量不断增加,规范垃圾处理、垃圾分类和垃圾 回收,将有助于绿色城市的建设[23]， 然而无论是家庭生活还是在公共场所，如何做到对垃圾进行合理的分类和收集 一直都是人们忽视的问题。 在炎热的夏季，如果不能及时处理垃圾，就会导致其变质发霉。对于人口密集的公共场 所，更应该花费时间与经历去解决关于垃圾处理的问题[11]。自《生活垃圾分类制度实施方案》出台以来，为了部 署推动生活垃圾分类工作，北、上、广等城市相继推行垃圾分类工作，随着时间的推移以及我国目前的智能化程 度，垃圾桶这一生活必需品已经向“智能化”发展。 针对上述问题， 本文将研究并设计一款以STC89C52单片机为核心处理器，通过外围设备完成配合的智能垃圾 桶，与传统垃圾桶相比，它具有更实用、更人性化的特点[4-5]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 智慧城市废物管理的智能双垃圾桶模型 罗希特等人2017年提出双垃圾箱模型。建议的方法是用两个垃圾箱(垃圾箱 A 和 B)放在一起。首先使用A， 当它完全填满时，它被锁定，并通过 GSM (全球移动通信系统)自动向有关当局发送通知。当垃圾箱被锁定时，用 户不能再使用它，直到它的所有废物都被清除为止。同时，指示用户使用红绿灯指示的垃圾箱B，垃圾箱B采用相同 程序。该系统使用超声波传感器检查垃圾箱中的垃圾水平，红外传感器用于检测用户在垃圾箱中的垃圾水平。在垃 圾箱和伺服电机附近打开和关闭其盖子。几个研究小组试图缓解这种废物管理问题，但一些工作旨在有效地解决垃 圾箱监测和废物收集问题，S. Vinoth Kumas等人虽然使用传感器系统检查垃圾箱上的垃圾水平，并通过 GSM/GPRS 将信息发送给有关当局，但是，该模型缺乏对单个箱的自动访问以及在填充特定箱时将其锁定。 Rohit,G.S等人探索了一种可以在公共场所的智慧城市中有效使用的智能垃圾箱模型。该模型有两个废纸篓(命 名为废纸篓 X 和废纸篓 Y)，主要存放在公共场所。我们可以使用废纸篓A，但在废纸篓 A 装满之前，就不能使用 废纸篓 B。废纸篓 B 只能在废纸篓A完成后才能使用，并且废纸篓 A 只能在当废纸篓 A 中的废物被清理干净后才 可以打开。每当任何废纸篓被填满时，都会向有关当局发送一条消息。这将防止废物在垃圾填埋场溢出。查拉尼等 人讲述了一种模型的探索，该模型旨在将废物隔离到不同的垃圾箱中，并在废纸篓装满废物后将数据发送到特定的 办公室。通过在不同的坐标位置实现该模型，模型可以很好地优化收集时间表，而不是在静态路线中盲目驾驶。特 里帕蒂等人探索了一个使用基于云的垃圾监控系统的模型。使用基于云的程序时不需要进行常规垃圾箱测试。可以 使用微型太阳能电池板供电，以使该装置具有环境可持续性并保持地铁碳中和足迹。汗等人通过数据传感设备将某 物连接到网络，用于智能检测、定位和跟踪、跟踪、监控和管理的一种网络。最近的科学成功也继续增加了碳足 迹。作为研究人员和设计师，物联网中的节能在过去几年中一直备受关注，并且正在朝着一个名为绿色物联网的新 领域迈进。博尔等人探讨了捐赠垃圾分类响应的趋势，通过向垃圾桶提供智能支持，使用与物联网相关的方法，在 网络上收集和传播垃圾量的知识。这些放置在时空上下文中并由图思维优化算法处理的记录也用于动态有效地管理 废物系列技术。 此外，Shubham Thakker和R. Narayanamoorthi利用近红外反射 (NIR) 光谱来识别任何类型的塑料垃圾和用于 通信的GSM技术。同样在研究中，作者使用射频识别 (RFID)、地理信息系统(GIS)、定位系统(GPS)、运输模型、云 计算进行垃圾箱监控和废物收集。