智能分类垃圾桶识别设计与实现

北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计智能家居分类垃圾桶识别设计与实现智能分类垃圾桶的识别设计摘要本设计基于c52单片机，运用了proteus和dxp设计了一款颜色识别系统。该系统包含了识别模块、主控模块和显示模块，通过这三个模块的配合，系统可做到准确识别颜色。颜色信息在通过识别模块输入后，经由主控的转换，再输出相关信息到显示模块上，同时该信息可赋予给其他依赖该识别系统的产品。该系统的设计对未来进一步研究识别系统以及相关的智能家居产品有着一定意义。本系统采用了自动开合门的技术，对识别区域周围进行了密闭处理，解决了外部环境造成的光干扰问题。led补光技术，在识别工具周围放置可由按键控制的led，解决了识别工具识别距离短，在内部识别器检测可能不准确的问题。tcs3200滤波器循环选择技术，通过三种滤波器的循环检测，可降低检测错误率，解决了颜色识别可连续进行次数障碍的问题。采用计时器计算脉冲确定比例因子的技术，解决了在不同环境中比例因子会发生变化的问题。关键词：智能分类垃圾桶；前端识别；识别系统设计；颜色识别系统dentificationdesignofintelligentclassificationtrashcanAbstractThisdesignisbasedonc52MCU,theuseofproteusandDXPdesignedacolorrecognitionsystem.Thesystemincludesrecognitionmodule,mastercontrolmoduleanddisplaymodule.Throughthecooperationofthesethreemodules,thesystemcanaccuratelyrecognizecolors.Afterthecolorinformationisinputbytherecognitionmodule,itisconvertedbythemastertooutputtherelevantinformationtothedisplaymodule,andtheinformationcanbegiventootherproductsdependingontherecognitionsystem.Thedesignofthissystemhascertainsignificanceforthefurtherstudyofidentificationsystemandrelatedsmarthomeproductsinthefuture.Thissystemadoptsthetechnologyofautomaticopeningandclosingdoor,andairtighttreatmentiscarriedoutaroundtheidentificationarea,whichsolvestheproblemoflightinterferencecausedbytheexternalenvironment.Ledsupplementarylighttechnology,theledcanbecontrolledbythebuttonplacedaroundtherecognitiontool,tosolvetheproblemthattherecognitiontoolrecognitiondistanceisshort,intheinternalrecognizerdetectionmaynotbeaccurate.Thetcs3200filtercyclicselectiontechniquecanreducethedetectionerrorratethroughthecyclicdetectionofthreekindsoffiltersandsolvetheproblemthatthecolorrecognitioncanbecarriedoutcontinuously.Thescalingfactorcanbechangedindifferentenvironmentsbyusingthetechniqueofcalculatingpulsewithtimertodeterminethescalingfactor.Intelligentsortingofgarbagecans;Front-endidentification;Identificationsystemdesign;Colorrecognitionsystem北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计目录TOC\o"1-2"\h\u13463前言 329828第一章概述 5121501.1任务提出 