智能分類垃圾桶識別設計與實現(xiàn)

北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設計智能家居分類垃圾桶識別設計與實現(xiàn)智能分類垃圾桶的識別設計摘要本設計基于c52單片機，運用了proteus和dxp設計了一款顏色識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了識別模塊、主控模塊和顯示模塊，通過這三個模塊的配合，系統(tǒng)可做到準確識別顏色。顏色信息在通過識別模塊輸入后，經(jīng)由主控的轉換，再輸出相關信息到顯示模塊上，同時該信息可賦予給其他依賴該識別系統(tǒng)的產(chǎn)品。該系統(tǒng)的設計對未來進一步研究識別系統(tǒng)以及相關的智能家居產(chǎn)品有著一定意義。本系統(tǒng)采用了自動開合門的技術，對識別區(qū)域周圍進行了密閉處理，解決了外部環(huán)境造成的光干擾問題。led補光技術，在識別工具周圍放置可由按鍵控制的led，解決了識別工具識別距離短，在內(nèi)部識別器檢測可能不準確的問題。tcs3200濾波器循環(huán)選擇技術，通過三種濾波器的循環(huán)檢測，可降低檢測錯誤率，解決了顏色識別可連續(xù)進行次數(shù)障礙的問題。采用計時器計算脈沖確定比例因子的技術，解決了在不同環(huán)境中比例因子會發(fā)生變化的問題。關鍵詞：智能分類垃圾桶；前端識別；識別系統(tǒng)設計；顏色識別系統(tǒng)dentificationdesignofintelligentclassificationtrashcanAbstractThisdesignisbasedonc52MCU,theuseofproteusandDXPdesignedacolorrecognitionsystem.Thesystemincludesrecognitionmodule,mastercontrolmoduleanddisplaymodule.Throughthecooperationofthesethreemodules,thesystemcanaccuratelyrecognizecolors.Afterthecolorinformationisinputbytherecognitionmodule,itisconvertedbythemastertooutputtherelevantinformationtothedisplaymodule,andtheinformationcanbegiventootherproductsdependingontherecognitionsystem.Thedesignofthissystemhascertainsignificanceforthefurtherstudyofidentificationsystemandrelatedsmarthomeproductsinthefuture.Thissystemadoptsthetechnologyofautomaticopeningandclosingdoor,andairtighttreatmentiscarriedoutaroundtheidentificationarea,whichsolvestheproblemoflightinterferencecausedbytheexternalenvironment.Ledsupplementarylighttechnology,theledcanbecontrolledbythebuttonplacedaroundtherecognitiontool,tosolvetheproblemthattherecognitiontoolrecognitiondistanceisshort,intheinternalrecognizerdetectionmaynotbeaccurate.Thetcs3200filtercyclicselectiontechniquecanreducethedetectionerrorratethroughthecyclicdetectionofthreekindsoffiltersandsolvetheproblemthatthecolorrecognitioncanbecarriedoutcontinuously.Thescalingfactorcanbechangedindifferentenvironmentsbyusingthetechniqueofcalculatingpulsewithtimertodeterminethescalingfactor.Intelligentsortingofgarbagecans;Front-endidentification;Identificationsystemdesign;Colorrecognitionsystem北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u13463前言 329828第一章概述 5121501.1任務提出 595731.