这些简单的基于 RFID 或 GPS 的监控系统并不是在全市范围内实施的智能解决方 案，因为在所有垃圾箱中安装单独的 GPS芯片以及始终使用 RFID 卡访问垃圾箱是昂贵且乏味的工作。最近，AS Bharadwaj等人提出了一种固体废物管理的概念方法，以减轻这些挑战。他们的模型包括 GPS 和支持互联网的智能 垃圾箱，采用英特尔伽利略作为中央控制单元。但是，该系统仍然不能完全自动化地进入垃圾箱。 1.2.2 实时智能垃圾箱监控和垃圾收集系统 德拉兹等人在2017年提出了一种用于检测垃圾箱内垃圾水平和感应火焰的系统。它检测三个级别的垃圾，例如 空，半，满。当垃圾箱完全装满时，系统会通过 GSM 向有关当局发送警报消息和坐标(使用 GPS)。垃圾车收到报 警信息后，前往坐标确定的位置，从垃圾箱收集垃圾。该系统还通过火焰传感器感应火焰。当系统感应到火焰时， 它会向有关当局发送通知信息。印度阿桑索尔市提出了一个地理信息系统 (GIS)，用于硬废物收集和清除的运输模 型。许多步骤旨在提供一个专门处理废物收集需求的有效系统。为芬兰东部改进路线和准备，在巴西的阿勒热港 市，有人提出了一种车辆调度模型，用于硬质废物的编译。在正常情况下，随着垃圾箱的溢出和关注当局没有及时 意识到收集，并且由于在后台形成了不卫生的状态。同时，由于废料散发出难闻的气味，呈现出城市的可怕景象， 造成空气和土地污染。根据现行的垃圾箱垃圾收集系统，城市的垃圾回收工作中存在费时、效率低、卡车来来往 往、不看集装箱是否装满、成本虚高等局限性。 在基于位置的智能化设备帮助下，垃圾箱的时间范围已设定在 8-24 小时之间。如果垃圾箱为空，则将状态发 5 送给市政当局。相反，垃圾箱在建议的时间之间不是空的，并且垃圾箱的状态是满的，然后相关车辆在工作时间之 间收集废物。相关的垃圾箱代理分别在垃圾箱为空和满时发送两条相关消息，如“emptied”和“request”。配色 方案也用于此建议，例如将所有空垃圾箱都设定为绿色，所有已满垃圾箱均以红色表示。为了识别垃圾箱，配色方 案是有效的。通过智能废物收集系统，结果表明，在相同的状态下，实时实施的系统上的废物编译策略是益的。所 有垃圾箱的填充状态通过收集适当的时间来提高垃圾收集能力，当容器装满时，在同一天收集，垃圾收集部门有一 些条款和条件，分别需要先清洁容器的时间和地点。因此，它取决于附近的位置和垃圾箱的当前状态，为了降低优 化的路线成本，需要制定一个计划，以至少作为所有相同状态的垃圾箱所在的整个路径的最低成本来收集它。 1961 年，瑞典的 Solleftea 医院安装了世界上第一个名为 Centralsug(现为 Envac)的气动自动垃圾收集系 统，然后在 1965年，OrHallonbergen 的住宅区安装了第一个用于生活垃圾管理的真空系统。直到今天，这些系统 仍在使用 1960 年代初期的基本功能和结构执行操作。从那时起，许多研究人员在废物管理、废物监测、焚烧管 理、废物能源转换和垃圾填埋等领域做出了贡献。已经进行了许多研究来设计和开发一个可以监控和管理固体废物 收集过程的系统。然而，在固体垃圾箱监测领域，特别是实时监测方面的研究很少。瑞典生产者协会采取了一项举 措，为全国 3300个垃圾箱配备了传感器和无线通信设备，以估计垃圾箱的填充水平。每个垃圾箱包含四个红外 LED 和一个倾斜传感器，安装在垃圾箱盖下方。传感系统每小时启动一次并测量容器的液位。如果四个红外光束中 有三个被破坏，系统就会被触发并通过 GSM 向操作员发送警报和电子邮件。当所有四个光束都被破坏时，以相同的 方式发送第二个警报。它还在垃圾箱清空后发送复位信号。该系统的优势在于它可以估计垃圾箱填充水平并便于实 施低运营成本的路线优化。该系统的弱点是无法测量准确的填充水平和重量以及延迟的系统响应。