595731.2国内外的发展现状 5190641.3本设计的目标及其价值 653871.4本设计所做的工作 623705第二章工具介绍 9210012.1仿真软件介绍 92.1.1软件的使用 919522.2编程软件介绍 92.2.1软件的使用 10303632.3pcb制作软件介绍 102.3.1软件的使用 10179482.4颜色度分辨软件介绍 10240972.4.1软件的使用 117660第三章系统总体设计 12154913.1系统结构框图 12119743.2系统运行框图 1314233第四章识别系统详细设计 14248914.1颜色识别模块设计 14120814.2光补模块设计 16243634.3主控模块设计 16210804.4显示模块设计 17157314.5电源模块设计 18157314.6通信设计 1811384.7软件设计流程图 18326764.8系统相关原理图设计 1921491第五章系统实现 21326765.1pcb板的制作与编码 21222425.1.1pcb板的制作 22172835.1.2编码 2117975.2调试 22112855.2.1软件部分调试 2252825.2.2实物调试 26234575.2.3实物测试 27141865.3系统联调与测试 27141865.4系统试运行 31141865.5在调试中出现的问题及解决的方法 3129510第六章系统总结 31209696.1设计特点 3176356.2存在问题和改进方法 311416.3展望 3210295参考文献 3314709致谢 35748附录： 3616075附件一：相关代码 361前言当前,以人工智能、大数据、云计算等为领头羊的新生代技术产业正在与社会、经济、文化相互碰撞，互相融合，从而也创新出很多新型的行业与产品。随着现代人的生活节奏不断加快，尤其是在当前经济发展较好的中心城市，“996”工作制成为生活工作的常态，排除用于睡眠休息的时间，大多数人在外工作的时间比在家里所呆的时间还要长。经过一天的繁忙工作后,家里的杂物处理、卫生清洁等的家庭劳务就不愿意，也没有过多的精力去处理了。为了应对上述问题，智能家居设备应运而生。公众对于以节省时间、节省精力为目的创造出来的人工智能的需求激增，人工智能产品的应用也随处可见。目前，在我们的日常生活中，我们能看到很多的智能伴侣,简单的有扫地机器人、智能音响等小型智能产品，复杂的有智能家居系统等复杂的整体智能创造，这些丰富多样、功能各异的智能产品不仅给我们的日常生活带来了极大的便利,还改变了我们日常的生活方式。就目前而言，智能产品仍然具有巨大的潜力市场和发展空间，部分家用日常物品的智能化还未被很好地利用，其中就包括我们的产品—智能垃圾桶。随着垃圾分类的逐渐普及以及国家政策的大力支持，智能垃圾桶行业风生水起整体获得很大的发展动力。在我们身边最早出现的相关智能垃圾桶产品是)小黄狗公司出产的智能分类垃圾桶。同年八月,在长沙市长华社区,与“小黄狗”智能垃圾桶的运行模式、识别功能相近，另外增设了人脸识别功能的“火星男孩”垃圾箱出现了，这也意味着人工智能在家居设施的应用又得到进一步的提升与完善。在该领域，还有源源不断的其他公司生产的同类型的产品竞相出现，例如我的袋鼠智能垃圾分类回收站、广船环保智能收集系统等，而在最近,由于受到新冠疫情防控的影响,全国首个具备消杀防疫功能的地埋式垃圾桶也出现在深圳,由此可见，智能化是伴随着社会需求、经济发展的变化不断发展的，由于不同时期所产生的生活、医疗垃圾不同，为智能垃圾桶行业带来广阔的前景，也为智能垃圾桶的应用以及实操提供更多的创新方向。参考智能垃圾桶在目前市场的可行性,我们小组决定设计一款具有可实际操作性高，造价成本不高且体积可随投放地点不同而变化的智能分类垃圾桶,总体由可回收材料造成,可根据用户不同需求使用不同原料,整体由识别模块、主控模块和驱动模块组成,旨在提高垃圾桶的智能化，方便垃圾分类快速便捷地进行。把新型的智能化技术应用到实际的生活生产中去，一方面能实现智能技术的内在价值，另外一方面能够满足于人们的日常生活需求，降低人们的生活时间成本，提高人们的的幸福感，为人们带来生活上的便利也给技术创新带来无限的动力。第一章概述1.1任务提出在小组任务的基础上，作者负责的是其中的识别模块，现将设计一款可用在智能分类垃圾桶上的识别系统1.1.1识别系统相关原理本课题研究的智能分类垃圾桶主要是由硬件设计、软件设计以及识别设计组成的，识别系统从字面上理解，就是对所提供信息进行识别并给后续连接部件提供处理后的信息的系统。1.2国内外的发展现状1.2.1国外发展现状：国外垃圾分类较于国内起步更早，比如我们的邻居--日本，被认为世上垃圾分类管理最为严厉的国家之一，现在他们的垃圾分类愈发偏向于精准的类别，与更为细致的选择。这套完善的垃圾分类管理是多年沉淀的结果，对他们本土人也以变成一种习惯。