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 5190641.3本設計的目標及其價值 653871.4本設計所做的工作 623705第二章工具介紹 9210012.1仿真軟件介紹 92.1.1軟件的使用 919522.2編程軟件介紹 92.2.1軟件的使用 10303632.3pcb制作軟件介紹 102.3.1軟件的使用 10179482.4顏色度分辨軟件介紹 10240972.4.1軟件的使用 117660第三章系統(tǒng)總體設計 12154913.1系統(tǒng)結構框圖 12119743.2系統(tǒng)運行框圖 1314233第四章識別系統(tǒng)詳細設計 14248914.1顏色識別模塊設計 14120814.2光補模塊設計 16243634.3主控模塊設計 16210804.4顯示模塊設計 17157314.5電源模塊設計 18157314.6通信設計 1811384.7軟件設計流程圖 18326764.8系統(tǒng)相關原理圖設計 1921491第五章系統(tǒng)實現(xiàn) 21326765.1pcb板的制作與編碼 21222425.1.1pcb板的制作 22172835.1.2編碼 2117975.2調(diào)試 22112855.2.1軟件部分調(diào)試 2252825.2.2實物調(diào)試 26234575.2.3實物測試 27141865.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試 27141865.4系統(tǒng)試運行 31141865.5在調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決的方法 3129510第六章系統(tǒng)總結 31209696.1設計特點 3176356.2存在問題和改進方法 311416.3展望 3210295參考文獻 3314709致謝 35748附錄： 3616075附件一：相關代碼 361前言當前,以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等為領頭羊的新生代技術產(chǎn)業(yè)正在與社會、經(jīng)濟、文化相互碰撞，互相融合，從而也創(chuàng)新出很多新型的行業(yè)與產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代人的生活節(jié)奏不斷加快，尤其是在當前經(jīng)濟發(fā)展較好的中心城市，“996”工作制成為生活工作的常態(tài)，排除用于睡眠休息的時間，大多數(shù)人在外工作的時間比在家里所呆的時間還要長。經(jīng)過一天的繁忙工作后,家里的雜物處理、衛(wèi)生清潔等的家庭勞務就不愿意，也沒有過多的精力去處理了。為了應對上述問題，智能家居設備應運而生。公眾對于以節(jié)省時間、節(jié)省精力為目的創(chuàng)造出來的人工智能的需求激增，人工智能產(chǎn)品的應用也隨處可見。目前，在我們的日常生活中，我們能看到很多的智能伴侶,簡單的有掃地機器人、智能音響等小型智能產(chǎn)品，復雜的有智能家居系統(tǒng)等復雜的整體智能創(chuàng)造，這些豐富多樣、功能各異的智能產(chǎn)品不僅給我們的日常生活帶來了極大的便利,還改變了我們?nèi)粘５纳罘绞健＞湍壳岸?，智能產(chǎn)品仍然具有巨大的潛力市場和發(fā)展空間，部分家用日常物品的智能化還未被很好地利用，其中就包括我們的產(chǎn)品—智能垃圾桶。隨著垃圾分類的逐漸普及以及國家政策的大力支持，智能垃圾桶行業(yè)風生水起整體獲得很大的發(fā)展動力。在我們身邊最早出現(xiàn)的相關智能垃圾桶產(chǎn)品是)小黃狗公司出產(chǎn)的智能分類垃圾桶。同年八月,在長沙市長華社區(qū),與“小黃狗”智能垃圾桶的運行模式、識別功能相近，另外增設了人臉識別功能的“火星男孩”垃圾箱出現(xiàn)了，這也意味著人工智能在家居設施的應用又得到進一步的提升與完善。在該領域，還有源源不斷的其他公司生產(chǎn)的同類型的產(chǎn)品競相出現(xiàn)，例如我的袋鼠智能垃圾分類回收站、廣船環(huán)保智能收集系統(tǒng)等，而在最近,由于受到新冠疫情防控的影響,全國首個具備消殺防疫功能的地埋式垃圾桶也出現(xiàn)在深圳,由此可見，智能化是伴隨著社會需求、經(jīng)濟發(fā)展的變化不斷發(fā)展的，由于不同時期所產(chǎn)生的生活、醫(yī)療垃圾不同，為智能垃圾桶行業(yè)帶來廣闊的前景，也為智能垃圾桶的應用以及實操提供更多的創(chuàng)新方向。參考智能垃圾桶在目前市場的可行性,我們小組決定設計一款具有可實際操作性高，造價成本不高且體積可隨投放地點不同而變化的智能分類垃圾桶,總體由可回收材料造成,可根據(jù)用戶不同需求使用不同原料,整體由識別模塊、主控模塊和驅動模塊組成,旨在提高垃圾桶的智能化，方便垃圾分類快速便捷地進行。