一项研究为浦东 (上海市)开发了垃圾箱状态监测系统，将摄像头与其他 ICT(信息和通信技术)相结合，可以实时测量垃圾箱填 充水平和垃圾箱内的垃圾重量。在垃圾箱顶部安装了一组传感器，例如超声波、LED，这使得它能够收集有关废物形 状、面积和高度的信息。LED 提供照明以实现更准确的体积估计。垃圾箱底部配备了一个传感器，可以不断衡量垃 圾的重量。GPRS模块与垃圾箱一起安装，将采集到的数据传输到控制站。该系统的功能是，垃圾箱状态监控主要集 中在早期收集垃圾箱中的垃圾数据，其次，将信息传输到运营中心软件，该软件在地图、监控和计划的帮助下进行 路线优化。全球定位系统和地理信息系统。这些研究的优势在于使用各种传感器和摄像头增强垃圾箱。然而，设计 的系统不支持用于进一步融合传感器数据的无线传感器网络，也不支持用于垃圾箱标记和识别的RFID，而且每个垃 圾箱中的GPRS增加了运营成本。此外，如果垃圾箱很脏并且摄像头的位置会影响系统性能，那么摄像头会产生低质 量的图像并错误地估计垃圾箱的高度。 另一个系统已被开发用于使用各种 ICT (如容积传感器、RFID、称重系统、GPRS 和 GPS)监控箱体状态。系 统设计在仓位RFID标签进行识别；RFID阅读器安装在车辆的垃圾箱挂钩上，以保持扫描距离低于1米；可编程微处理 器安装在料仓内，使用容积式超声波检测传感器管理液位检测措施；车辆中的称重系统；垃圾箱、车辆和控制中心 的GPRS模块；以及车辆和控制中心中的软件应用程序，以跟踪下一个要服务的垃圾箱，并相应地收集和分析数据。 该系统的优势在于它可以估计垃圾箱填充水平，并有助于通过实时系统响应来实现路线优化。但所开发的系统运行 成本高，因为每个仓都包含GPRS模块，无法称重。Arebey、Hannan、Basri、Begum 和 Abdullah(2011年)； Arebey 等人，2012年，Arebey 等人，2013年和Hannan 等人(2011年)研究表明，集成多个 ICT 可以估算垃圾数量 以及监控垃圾箱和收集车辆。他们开发了一个带有 RFID、摄像头、GPS、GIS 和 GPRS 的垃圾箱监控系统。系统开 始运行时，为驾驶员分配了特定的车辆和特定的路线。驾驶员打开安装在车辆中的黑匣子控制器，该控制器激活 RFID 阅读器、摄像头、GPS 和 GSM/GPRS 模块，为车辆向控制站传输信息做好准备。该系统基于垃圾箱与车辆之间 以及车辆与控制站之间的无线通信。当车辆接近垃圾箱区域时，RFID 阅读器识别垃圾箱标签，相机在收集前后拍摄 两张照片，以估计垃圾量。根据作者的说法，重要的是要强调收集操作员负责调整相机，以找到拍摄垃圾箱及其周 围环境的正确图像的最佳方向。此外，他们需要打开盖子才能捕获这两个图像。通过在服务器上使用一些图像分析 程序，基于图像的比较来估计箱的填充水平。该优势在于垃圾箱和卡车监控结合的智能系统以及增强的通信技术。 但是，该模型重要的是要强调收集操作员负责调整相机以找到最佳方向，以便对垃圾箱及其周围环境进行适当的成 像。此外，他们需要打开盖子才能捕获这两个图像。通过在服务器上使用一些图像分析程序，基于图像的比较来估 计箱的填充水平。此外，由于在仓状态数据收集过程中放置了摄像头，系统也存在性能问题。 在Muthukumaran 和Sarkar(2013年)中，作者提出了一种使用移动自组织网络的固体废物处理系统。该论文提 出了一种垃圾收集模型，分布在印度一个人口稠密的城市。它形成了一个动态的多跳网络，可以向市政当局提供实 时信息。该系统能够在线监控并可视化垃圾箱的状态以供进一步使用；由于容量传感器和嵌入在垃圾箱中的adhoc收 发器。本文的优势在于结合了动态多跳网络以及在线监控和可视化实用程序。