也因此，智能分类垃圾桶在日本并不普及，因为他们自发的习惯，这类垃圾桶不多被需要。再看看垃圾回收率处于欧洲国家中最低的法国，有厂家为了改善这种情况，推出了一款叫eugene的垃圾桶，它提供你一个扫描仪，只需扫描商品上的条形码，就会语音告诉你该丢到什么区域，相对来说，功能较单一，且分类要手动进行。不过成熟且以投入使用的智能分类垃圾桶在国外也有，在温哥华机场中，一款名叫奥斯卡的智能分类垃圾桶已经投入使用。这款机器就是图像识别的准确体现，它通过外置的摄像头获取信息后，经过中枢的处理，反馈到显示屏上，告诉使用者手上的垃圾应该投放到什么区域。在近端时间，也有全新的产品面世，transhbot，一款具有更多功能的智能分类垃圾桶，整体由三个分类区和两个投放口，有两个活动管道保证垃圾传输。在智能识别传感器的加持下，它有两方面的功能，第一点就是很多智能垃圾桶已有的感应技功能，人接近的时候就会自己打开盖子。第二个就是分类功能了，有垃圾被投放后，传感器开始进行识别，分辨出该垃圾是哪种类型，分辨得出结果后，垃圾会经过管道的移动，进入到对应的收集箱。1.2.2国内智能分类垃圾桶发展现状：在国内，现在各个地方都在提倡着垃圾分类，但完善有效的垃圾回收体系并没有出现，而且，人民对于垃圾分类的意识也较为淡薄，所以，能够帮助人们接受、熟识垃圾分类的产品出现时顺应垃圾分类大趋势的。当你运用国内第一搜索引擎，百度搜索智能分类垃圾桶，可找到790w的相关结果，如首页的搜索结果可见，最近的智能分类垃圾桶市场越来越火爆。结合前几年的积分奖惩机制分类垃圾桶，多款在此基础上愈发智能的垃圾桶涌现出来。在2019年末进行开题报告时候，我只能找到零零星星的相关产品，例如小黄狗、火星男孩、我的袋鼠等等。可说现在是智能分类垃圾桶百花齐放的时候，例如marinedancer的产品，有人脸识别垃圾桶、智能医疗垃圾分类垃圾桶等等，且几天前，我还在新闻上看到了相关最新产品的新闻推送，垃圾在经过智能分类后，甚至还可进行消毒功能，智能分类垃圾桶在国内可以说大有可为。1.3本设计的目标及其价值笔者所负责设计的部分要求制定计划，并制作好作为智能分类垃圾桶信息摄取端的识别系统。识别的技术可知有两种:(1)图像识别,是利用计算机处理图片的能力，将信息摄入端所摄取的图像进行分析、分类、再反馈的技术,是深度学习相关技术的应用实践。(2)颜色识别，颜色识别是一种创新的检测技术,可以说这个技术是自带控制理论的简单应用,因为在自动控制系统出现之后它才被提出,但这个并不妨碍它的发展,到了现在,该项技术已经得到了大力的发展。虽然提出的时间比较晚，随着科技的不断发展，处理器处理信息的能力大大提升，所以连带着提升了颜色检测系统的能力。识别系统的工作方法一般都是，先进行白平衡，然后通过物体便面的rgb色值识别，在用数值比较表格来确定物体颜色。对比图像识别系统，颜色识别成本可降低，对于项目开始初期更为有利。该实验提出了紧跟时代的智能分类垃圾桶设计方案，而该识别部分就是整体垃圾桶功能的铺垫。要求系统总体应达到能准确辨认颜色并做到能配合主控模块、驱动模块,使智能分类垃圾桶的重点功能--分类,能顺利进行。1.4本设计所做的工作1、识别方案的选择：对于垃圾识别，主要使用图像识别和颜色识别的方法，要在颜色识别方案与图像识别方案中确定一个。2、垃圾分类方案选择方案（1）模拟背景为海外一个小区内，住户已经在家独自分类完毕，按照颜色和垃圾种类的对应关系。可堆肥垃圾—-绿色可回收垃圾—-蓝色不可回收垃圾—红色方案（2）模拟投放环境为住户家里，通过识别将住户投放的垃圾分类分区，方便用户的分类收集，做到智能分类再装袋。3、对垃圾分类的相关资料调查垃圾分类，国外叫做Garbageclassification,即指垃圾的投放要有种类化、区域化、规律化，将资源使用率提高的行为。将可利用垃圾转化成社会公共资源，不可理由垃圾进行无害化处理的系列动作的总称。目的是为了提高垃圾对于资源和经济的价值,争取资源的最大可能利用。垃圾在分类过程中主要变化为：私有物品--区域性准公共资源—非排除性公共资源，也就是从公众的手上到小区、摄取集合点，再带垃圾集中站或转运点。垃圾分类的进行可以减少国家在这方面的经济投放，同时能降低对土地资源的损耗，保护地球生态的同时提高经济效益。从国内外各城市的垃圾分类方法可得出结论,国外的分类方法多是通过垃圾的成分--看能不能再次利用、和垃圾的总量--处理成本来判断，例如澳大利亚就是范围可回收垃圾、不可回收垃圾和可堆肥垃圾。而从国内角度看,垃圾可分为四类:有害垃圾:有害垃圾值自身带有毒害性，可威胁人体健康或对生态造成潜在、实际性伤害的垃圾，其中最常见的是废弃灯具、超过保质期的药品、化妆品之类。对于有害垃圾，多数使用独立类别回收处理的方式来防止它的危害。