把新型的智能化技術應用到實際的生活生產(chǎn)中去，一方面能實現(xiàn)智能技術的內(nèi)在價值，另外一方面能夠滿足于人們的日常生活需求，降低人們的生活時間成本，提高人們的的幸福感，為人們帶來生活上的便利也給技術創(chuàng)新帶來無限的動力。第一章概述1.1任務提出在小組任務的基礎上，作者負責的是其中的識別模塊，現(xiàn)將設計一款可用在智能分類垃圾桶上的識別系統(tǒng)1.1.1識別系統(tǒng)相關原理本課題研究的智能分類垃圾桶主要是由硬件設計、軟件設計以及識別設計組成的，識別系統(tǒng)從字面上理解，就是對所提供信息進行識別并給后續(xù)連接部件提供處理后的信息的系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀：國外垃圾分類較于國內(nèi)起步更早，比如我們的鄰居--日本，被認為世上垃圾分類管理最為嚴厲的國家之一，現(xiàn)在他們的垃圾分類愈發(fā)偏向于精準的類別，與更為細致的選擇。這套完善的垃圾分類管理是多年沉淀的結果，對他們本土人也以變成一種習慣。也因此，智能分類垃圾桶在日本并不普及，因為他們自發(fā)的習慣，這類垃圾桶不多被需要。再看看垃圾回收率處于歐洲國家中最低的法國，有廠家為了改善這種情況，推出了一款叫eugene的垃圾桶，它提供你一個掃描儀，只需掃描商品上的條形碼，就會語音告訴你該丟到什么區(qū)域，相對來說，功能較單一，且分類要手動進行。不過成熟且以投入使用的智能分類垃圾桶在國外也有，在溫哥華機場中，一款名叫奧斯卡的智能分類垃圾桶已經(jīng)投入使用。這款機器就是圖像識別的準確體現(xiàn)，它通過外置的攝像頭獲取信息后，經(jīng)過中樞的處理，反饋到顯示屏上，告訴使用者手上的垃圾應該投放到什么區(qū)域。在近端時間，也有全新的產(chǎn)品面世，transhbot，一款具有更多功能的智能分類垃圾桶，整體由三個分類區(qū)和兩個投放口，有兩個活動管道保證垃圾傳輸。在智能識別傳感器的加持下，它有兩方面的功能，第一點就是很多智能垃圾桶已有的感應技功能，人接近的時候就會自己打開蓋子。第二個就是分類功能了，有垃圾被投放后，傳感器開始進行識別，分辨出該垃圾是哪種類型，分辨得出結果后，垃圾會經(jīng)過管道的移動，進入到對應的收集箱。1.2.2國內(nèi)智能分類垃圾桶發(fā)展現(xiàn)狀：在國內(nèi)，現(xiàn)在各個地方都在提倡著垃圾分類，但完善有效的垃圾回收體系并沒有出現(xiàn)，而且，人民對于垃圾分類的意識也較為淡薄，所以，能夠幫助人們接受、熟識垃圾分類的產(chǎn)品出現(xiàn)時順應垃圾分類大趨勢的。當你運用國內(nèi)第一搜索引擎，百度搜索智能分類垃圾桶，可找到790w的相關結果，如首頁的搜索結果可見，最近的智能分類垃圾桶市場越來越火爆。結合前幾年的積分獎懲機制分類垃圾桶，多款在此基礎上愈發(fā)智能的垃圾桶涌現(xiàn)出來。在2019年末進行開題報告時候，我只能找到零零星星的相關產(chǎn)品，例如小黃狗、火星男孩、我的袋鼠等等?？烧f現(xiàn)在是智能分類垃圾桶百花齊放的時候，例如marinedancer的產(chǎn)品，有人臉識別垃圾桶、智能醫(yī)療垃圾分類垃圾桶等等，且?guī)滋烨埃疫€在新聞上看到了相關最新產(chǎn)品的新聞推送，垃圾在經(jīng)過智能分類后，甚至還可進行消毒功能，智能分類垃圾桶在國內(nèi)可以說大有可為。1.3本設計的目標及其價值筆者所負責設計的部分要求制定計劃，并制作好作為智能分類垃圾桶信息攝取端的識別系統(tǒng)。識別的技術可知有兩種:(1)圖像識別,是利用計算機處理圖片的能力，將信息攝入端所攝取的圖像進行分析、分類、再反饋的技術,是深度學習相關技術的應用實踐。(2)顏色識別，顏色識別是一種創(chuàng)新的檢測技術,可以說這個技術是自帶控制理論的簡單應用,因為在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)之后它才被提出,但這個并不妨礙它的發(fā)展,到了現(xiàn)在,該項技術已經(jīng)得到了大力的發(fā)展。雖然提出的時間比較晚，隨著科技的不斷發(fā)展，處理器處理信息的能力大大提升，所以連帶著提升了顏色檢測系統(tǒng)的能力。識別系統(tǒng)的工作方法一般都是，先進行白平衡，然后通過物體便面的rgb色值識別，在用數(shù)值比較表格來確定物體顏色。對比圖像識別系統(tǒng)，顏色識別成本可降低，對于項目開始初期更為有利。該實驗提出了緊跟時代的智能分類垃圾桶設計方案，而該識別部分就是整體垃圾桶功能的鋪墊。要求系統(tǒng)總體應達到能準確辨認顏色并做到能配合主控模塊、驅動模塊,使智能分類垃圾桶的重點功能--分類,能順利進行。1.4本設計所做的工作1、識別方案的選擇：對于垃圾識別，主要使用圖像識別和顏色識別的方法，要在顏色識別方案與圖像識別方案中確定一個。