但是，本文没有使用各种传感器，因 6 为数据仅来自特定类型的容量传感器。麦克劳德等人(2014年)提出了一种远程监控慈善资产的模型，以提高收集 效率。它是英国一家主要慈善机构提出的模型，用于监控银行和商店服务需求。该系统将传感器嵌入到垃圾箱中， 并使用禁忌搜索方法；开发垃圾收集的动态调度和路由模型。论文使用容量和压力传感器用于固体废物收集。暗示 使用无线传感器网络。本文的优势在于从收集成本的角度处理废物收集问题以及结合禁忌搜索方法。然而，由于每 个仓中都有GPRS模块，该系统增加了运营成本。测量体重也是一大问题所在。 一项使用无线传感器网络进行垃圾箱状态监测的研究已经进行。该系统使用安装在垃圾箱内的接近和重量传感 器来监控其状态。该系统经常测量其填充水平和重量值，并将收集到的数据传输到使用 IEEE 802.15.4安装在附近 灯柱中的协调器。协调器通过 GPRS/Wi-Fi将数据转发到采集点。收集点的当局根据收集的状态信息决定要卸载的垃 圾箱。该系统的优势在于，它具有无线传感器网络，并且可以监控垃圾箱的填充水平和重量。但是，垃圾箱和协调 器之间的距离很短，这会导致成本增加，因为需要更多的网关。此外，系统响应不是实时的，因为它不够智能。 在Reis、Caetano、Pitarma 和 Gon?alves(2015年)和Reis、Pitarma、Goncalves和 Caetano(2014年)中， 作者开发了一个系统，通过监控垃圾箱来促进回收过程。该系统由嵌入垃圾袋的RFID标签、安装在垃圾箱中的压力 传感器和远程服务器组成。回收中心在垃圾处理过程中对每个垃圾袋进行识别和称重，并使用 ZigBee将累积的数据 发送到远程服务器。该系统的优势在于，它是一个使用低成本资源有限设备开发的实时系统。然而，无法测量垃圾 箱填充水平并且仅适用于装在带有 RFID 标签的垃圾袋中的可回收垃圾是该系统的弱点。 一项研究通过监测用户将垃圾扔进垃圾箱时的垃圾重量来实施按需付费 (PAYT) 服务。开发的系统为每个客户 使用 RFID 标签，而 RFID 阅读器、重量和体积秤安装在每个垃圾箱中。正如作者所描述的，该系统实现了一个定 制的用户识别过程，为地方当局和用户提供了一个虚拟身份。数字秤确定可回收废物的重量并将输出传输到远程服 务器。基于 Web 的应用程序可帮助双方了解其当前状态。低成本资源有限系统是研究的强项。该系统的弱点是缺乏 对垃圾箱填充水平的测量。它也是专为 PAYT服务设计的非实时系统。 在Asimakopoulos 等人(2015年) 和Papalambrou、Karadimas、Gialelis 和 Voyiatzis (2015年)，开发了一个 系统来收集垃圾箱填充水平信息及其身份。该系统具有安装在称为现场单元的箱上的超声波传感器和有源RFID标 签，并且安装在任何经批准的人员中或安装在称为移动水槽的现有组织运输系统车辆中的RFID阅读器中。现场单元 中的有源 RFID 标签会定期向移动接收器发送它们的身份和有关其填充水平的感测值。最后，移动接收器将此信息 转发给上层数据和知识管理系统通过使用蓝牙和Wi-Fi通信技术进行进一步处理。低成本资源有限系统是本研究的强 项。但是系统响应是部分实时的，并且只考虑填充水平数据来表示容器状态。此外，所设计的系统不支持用于进一 步融合传感器数据的无线传感器网络，也不支持用于箱标签和识别的 RFID。 1.2.3 基于物联网的高效清洁环境智能垃圾箱 Murugaanandam等人提出了一个系统，包括垃圾桶的状态监测、雨水检测和垃圾桶外扔垃圾。当系统发现垃圾桶 已满时，它会
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