其他垃圾:其他垃圾(也称干垃圾)包括了上面提及的几类垃圾之外的建筑遗弃物、使用过后的手纸，厕纸等回收困难的废弃物品以及沙尘废土、食品包装袋子(盒子)一类的垃圾。这类垃圾如果不进行良好的处理，会对水资源、土地资源、甚至空气带来污染，所以现在大多是使用卫生处理后，进行填埋的方法。大棒骨因为具有"难以腐蚀"的特于被排除在"厨余垃圾"。而被腐蚀性较好的果壳类和家禽小骨等则归为餐厨垃圾。餐厨垃圾：有些地方叫湿垃圾，大体上包括(1)菜品果品处理后的根类、皮类(2)用餐后的残羹剩饭,骨头类的食品类废物。这类垃圾可通过生物技术进行就地堆肥处理,每一吨的厨余可转化为0.6~0.7吨的有机肥料。可回收物:可回收物主要包括布料、塑料、玻璃、金属和废纸五大类。（1）废纸:主要包括杂志、日报、书本、各种物品的包装纸等。但是,纸巾和厕所纸并不属于这个行列,因为它们的水溶性强度大,不可回收。（2）塑料:各类塑料制品：例如塑料袋、塑料泡沫、塑料包装、餐盒餐具、牙刷、杯子、矿泉水瓶等。但快递包装袋除外，它属于其他垃圾的行列。（3）玻璃:主要包括各种废弃的玻璃产品，包括灯管，损坏的玻璃杯等，但镜子不包含在内，它属于其他垃圾。（4）金属物:主要包括平日里易接触的可移动的金属产品，例如易拉罐。（5）布料:主要包括废弃衣服、书包、抹布等。这些垃圾通过统一收集后科学处理，可进行回收利用，提高资源利用率。比如废纸可以一比零点九的比例转换为纸张，这一过程所节省的材料可达300公斤，相比于直接用木料造纸，污染程度也相对减少。塑料之类的通过处理也可获得可利用的二级材料；废弃的钢铁也可重新炼钢，减少矿石的利用，可节约成本的同时降低空气污染。4、识别系统的硬件选择：据网上调取的信息。初步构思，识别系统由识别模块配合上单片机系统电路，再由单片机给予舵机动作信息，进行后续对收集物的处理。5、研究要求（1）可以做到正确的识别（2）可以系统的动作（3）能做到桥梁作用（4）经济性和实用性6、拟解决的关键问题：（1）以垃圾分类为基础,建立智能家居分类垃圾桶的垃圾分类识别模型（2）设计出能够准确辨认不同颜色的颜色识别系统,能配合智能分类识别垃圾桶,对不同颜色袋装的不同垃圾做出不同反应（3）在确定好主控模块的基础上，正确连接识别模块，调试好并能使颜色识别整体正常动作。（4）进行整体组装,最后要加上与驱动模块的连接,编程、测试,要求整体能做到正常运行,实现分类识别功能。7、可行性分析结合国内智能分类垃圾桶产业在发展、百花齐开的背景和国外智能分类推动进行，但相关产品较缺失的背景，智能分类垃圾桶的发展前景光明，具有一定可行性。第二章工具介绍2.1仿真软件介绍Proteus：是一款典型的电子设计自动化工具软件，相比于其他的工具软件，它在仿真功能的基础上，还加上了单片机仿真等一系列的功能，版本的更新也使它支持的东西越来越多。且在仿真的基础上，该软件可以做到无缝衔接pcb图的制做。是目前世界上较为先进的电路仿真、pcb制作、虚拟模型仿真功能融合在一起的设计软件。该软件的图标如图2.1所示。2.1.1软件的使用第一步先打开软件，在软件的左上角简建立一个新工程，选择路径后点击下一步，在下一个对话框内选择是否建立原理图，并选择相关模板。接下来进行pcb补板和主要芯片固件的选择。在点击完成后，一个已有你所选芯片的项目就会显示出来，这时候你就可以进行元件的不止，连线和仿真，双击元件可以改变它的属性，双击主芯片可以把相关程序放置进去运行。在仿真图弄好后，切换到pcb板图，就会有相应的封装元件给你选择，但接线还需要手动进行，所以容易出现错误。2.2编程软件介绍KeiluVision5：该软件是一款使用广泛的单片机编程软件。该软件入手简单、可供选择的库广泛、且集成开发的环境条件较好。可帮助你在进行c语言相关编程后，检测你的代码能否顺利运行，且给你筛选出错误的语句，好供你进行修改，在相关编程完成后，该软件可以帮助你把代码保存成你所需要的格式，以方便烧录到硬件中，该软件如图2.2所示。2.2.1软件的使用打开软件，进行项目的建立，在项目下建立子文件，在里面进行编程，在编程完成后，点击run，检测程序能否顺利运行无错误，当0error，0warning的时候，就可以把文件输出备做使用。2.3pcb制作软件介绍altiumdesignerwinter09：该软件是protel系列软件中的一种，该软件集成了一些列工具，使用较方便，因为出现的时间较早，能在网络上能较为容易找到所需的元件库。使用该软件可以在制作原理图的同时，花费较少的力气同时完成对pcb板的制作，同时该软件还带有三维pcb功能，可以更为直观的选择元件的放置位置与距离，做出最优选择，相对于proteus制作pcb，该软件制图速度有着飞跃化的提升，且更为显得专业性。总体软件对硬件要求也相应较低，对于老旧电脑的使用者较友好。该软件如图2.3所示2.3.1软件的使用使用方法，打开软件打开软件，建立工程，在工程里建立新的原理图和pcb文件，同时加装所需要的元件库，在原理图中选好所需要的元件进行放置。