2、垃圾分類方案選擇方案（1）模擬背景為海外一個小區(qū)內(nèi)，住戶已經(jīng)在家獨自分類完畢，按照顏色和垃圾種類的對應關系。可堆肥垃圾—-綠色可回收垃圾—-藍色不可回收垃圾—紅色方案（2）模擬投放環(huán)境為住戶家里，通過識別將住戶投放的垃圾分類分區(qū)，方便用戶的分類收集，做到智能分類再裝袋。3、對垃圾分類的相關資料調(diào)查垃圾分類，國外叫做Garbageclassification,即指垃圾的投放要有種類化、區(qū)域化、規(guī)律化，將資源使用率提高的行為。將可利用垃圾轉化成社會公共資源，不可理由垃圾進行無害化處理的系列動作的總稱。目的是為了提高垃圾對于資源和經(jīng)濟的價值,爭取資源的最大可能利用。垃圾在分類過程中主要變化為：私有物品--區(qū)域性準公共資源—非排除性公共資源，也就是從公眾的手上到小區(qū)、攝取集合點，再帶垃圾集中站或轉運點。垃圾分類的進行可以減少國家在這方面的經(jīng)濟投放，同時能降低對土地資源的損耗，保護地球生態(tài)的同時提高經(jīng)濟效益。從國內(nèi)外各城市的垃圾分類方法可得出結論,國外的分類方法多是通過垃圾的成分--看能不能再次利用、和垃圾的總量--處理成本來判斷，例如澳大利亞就是范圍可回收垃圾、不可回收垃圾和可堆肥垃圾。而從國內(nèi)角度看,垃圾可分為四類:有害垃圾:有害垃圾值自身帶有毒害性，可威脅人體健康或對生態(tài)造成潛在、實際性傷害的垃圾，其中最常見的是廢棄燈具、超過保質期的藥品、化妝品之類。對于有害垃圾，多數(shù)使用獨立類別回收處理的方式來防止它的危害。其他垃圾:其他垃圾(也稱干垃圾)包括了上面提及的幾類垃圾之外的建筑遺棄物、使用過后的手紙，廁紙等回收困難的廢棄物品以及沙塵廢土、食品包裝袋子(盒子)一類的垃圾。這類垃圾如果不進行良好的處理，會對水資源、土地資源、甚至空氣帶來污染，所以現(xiàn)在大多是使用衛(wèi)生處理后，進行填埋的方法。大棒骨因為具有"難以腐蝕"的特于被排除在"廚余垃圾"。而被腐蝕性較好的果殼類和家禽小骨等則歸為餐廚垃圾。餐廚垃圾：有些地方叫濕垃圾，大體上包括(1)菜品果品處理后的根類、皮類(2)用餐后的殘羹剩飯,骨頭類的食品類廢物。這類垃圾可通過生物技術進行就地堆肥處理,每一噸的廚余可轉化為0.6~0.7噸的有機肥料?？苫厥瘴?可回收物主要包括布料、塑料、玻璃、金屬和廢紙五大類。（1）廢紙:主要包括雜志、日報、書本、各種物品的包裝紙等。但是,紙巾和廁所紙并不屬于這個行列,因為它們的水溶性強度大,不可回收。（2）塑料:各類塑料制品：例如塑料袋、塑料泡沫、塑料包裝、餐盒餐具、牙刷、杯子、礦泉水瓶等。但快遞包裝袋除外，它屬于其他垃圾的行列。（3）玻璃:主要包括各種廢棄的玻璃產(chǎn)品，包括燈管，損壞的玻璃杯等，但鏡子不包含在內(nèi)，它屬于其他垃圾。（4）金屬物:主要包括平日里易接觸的可移動的金屬產(chǎn)品，例如易拉罐。（5）布料:主要包括廢棄衣服、書包、抹布等。這些垃圾通過統(tǒng)一收集后科學處理，可進行回收利用，提高資源利用率。比如廢紙可以一比零點九的比例轉換為紙張，這一過程所節(jié)省的材料可達300公斤，相比于直接用木料造紙，污染程度也相對減少。塑料之類的通過處理也可獲得可利用的二級材料；廢棄的鋼鐵也可重新煉鋼，減少礦石的利用，可節(jié)約成本的同時降低空氣污染。4、識別系統(tǒng)的硬件選擇：據(jù)網(wǎng)上調(diào)取的信息。初步構思，識別系統(tǒng)由識別模塊配合上單片機系統(tǒng)電路，再由單片機給予舵機動作信息，進行后續(xù)對收集物的處理。5、研究要求（1）可以做到正確的識別（2）可以系統(tǒng)的動作（3）能做到橋梁作用（4）經(jīng)濟性和實用性6、擬解決的關鍵問題：（1）以垃圾分類為基礎,建立智能家居分類垃圾桶的垃圾分類識別模型（2）設計出能夠準確辨認不同顏色的顏色識別系統(tǒng),能配合智能分類識別垃圾桶,對不同顏色袋裝的不同垃圾做出不同反應（3）在確定好主控模塊的基礎上，正確連接識別模塊，調(diào)試好并能使顏色識別整體正常動作。（4）進行整體組裝,最后要加上與驅動模塊的連接,編程、測試,要求整體能做到正常運行,實現(xiàn)分類識別功能。7、可行性分析結合國內(nèi)智能分類垃圾桶產(chǎn)業(yè)在發(fā)展、百花齊開的背景和國外智能分類推動進行，但相關產(chǎn)品較缺失的背景，智能分類垃圾桶的發(fā)展前景光明，具有一定可行性。第二章工具介紹2.1仿真軟件介紹Proteus：是一款典型的電子設計自動化工具軟件，相比于其他的工具軟件，它在仿真功能的基礎上，還加上了單片機仿真等一系列的功能，版本的更新也使它支持的東西越來越多。且在仿真的基礎上，該軟件可以做到無縫銜接pcb圖的制做。是目前世界上較為先進的電路仿真、pcb制作、虛擬模型仿真功能融合在一起的設計軟件。該軟件的圖標如圖2.1所示。2.1.1軟件的使用第一步先打開軟件，在軟件的左上角簡建立一個新工程，選擇路徑后點擊下一步，在下一個對話框內(nèi)選擇是否建立原理圖，并選擇相關模板。接下來進行pcb補板和主要芯片固件的選擇。