在原理图画好后，转换到pcb界面，选择工具栏中的importdesign选项，在弹出窗口中勾选所有选择后，元件就可以成功的转移到pcb模块上，这时候就可以对元件进行排版和相关线路的排布，在排版完成后可以对板子进行输出。2.4颜色度分辨软件介绍colorutility：是一款广泛用于艺术设计新业的屏幕取色显示软件，使用相较于对比画图板、色卡表等方便，它可以帮你得出某个颜色的rgb值，也可以从rgb值得出某个颜色。且软件整体较少，占用内存和运行内存都较少，是一款很方便的检测软件，该软件如图2.4所示2.4.1软件的使用在rgb框里输入相对数值，颜色就会在右方正方形处呈现，也可用右下角吸水笔，对颜色进行摄取，相应rgb就会在数值框内相对呈现。第三章系统总体设计3.1系统结构框图系统总体布局如结图3.1所示，在设计初期选择以颜色识别作为识别方案后，对比可选工具后，搭配出了这一套颜色识别系统，以stc89c52配合tcs230/tcs3200搭建颜色识别系统，符合设计要求的基础上stc89c52的选择可以让我们外加更多的选项，例如显示屏显示所识别出的颜色。端颜色传感器采用rgb传感器tcs230/tcs3200d，但因为stc89c52的处理能力，所以优先偏向于选择功能更为先进的tcs3200d，较于tcs230，tcs3200d可以更为直接的输出频率信号，而且电路得到了简化，具有低价格高能效的优势，在处理能力达到要求时，它会是我的最佳选择。与230一样，它拥有可直接连接微处理器的特点，且可单独供电，可断电复位。对比230，稳定性更为良好，出现误差的概率更小.与51同理，我们在处理完颜色信息后，可通过stc89c52上的定时器产生中断，输出pwm波控制sg90舵机动作。优点：更为优秀的中枢可使搭配的硬件更为稳定，不会存在旧系列载能不足的缺点，而且还能外加其他元件来实现更多的功能。缺点：成本上升，3200d选择比起230系列更为昂贵，而芯片直接连接驱动可能动力不足，所以考虑外加芯片。3.2系统运行框图总体系统运行如图3.2所示，上电后先进行系统初始化，再对系统进行白平衡，确保系统稳定后，运用颜色识别程序方辩出颜色，再通过后续输出造成对驱动端的影响，整体系统完成运行返回。第四章识别系统详细设计4.1颜色识别模块设计1：颜色传感器原理：该原理和三原色原理息息相关，由三原色原理可知，所有颜色都是有rgb三色不同比例混合而成，所以只需知道这三色的具体指，借用电脑上的绘色板等，就可以辨认被测物体的颜色。2.颜色识别的原理：不同的颜色是由三原色不同比例的搭配构成，可以说三原色是它们的根本，只是比例有所差异，因此只要知道某种颜色中三原色，就可以方辩出是什么颜色，TCS3200具有分次选定这三种颜色的滤波器，每次测得不同颜色的光强，最后继续统计比较，就可得知具体颜色是哪种。3.颜色识别：白平衡是第一步，从表面上理解，就是使白色达到平衡，这是一项用于检验三基色混合产生白色的精准度的指标。做到白平衡的具体方法是：调用定时器，限定一个时间段（例如15ms），然后分次对三种颜色滤波，记录颜色传感器在该段时间输出的脉冲数，再用得到的数量计算出对应的比例因子，然后再用比例因子把脉冲数变为白平衡所要求的的255.现在解释下什么是比例因子，我们知道在理论（认为无任何干扰光源下），白色对应的三基色（RGB）都是255。但百分百无干扰只是理论，现实实验环境肯定会有所影响。所以白色所对应三色的rgb不一定是255，白平衡发生改变，那其他颜色相对也不会是理想数值，这时候，我们就需要一个比例数，让他们变成255，这个比例数就是我们说的比例因子。计算出比例因子的方法有两种，第一种是脉冲计数到255，以时间基数来比较得出；第二种就是在时间段内统计脉冲，然后通过正比例转换成255.在实际实验中，运用同时统计的方法，将实验得到的脉冲数乘上比例因子，就可以算出对应的r、g、b值。4.具体操作与设计过程由表可知，频率输出百分比由s0、s1确定，在白平衡调试与程序运行过程中，我们要保持频率输出的不变，且达到百分比输出，所以s0、s1全程置1，保持高电平状态，输出频率百分比。再运用定时器产生中断，在中断器件通过改变s2和s3的状态（由表看出这两个引脚是用于滤波器选择），来选定不同的滤波器，再读取输出的值。颜色识别程序：详见附录1.6.传感器的选用该传感器体积较小（34mm×26mm×10mm），相关引脚图如图4.1所示，微小的身体上集成着可调整的硅光电二极管，而且为了方便输出，还带有电流转换到频率的转换器，可将感受到的光强转换为频率的高分辨率转换动作，可用编程选择所需辨识的颜色，满量程输出频率可通过两个控制输入引脚按三个预设值之一调整。数字输入和数字输出允许与微控制器或其他逻辑电路直接接口。输出使能(OE)将输出置于高阻抗状态，以便多个单元共享微控制器输入线路。颜色识别功能的根本，是它板子上带有的三原色滤波器。四种类型（颜色）的光电二极管被交叉置开，以最小化入射辐照度不均匀性的影响。所有相同颜色的光电二极管并联。如图4.2所示，引脚S2和S3用于选择哪组光电二极管（红，绿，蓝，青）有效。光电二极管尺寸为110微米x110微米，中心为134微米。选用何种颜色检测的时候，可通过s2和s3的状态变化来选择该种颜色的硅光电二极管。只有对应选择的色光输入进来的时候，相对应的阵列才会转换成相对应的信号输出，tcs3200的特别之处在于它输出的是数字信号，且有着占空比50的特点，可以直接连接标准ttl和cmos，直接驱动逻辑输入。单个电源运行范围二点七至五点五伏，且拥有稳定的温度系数，供电需求可轻易达到，不用再外搭第二个独立电源，能成功做到颜色分类效果（静态检测），对于小电源搭建的识别系统，极为适合。4.2光补模块设计tcs3200的有效探测范围只有10mm，检测的环境应该尽量应该选用光源强、境密闭干扰弱的地方进行探测，最大可能的使探测颜色和传感器处于同一密闭环境内。再基于芯片自带环境的差异，例如有的芯片周围无led等环绕，建议自己进行添加。本次设计所选定的传感器是tcs3200，厂家已在识别芯片周围加上了四枚白光led灯，但还没达到tcs3200的补光极限，tcs3200建议的补光极限在3~6枚，此举的目的旨在加强入射光，增大所检测光的频率输出，再加上本设计所验证材料为透明带色垃圾袋，所以额外再加白光led是有必要的，也可保证tcs3200达到补光极限和避免其中有灯泡在使用过程中发生损耗。主要设计方向为每两个led用一个按键控制，led选用与板上相同的0.5w白光led，通过按键，可自由选择补光或进行损坏灯泡替换功能。4.3主控模块设计4.3.1主控端工具介绍Stc89c52：如图4.3所示，该芯片是stc89c51芯片的升级版，STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。STC89C52具有如下特点：40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。4.3.2主控连接方式说明主控的模拟接线方法如图4.3所示，仿真图中，因前端接线因为proteus中没有tcs3200元件，所以用ne555模拟脉冲代替该元件，当然，模拟与现实有所差别，接线方法就是体现，在现实中并不是单接线，tcs3200传感器需要五个端口连接才可以实现选通滤波器的功能。为保证稳定性，不同模块间只有信息传输，电源保证独立，tcs3200输出端经由atc89c52前端连接，控制定时器选定一段时间，进行该段时间脉冲计数，配合白平衡程序先进行白平衡，在白平衡完成后，用程序循环选择不同滤波器，实现对不同颜色的滤波，例如程序中的（先绿后蓝再红，进行循环）这样才可以保证在放入不同色垃圾袋时都可以正常做出识别动作，同时运用频率检测、示波器等显示出所模拟的颜色变化。4.3.3复位电路与晶振电路的设计复位电路：单片机最小系统复位电路的极性电容的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10-30μF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。单片机工作之后，只要在RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能有效地复位。CS-51单片机通常采用自动复位和按键复位两种方式。这里采用按键复位和上电复位两种电路结合。晶振电路：典型的晶振取12MHZ，晶振越大，则单片机的处理速度越快。单片机的最小起振电容C1，C2一般采用15-33pF，并且电容离晶振越近越好。4.4显示模块设计该模块选用lcd1602，尺寸图如图4.4所示，该液晶屏体积较小，可适配该识别系统，16×2行的显示也可满足对颜色rgb输出值的显示，在该液晶屏上，每一个点在获得一个信号后，该点的状态就会维持，色彩和亮度都不会发生变化，相较于需要不停的刷新亮点的crt，实用度更高。该模块的引脚图如图4.5所示，在本设计的接线中，一脚接gnd，2脚接vcc，3脚用作灰度调节，4到14口接单片机的io口。编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极4.5电源模块设计该模块采用的是dc电源接口，配合usb供电，来给识别系统进行供电，该接口原理图如图4.6所示，a口为电源口，bc口为接地口，详细的设计为在a口后接按键来控制对系统的供电。4.6通信设计考虑到用识别的芯片再控制两个舵机，可能会造成供电不足的影响，所以运用空余串口进行接线输出，让识别系统的stc与分类垃圾桶的主控stm32建立通信，在辨认不同颜色的时候，不同端口输出高电平，然后stm再进行后续操作，本颜色识别系统工作完毕。