在點擊完成后，一個已有你所選芯片的項目就會顯示出來，這時候你就可以進行元件的不止，連線和仿真，雙擊元件可以改變它的屬性，雙擊主芯片可以把相關程序放置進去運行。在仿真圖弄好后，切換到pcb板圖，就會有相應的封裝元件給你選擇，但接線還需要手動進行，所以容易出現(xiàn)錯誤。2.2編程軟件介紹KeiluVision5：該軟件是一款使用廣泛的單片機編程軟件。該軟件入手簡單、可供選擇的庫廣泛、且集成開發(fā)的環(huán)境條件較好?？蓭椭阍谶M行c語言相關編程后，檢測你的代碼能否順利運行，且給你篩選出錯誤的語句，好供你進行修改，在相關編程完成后，該軟件可以幫助你把代碼保存成你所需要的格式，以方便燒錄到硬件中，該軟件如圖2.2所示。2.2.1軟件的使用打開軟件，進行項目的建立，在項目下建立子文件，在里面進行編程，在編程完成后，點擊run，檢測程序能否順利運行無錯誤，當0error，0warning的時候，就可以把文件輸出備做使用。2.3pcb制作軟件介紹altiumdesignerwinter09：該軟件是protel系列軟件中的一種，該軟件集成了一些列工具，使用較方便，因為出現(xiàn)的時間較早，能在網(wǎng)絡上能較為容易找到所需的元件庫。使用該軟件可以在制作原理圖的同時，花費較少的力氣同時完成對pcb板的制作，同時該軟件還帶有三維pcb功能，可以更為直觀的選擇元件的放置位置與距離，做出最優(yōu)選擇，相對于proteus制作pcb，該軟件制圖速度有著飛躍化的提升，且更為顯得專業(yè)性?？傮w軟件對硬件要求也相應較低，對于老舊電腦的使用者較友好。該軟件如圖2.3所示2.3.1軟件的使用使用方法，打開軟件打開軟件，建立工程，在工程里建立新的原理圖和pcb文件，同時加裝所需要的元件庫，在原理圖中選好所需要的元件進行放置。在原理圖畫好后，轉換到pcb界面，選擇工具欄中的importdesign選項，在彈出窗口中勾選所有選擇后，元件就可以成功的轉移到pcb模塊上，這時候就可以對元件進行排版和相關線路的排布，在排版完成后可以對板子進行輸出。2.4顏色度分辨軟件介紹colorutility：是一款廣泛用于藝術設計新業(yè)的屏幕取色顯示軟件，使用相較于對比畫圖板、色卡表等方便，它可以幫你得出某個顏色的rgb值，也可以從rgb值得出某個顏色。且軟件整體較少，占用內(nèi)存和運行內(nèi)存都較少，是一款很方便的檢測軟件，該軟件如圖2.4所示2.4.1軟件的使用在rgb框里輸入相對數(shù)值，顏色就會在右方正方形處呈現(xiàn)，也可用右下角吸水筆，對顏色進行攝取，相應rgb就會在數(shù)值框內(nèi)相對呈現(xiàn)。第三章系統(tǒng)總體設計3.1系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)總體布局如結圖3.1所示，在設計初期選擇以顏色識別作為識別方案后，對比可選工具后，搭配出了這一套顏色識別系統(tǒng)，以stc89c52配合tcs230/tcs3200搭建顏色識別系統(tǒng)，符合設計要求的基礎上stc89c52的選擇可以讓我們外加更多的選項，例如顯示屏顯示所識別出的顏色。端顏色傳感器采用rgb傳感器tcs230/tcs3200d，但因為stc89c52的處理能力，所以優(yōu)先偏向于選擇功能更為先進的tcs3200d，較于tcs230，tcs3200d可以更為直接的輸出頻率信號，而且電路得到了簡化，具有低價格高能效的優(yōu)勢，在處理能力達到要求時，它會是我的最佳選擇。與230一樣，它擁有可直接連接微處理器的特點，且可單獨供電，可斷電復位。對比230，穩(wěn)定性更為良好，出現(xiàn)誤差的概率更小.與51同理，我們在處理完顏色信息后，可通過stc89c52上的定時器產(chǎn)生中斷，輸出pwm波控制sg90舵機動作。優(yōu)點：更為優(yōu)秀的中樞可使搭配的硬件更為穩(wěn)定，不會存在舊系列載能不足的缺點，而且還能外加其他元件來實現(xiàn)更多的功能。缺點：成本上升，3200d選擇比起230系列更為昂貴，而芯片直接連接驅動可能動力不足，所以考慮外加芯片。3.2系統(tǒng)運行框圖總體系統(tǒng)運行如圖3.2所示，上電后先進行系統(tǒng)初始化，再對系統(tǒng)進行白平衡，確保系統(tǒng)穩(wěn)定后，運用顏色識別程序方辯出顏色，再通過后續(xù)輸出造成對驅動端的影響，整體系統(tǒng)完成運行返回。第四章識別系統(tǒng)詳細設計4.1顏色識別模塊設計1：顏色傳感器原理：該原理和三原色原理息息相關，由三原色原理可知，所有顏色都是有rgb三色不同比例混合而成，所以只需知道這三色的具體指，借用電腦上的繪色板等，就可以辨認被測物體的顏色。2.顏色識別的原理：不同的顏色是由三原色不同比例的搭配構成，可以說三原色是它們的根本，只是比例有所差異，因此只要知道某種顏色中三原色，就可以方辯出是什么顏色，TCS3200具有分次選定這三種顏色的濾波器，每次測得不同顏色的光強，最后繼續(xù)統(tǒng)計比較，就可得知具體顏色是哪種。3.顏色識別：白平衡是第一步，從表面上理解，就是使白色達到平衡，這是一項用于檢驗三基色混合產(chǎn)生白色的精準度的指標。做到白平衡的具體方法是：調(diào)用定時器，限定一個時間段（例如15ms），然后分次對三種顏色濾波，記錄顏色傳感器在該段時間輸出的脈沖數(shù)，再用得到的數(shù)量計算出對應的比例因子，然后再用比例因子把脈沖數(shù)變?yōu)榘灼胶馑蟮牡?55.現(xiàn)在解釋下什么是比例因子，我們知道在理論（認為無任何干擾光源下），白色對應的三基色（RGB）都是255。但百分百無干擾只是理論，現(xiàn)實實驗環(huán)境肯定會有所影響。所以白色所對應三色的rgb不一定是255，白平衡發(fā)生改變，那其他顏色相對也不會是理想數(shù)值，這時候，我們就需要一個比例數(shù)，讓他們變成255，這個比例數(shù)就是我們說的比例因子。計算出比例因子的方法有兩種，第一種是脈沖計數(shù)到255，以時間基數(shù)來比較得出；第二種就是在時間段內(nèi)統(tǒng)計脈沖，然后通過正比例轉換成255.在實際實驗中，運用同時統(tǒng)計的方法，將實驗得到的脈沖數(shù)乘上比例因子，就可以算出對應的r、g、b值。4.具體操作與設計過程由表可知，頻率輸出百分比由s0、s1確定，在白平衡調(diào)試與程序運行過程中，我們要保持頻率輸出的不變，且達到百分比輸出，所以s0、s1全程置1，保持高電平狀態(tài)，輸出頻率百分比。再運用定時器產(chǎn)生中斷，在中斷器件通過改變s2和s3的狀態(tài)（由表看出這兩個引腳是用于濾波器選擇），來選定不同的濾波器，再讀取輸出的值。顏色識別程序：詳見附錄1.6.傳感器的選用該傳感器體積較?。?4mm×26mm×10mm），相關引腳圖如圖4.1所示，微小的身體上集成著可調(diào)整的硅光電二極管，而且為了方便輸出，還帶有電流轉換到頻率的轉換器，可將感受到的光強轉換為頻率的高分辨率轉換動作，可用編程選擇所需辨識的顏色，滿量程輸出頻率可通過兩個控制輸入引腳按三個預設值之一調(diào)整。數(shù)字輸入和數(shù)字輸出允許與微控制器或其他邏輯電路直接接口。輸出使能(OE)將輸出置于高阻抗狀態(tài)，以便多個單元共享微控制器輸入線路。顏色識別功能的根本，是它板子上帶有的三原色濾波器。四種類型（顏色）的光電二極管被交叉置開，以最小化入射輻照度不均勻性的影響。所有相同顏色的光電二極管并聯(lián)。如圖4.2所示，引腳S2和S3用于選擇哪組光電二極管（紅，綠，藍，青）有效。光電二極管尺寸為110微米x110微米，中心為134微米。選用何種顏色檢測的時候，可通過s2和s3的狀態(tài)變化來選擇該種顏色的硅光電二極管。只有對應選擇的色光輸入進來的時候，相對應的陣列才會轉換成相對應的信號輸出，tcs3200的特別之處在于它輸出的是數(shù)字信號，且有著占空比50的特點，可以直接連接標準ttl和cmos，直接驅動邏輯輸入。單個電源運行范圍二點七至五點五伏，且擁有穩(wěn)定的溫度系數(shù)，供電需求可輕易達到，不用再外搭第二個獨立電源，能成功做到顏色分類效果（靜態(tài)檢測），對于小電源搭建的識別系統(tǒng)，極為適合。4.2光補模塊設計tcs3200的有效探測范圍只有10mm，檢測的環(huán)境應該盡量應該選用光源強、境密閉干擾弱的地方進行探測，最大可能的使探測顏色和傳感器處于同一密閉環(huán)境內(nèi)。再基于芯片自帶環(huán)境的差異，例如有的芯片周圍無led等環(huán)繞，建議自己進行添加。本次設計所選定的傳感器是tcs3200，廠家已在識別芯片周圍加上了四枚白光led燈，但還沒達到tcs3200的補光極限，tcs3200建議的補光極限在3~6枚，此舉的目的旨在加強入射光，增大所檢測光的頻率輸出，再加上本設計所驗證材料為透明帶色垃圾袋，所以額外再加白光led是有必要的，也可保證tcs3200達到補光極限和避免其中有燈泡在使用過程中發(fā)生損耗。主要設計方向為每兩個led用一個按鍵控制，led選用與板上相同的0.5w白光led，通過按鍵，可自由選擇補光或進行損壞燈泡替換功能。4.3主控模塊設計4.3.1主控端工具介紹Stc89c52：如圖4.3所示，該芯片是stc89c51芯片的升級版，STC89C52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的STC89C52可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。STC89C52具有如下特點：40個引腳，8kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩器。4.3.2主控連接方式說明主控的模擬接線方法如圖4.3所示，仿真圖中，因前端接線因為proteus中沒有tcs3200元件，所以用ne555模擬脈沖代替該元件，當然，模擬與現(xiàn)實有所差別，接線方法就是體現(xiàn)，在現(xiàn)實中并不是單接線，tcs3200傳感器需要五個端口連接才可以實現(xiàn)選通濾波器的功能。