4.7软件设计流程图软件运行流程如图4.7所示4.8系统相关原理图设计所用传感器tcs3200相关电路原理图如图4.8所示主控与显示部分相关原理图如图4.9所示系统实现5.1pcb板的制作与编码5.1.1pcb板的制作如图5.1所示，pcb制作所选用的软件是altiumdesignerwinter09。具体操作为，打开软件，建立工程，在工程里建立新的原理图和pcb文件，同时加装所需要的元件库，在原理图中选好所需要的元件进行放置。在原理图画好后，转换到pcb界面，选择工具栏中的importdesign选项，在弹出窗口中勾选所有选择后，元件就可以成功的转移到pcb模块上，这时候还需要对元件进行排版和相关线路的排布，制作结果如图5.2所示。5.1.2编码用keil软件进行相关代码的编写，目的是使用代码使硬件能成功进行颜色识别，相关代码详见附件15.2调试5.2.1软件部分调试该部分调试运用proteus软件的仿真功能，在设计好相关原理图后，把程序代码输入到主控模块端内，以ne555代替tcs3200输出脉冲，测试程序能否成功实现对颜色rgb的辨认，与能否输出到lcd处，详细仿真图如5.3所示软件调试过程与结果（1）打开proteus软件，选定相关元件，进行连线，运用ne555元件代替tcs2300输出脉冲，经过程序处理最后展示相应的rgb值在lcd显示屏上，同时加入编程源文件。（2）加入lcd、示波器、频率检测等，进行模拟脉冲的检测，看是否能达到检测效果。（3）仿真效果图如图5.5、图5.7、图5.9所示。（4）仿真结果：能通过程序成功的分辨出所检测的颜色情况。红色检测结果如图5.4所示：绿色检测结果如图5.6所示：蓝色检测结果如图5.8所示：5.2.2实物调试在进行仿真，制板后，在网上进行相关材料的购买，进行焊接操作，成本控制在200以内，因为考虑了焊接失败的可能性，在设计过程中配备了两份材料，焊接结果如图5.10、图5.11所示。5.2.3实物测试上电后，系统如图5.12所示，传感器上灯亮，显示屏点亮，系统运行正常。5.3系统联调与测试第一步借用开发版把程序烧录进stc89c52中，把烧录好的芯片插入系统中，进行系统调试。第二部给系统颜色输入，再单独对三种颜色的识别和白平衡的进行进行调试，调试过程和结果如下。（1）用白纸调试白平衡，显示255、255、255白平衡完成，结果如图5.13所示（2）进行颜色对比测试，结果如5.14~5.17所示5.4系统试运行选择在室内和室外环境下进行颜色比对，结果如图5.18所示，红绿蓝1室内准确准确准确2室内准确准确准确3室内准确准确准确4室内准确准确准确5室内准确准确准确6室外准确准确7室外准确准确8室外准确准确准确9室外准确准确10室外准确准确准确由测试结果可知，该系统适用于室内封闭环境，暗光环境可确保检测的准确性，如果在光强较强的室外，就会有一定误差存在。5.5在调试中出现的问题及解决的方法问题：因为所学语言差异，无法进行嵌入式的编程，所以无法得知该传感器能否在stm32构建的系统中完美运行，所以选用了51对该系统进行搭建，可能使设计复杂化。传感器无法点亮，导致无法顺利测试rgb值，无法正常开展实验。解决方法：与软件负责同学通力合作，进行软件的修改。在多次尝试后，发现是连接线的问题，最后经过更换，问题得以解决。第六章系统总结6.1设计特点1、整体轻便，操作简单2、在暗光环境下能做到误差百分十以下3、成本低，较实用6.2存在问题和改进方法存在问题：1、颜色传感器问题:思想固化，所选用芯片只是围绕在开题报告所了解的taos公司的230系列和它的升级替代版。最后经过了解得知，该公司还有其他更为先进的颜色传感器，可能那样识别的有效范围就不会那么受限制。2、识别方案选择问题：其实论趣味性、先进性，图像识别更为突出，但由于自身技术问题，最终没有进行图像识别方案的选择，而只是选择了较为简单的颜色识别方案。3、某些模块没有成功实现。4、外观设计问题：因为识别端识别范围的限制，导致了识别区偏小于分类区。5、处理垃圾的问题：因为产品功能的不完善，所以分类好垃圾后无法保证垃圾不再会造成二次污染。改进方法选用更加先进的颜色传感器。加装其他传感器和颜色传感器进行配合。对芯片进行升级。6.3展望本设计成功的验证并实现了该识别系统，但实际使用上还是有所缺陷。识别前先白平衡的特点，不免会使识别的准备速度有所变缓，，对于垃圾桶的使用也会有所限制，所以要找到方法解决这一问题，使颜色识别方面的技术能达到与图像识别一样的水平，这样才会使智能识别产品的方案选择趋向于多向性。而该系统的改进偏向于硬件的升级替代，如果还是维持颜色识别系统的做法，就考虑识别模块的升级，使识别的范围加大，相应的识别区抗光条件也做到提升，也可以吧识别系统从颜色识别升级到图像识别，这样就可以改善识别区过小，识别受限的缺点。