為保證穩(wěn)定性，不同模塊間只有信息傳輸，電源保證獨立，tcs3200輸出端經(jīng)由atc89c52前端連接，控制定時器選定一段時間，進行該段時間脈沖計數(shù)，配合白平衡程序先進行白平衡，在白平衡完成后，用程序循環(huán)選擇不同濾波器，實現(xiàn)對不同顏色的濾波，例如程序中的（先綠后藍再紅，進行循環(huán)）這樣才可以保證在放入不同色垃圾袋時都可以正常做出識別動作，同時運用頻率檢測、示波器等顯示出所模擬的顏色變化。4.3.3復位電路與晶振電路的設計復位電路：單片機最小系統(tǒng)復位電路的極性電容的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用10-30μF，51單片機最小系統(tǒng)容值越大需要的復位時間越短。單片機工作之后，只要在RST引線上加載10ms以上的高電平，單片機就能有效地復位。CS-51單片機通常采用自動復位和按鍵復位兩種方式。這里采用按鍵復位和上電復位兩種電路結合。晶振電路：典型的晶振取12MHZ，晶振越大，則單片機的處理速度越快。單片機的最小起振電容C1，C2一般采用15-33pF，并且電容離晶振越近越好。4.4顯示模塊設計該模塊選用lcd1602，尺寸圖如圖4.4所示，該液晶屏體積較小，可適配該識別系統(tǒng)，16×2行的顯示也可滿足對顏色rgb輸出值的顯示，在該液晶屏上，每一個點在獲得一個信號后，該點的狀態(tài)就會維持，色彩和亮度都不會發(fā)生變化，相較于需要不停的刷新亮點的crt，實用度更高。該模塊的引腳圖如圖4.5所示，在本設計的接線中，一腳接gnd，2腳接vcc，3腳用作灰度調(diào)節(jié)，4到14口接單片機的io口。編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極4.5電源模塊設計該模塊采用的是dc電源接口，配合usb供電，來給識別系統(tǒng)進行供電，該接口原理圖如圖4.6所示，a口為電源口，bc口為接地口，詳細的設計為在a口后接按鍵來控制對系統(tǒng)的供電。4.6通信設計考慮到用識別的芯片再控制兩個舵機，可能會造成供電不足的影響，所以運用空余串口進行接線輸出，讓識別系統(tǒng)的stc與分類垃圾桶的主控stm32建立通信，在辨認不同顏色的時候，不同端口輸出高電平，然后stm再進行后續(xù)操作，本顏色識別系統(tǒng)工作完畢。4.7軟件設計流程圖軟件運行流程如圖4.7所示4.8系統(tǒng)相關原理圖設計所用傳感器tcs3200相關電路原理圖如圖4.8所示主控與顯示部分相關原理圖如圖4.9所示系統(tǒng)實現(xiàn)5.1pcb板的制作與編碼5.1.1pcb板的制作如圖5.1所示，pcb制作所選用的軟件是altiumdesignerwinter09。具體操作為，打開軟件，建立工程，在工程里建立新的原理圖和pcb文件，同時加裝所需要的元件庫，在原理圖中選好所需要的元件進行放置。在原理圖畫好后，轉換到pcb界面，選擇工具欄中的importdesign選項，在彈出窗口中勾選所有選擇后，元件就可以成功的轉移到pcb模塊上，這時候還需要對元件進行排版和相關線路的排布，制作結果如圖5.2所示。5.1.2編碼用keil軟件進行相關代碼的編寫，目的是使用代碼使硬件能成功進行顏色識別，相關代碼詳見附件15.2調(diào)試5.2.1軟件部分調(diào)試該部分調(diào)試運用proteus軟件的仿真功能，在設計好相關原理圖后，把程序代碼輸入到主控模塊端內(nèi)，以ne555代替tcs3200輸出脈沖，測試程序能否成功實現(xiàn)對顏色rgb的辨認，與能否輸出到lcd處，詳細仿真圖如5.3所示軟件調(diào)試過程與結果（1）打開proteus軟件，選定相關元件，進行連線，運用ne555元件代替tcs2300輸出脈沖，經(jīng)過程序處理最后展示相應的rgb值在lcd顯示屏上，同時加入編程源文件。（2）加入lcd、示波器、頻率檢測等，進行模擬脈沖的檢測，看是否能達到檢測效果。（3）仿真效果圖如圖5.5、圖5.7、圖5.9所示。（4）仿真結果：能通過程序成功的分辨出所檢測的顏色情況。紅色檢測結果如圖5.4所示：綠色檢測結果如圖5.6所示：藍色檢測結果如圖5.8所示：5.2.2實物調(diào)試在進行仿真，制板后，在網(wǎng)上進行相關材料的購買，進行焊接操作，成本控制在200以內(nèi)，因為考慮了焊接失敗的可能性，在設計過程中配備了兩份材料，焊接結果如圖5.10、圖5.11所示。5.2.3實物測試上電后，系統(tǒng)如圖5.12所示，傳感器上燈亮，顯示屏點亮，系統(tǒng)運行正常。5.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試第一步借用開發(fā)版把程序燒錄進stc89c52中，把燒錄好的芯片插入系統(tǒng)中，進行系統(tǒng)調(diào)試。第二部給系統(tǒng)顏色輸入，再單獨對三種顏色的識別和白平衡的進行進行調(diào)試，調(diào)試過程和結果如下。