然后还有其他功能的改善，本来计划上的红外线识别开盖，和紫外线杀毒，紫外线杀毒区域材料的改进这些都可以继续添加，使该产品更加贴合市场。参考文献[1]任天威.基于stm32微处理器的颜色采集与分析[D].黑龙江大学,2015.[2]李静,梁鹏超.基于TCS230传感器的颜色识别系统设计[J].计算机与数字工程,2017,45(05):984-987.[3]禅翔,薛鹏,郭焕萍.基于Arduino的智能分类垃圾桶[J].电子世界,2020(04):160-161.[4]刘群铭,王勇,史颖刚.基于STM32的舵机控制器电路设计[J].江苏科技信息,2019,36(21):54-57.[5]王凯,袁佳伟,吴文明.基于TCS3200传感器的颜色辨识系统设计[J].数字技术与应用,2017(05):168-169.[6]远飞.基于AT89S52单片机的舵机控制系统设计[J].电子元器件应用,2011,13(12):26-28.[7]杨成,邢聪聪,邵帅.基于STC89c52单片机的舵机控制系统设计[J].电子技术与软件工程,2013(05):53-54.[8]孔宪青.颜色传感器TCS230在单片机平台上的应用实现[J].山西电子技术,2012(06):25-26+28.[9]许超,李佳,林轶凡.基于TCS3200的颜色检测装置设计及光路优化[J].微处理机,2017,38(01):79-82.[10]王亭岭,王宽方.基于TCS3200D型传感器的色度分析仪的设计与实现[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2016,37(01):89-92.[11]MehwishIqbal,SyedSohaibAli,MuhammadMohsinRiaz,AbdulGhafoor,AttiqAhmad.Colorandwhitebalancinginlow-lightimageenhancement[J].Optik,2020,209.[12]CH.V.V.RAMANA.ColorIdentificationBasedonRaspberryPi[C].ScienceandEngineeringResearchCenter.Proceedingsof2015InternationalConferenceonElectricalandElectronics:TechniquesandApplications(EETA2015).ScienceandEngineeringResearchCenter:ScienceandEngineeringResearchCenter,2015:50-54.[13]AiqinZhang,YaminYang,GuangmeiZhai,HushengJia,BingsheXu.TuningthechromaticityoftheemissioncolorofthecopolymerscontainingEu(III),Tb(III),Be(II)ionsbasedoncolorimetricprinciple[J].OpticalMaterials,2016,52.致谢砥砺前行,不负韶华，时间流逝，一去不复返，在北理珠的大学时光已经接近尾声，这篇论文就是最后大学时光钟声的敲响，但也是迈进社会生活的敲门声。在此，先向我尊敬的导师黄鸿说声谢谢，在我刚刚开始毕业设计一筹莫展的时候，她提供给了一个很好的思路给我，在设计与论文撰写的过程中，她也给予了我适当的指导，使得整个设计与撰写的过程变得无比轻松。然后，我想对大学四年内所有课程的老师道谢。论文的的基本是由各学科的知识点构成，这正是大学四年来老师们孜孜教诲，不畏辛劳的结果，正是他们帮我闯过迈入社会的最后一道门槛。我还要感谢各位负责我答辩的老师，只有通过你们的审视，我才能证明自己大学四年没有白费。最后，我想表达对我父母的感谢，感谢四年来对我的支持，他们永远是我最坚硬的后盾，获得大学文凭是对他们最好的报答。在论文答辩完成的最后时刻，我希望自己的所学所用能在之后工作上，给社会带来它的价值。附录：附件一：相关代码#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineLCM_DataP0#defineBusy0x80sbitLCM_RW=P2^6;sbitLCM_RS=P2^5;sbitLCM_E=P2^7;sbittcs3200_s2=P1^1;sbittcs3200_s3=P1^0;sbittcs3200_en=P3^0;voidWriteDataLCM (ucharWDLCM);voidWriteCommandLCM 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