（1）用白紙調(diào)試白平衡，顯示255、255、255白平衡完成，結果如圖5.13所示（2）進行顏色對比測試，結果如5.14~5.17所示5.4系統(tǒng)試運行選擇在室內(nèi)和室外環(huán)境下進行顏色比對，結果如圖5.18所示，紅綠藍1室內(nèi)準確準確準確2室內(nèi)準確準確準確3室內(nèi)準確準確準確4室內(nèi)準確準確準確5室內(nèi)準確準確準確6室外準確準確7室外準確準確8室外準確準確準確9室外準確準確10室外準確準確準確由測試結果可知，該系統(tǒng)適用于室內(nèi)封閉環(huán)境，暗光環(huán)境可確保檢測的準確性，如果在光強較強的室外，就會有一定誤差存在。5.5在調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決的方法問題：因為所學語言差異，無法進行嵌入式的編程，所以無法得知該傳感器能否在stm32構建的系統(tǒng)中完美運行，所以選用了51對該系統(tǒng)進行搭建，可能使設計復雜化。傳感器無法點亮，導致無法順利測試rgb值，無法正常開展實驗。解決方法：與軟件負責同學通力合作，進行軟件的修改。在多次嘗試后，發(fā)現(xiàn)是連接線的問題，最后經(jīng)過更換，問題得以解決。第六章系統(tǒng)總結6.1設計特點1、整體輕便，操作簡單2、在暗光環(huán)境下能做到誤差百分十以下3、成本低，較實用6.2存在問題和改進方法存在問題：1、顏色傳感器問題:思想固化，所選用芯片只是圍繞在開題報告所了解的taos公司的230系列和它的升級替代版。最后經(jīng)過了解得知，該公司還有其他更為先進的顏色傳感器，可能那樣識別的有效范圍就不會那么受限制。2、識別方案選擇問題：其實論趣味性、先進性，圖像識別更為突出，但由于自身技術問題，最終沒有進行圖像識別方案的選擇，而只是選擇了較為簡單的顏色識別方案。3、某些模塊沒有成功實現(xiàn)。4、外觀設計問題：因為識別端識別范圍的限制，導致了識別區(qū)偏小于分類區(qū)。5、處理垃圾的問題：因為產(chǎn)品功能的不完善，所以分類好垃圾后無法保證垃圾不再會造成二次污染。改進方法選用更加先進的顏色傳感器。加裝其他傳感器和顏色傳感器進行配合。對芯片進行升級。6.3展望本設計成功的驗證并實現(xiàn)了該識別系統(tǒng)，但實際使用上還是有所缺陷。識別前先白平衡的特點，不免會使識別的準備速度有所變緩，，對于垃圾桶的使用也會有所限制，所以要找到方法解決這一問題，使顏色識別方面的技術能達到與圖像識別一樣的水平，這樣才會使智能識別產(chǎn)品的方案選擇趨向于多向性。而該系統(tǒng)的改進偏向于硬件的升級替代，如果還是維持顏色識別系統(tǒng)的做法，就考慮識別模塊的升級，使識別的范圍加大，相應的識別區(qū)抗光條件也做到提升，也可以吧識別系統(tǒng)從顏色識別升級到圖像識別，這樣就可以改善識別區(qū)過小，識別受限的缺點。然后還有其他功能的改善，本來計劃上的紅外線識別開蓋，和紫外線殺毒，紫外線殺毒區(qū)域材料的改進這些都可以繼續(xù)添加，使該產(chǎn)品更加貼合市場。參考文獻[1]任天威.基于stm32微處理器的顏色采集與分析[D].黑龍江大學,2015.[2]李靜,梁鵬超.基于TCS230傳感器的顏色識別系統(tǒng)設計[J].計算機與數(shù)字工程,2017,45(05):984-987.[3]禪翔,薛鵬,郭煥萍.基于Arduino的智能分類垃圾桶[J].電子世界,2020(04):160-161.[4]劉群銘,王勇,史穎剛.基于STM32的舵機控制器電路設計[J].江蘇科技信息,2019,36(21):54-57.[5]王凱,袁佳偉,吳文明.基于TCS3200傳感器的顏色辨識系統(tǒng)設計[J].數(shù)字技術與應用,2017(05):168-169.[6]遠飛.基于AT89S52單片機的舵機控制系統(tǒng)設計[J].電子元器件應用,2011,13(12):26-28.[7]楊成,邢聰聰,邵帥.基于STC89c52單片機的舵機控制系統(tǒng)設計[J].電子技術與軟件工程,2013(05):53-54.[8]孔憲青.顏色傳感器TCS230在單片機平臺上的應用實現(xiàn)[J].山西電子技術,2012(06):25-26+28.[9]許超,李佳,林軼凡.基于TCS3200的顏色檢測裝置設計及光路優(yōu)化[J].微處理機,2017,38(01):79-82.[10]王亭嶺,王寬方.基于TCS3200D型傳感器的色度分析儀的設計與實現(xiàn)[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),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)ionsbasedonco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