基于單片機的智能語音分類垃圾桶的設計與實現

索忠祥 董香麗

摘要：隨著我國經濟的快速發展和人們消費水平的不斷提高，垃圾產生的數量和種類變得越來越多。本文設計了一種基于STC89C52RC單片機的智能語音分類垃圾桶，本系統由STC89C52RC單片機、LD3320語音識別模塊、HC-SR501人體紅外傳感器模塊、SW-1801P震動開關模塊、SG90舵機模塊、DY-SV17F語音播報模塊和HX711稱重模塊組成，采用了單片機技術、非特定人語音識別技術、傳感器技術和舵機控制技術。

關鍵詞：智能分類垃圾桶;LD3320;非特定人語音識別技術;語音播報

1系統組成

本系統采用單片機作為核心CPU，它的信號輸入源是語音識別模塊、人體感應模塊、稱重模塊和震動模塊。單片機對輸入信號進行處理后，向語音播報模塊和舵機模塊發送相應的控制信號，控制相應模塊開始工作。系統結構如下圖1 所示。

2系統功能

具體功能實現如下：

（1）???? 通過語音識別模塊獲取扔垃圾者口述的語音信息，并且對其中的關鍵字進行識別和匹配，匹配成功后將此信號傳送給單片機，單片機在收到信號后控制語音播報模塊通過喇叭播報垃圾的種類，并且驅使相應垃圾種類的舵機轉動，實現垃圾桶開關蓋。

（2）???? 采用稱重模塊獲取垃圾桶內的重量信息。單片機實時獲取由稱重模塊傳過來的重量信號，當單片機判斷桶內垃圾重量達到預定的閾值時，控制語音播報模塊播報相應的音頻文件，提示垃圾桶滿了。

（3）???? 采用人體感應模塊檢測垃圾桶前是否有人。人體感應模塊檢測到有人時，會產生相應的電壓信號，當單片機獲取到該電壓信號時，控制語音播報模塊播放響應的音頻文件，同時也驅使舵機做開關蓋動作。

（4）???? 采用震動檢測模塊檢測是否產生踢桶的行為。震動檢測模塊檢測到有震動感應產生時，會產生相應的電壓信號，當單片機獲取到該電壓信號時，控制舵機模塊做開關蓋動作。

3系統設計

3.1? 系統硬件設計

3.1.1????? LD3320語音識別模塊

LD3320芯片在通過麥克風接收到用戶的音信息后，首先會將采集到的語音信息轉化成數字信號，并且對數字信號進行分析，獲取這段語音信息在頻率分布上的特征，然后用芯片內部預存的關鍵詞的特征和獲取到的特征進行相似度匹配，匹配成功將最優的一條詞語信息輸出，匹配失敗輸出識別失敗指令。

3.1.2????? 語音播報模塊

根據系統功能設計，DY-SV17F只啟用了前四個I/O口。DY-SV17F未接收到單片機的指令時它的I/O引腳保持高電平信號。當DY-SV17F接受到單片機的指令時，它會控制與單片機相連的I/O口產生不同的高低電平信號，不同的I/O口高低電平組合對應著不同的音頻文件。單片機通過控制與DY-SV17F相連的I/O口組合產生不同的高低電平信號來表示想要播放的音頻文件，DY-SV17F通過外連的揚聲器播放音頻，播放完畢后I/O口會變回為低電平。

3.1.3????? 稱重模塊

（1）???? 壓力傳感器

壓力傳感器具有R1、R2、R3和R4四個電阻應變片。當壓力傳感器收到外力時，會使R1、R2、R3和R4被擠壓或者拉伸發生形變，它們的阻值會因此變大或者變小，產生出不同的電壓值，從而可以將非電量轉化為電量輸出。

（2）???? HX711稱重芯片

壓力傳感器產生電壓信號后通過A通道將電壓信號傳送給HX711芯片，A通道可以將電壓信號增強到128倍，HX711芯片接收到增強的電壓信號后運用電壓轉換重量公式對其進行轉化計算，最后輸出轉化后的值。單片機通過讀取HX711輸出的數據就可以獲取到現在垃圾桶重垃圾的重量。

3.1.4SG90舵機模塊

單片機通過信號線向SG90的控制電路發出控制信號，SG90的控制電路在接收到后首先會讓電機開始工作發生轉動，同時促使齒輪組也開始轉動，將動力傳送到輸出舵盤。舵機內部有一個反饋電位計，當舵盤受到動力轉動時，同時反饋電位計也會轉動，然后輸出電壓信號到控制電路板，代表著當前的位置，從而控制電路板可以確定當前電機的轉速和方向，達到控制的效果。

SG90的控制信號是由單片機發出的PWM信號，它的脈寬0.5ms-2.5ms對應著控制SG90輸出軸轉角0-180度。SG90收到PWM控制信號后會控制它的輸出軸轉動到對應脈寬的角度上，直到它再次收到另一個脈寬的控制信號才會控制轉動輸出軸轉動。

3.2系統軟件設計

主程序對各個模塊進行初始化后，調用子程序控制各個模塊開始工作，子程序將輸出的結果以指令的方式發送到主程序和舵機控制程序。主程序收到由各個子程序發送回來的指令信息后，通過switch語句對其進行循環判斷，判斷完成后再輸出相應的指令到語音播報程序和舵機程序，從而達到播放相應的音頻文件和控制相應的舵機轉動的效果。

4系統測試與結果分析

經過對硬件和軟件的不斷調試，最終達成了系統設計的目標。本次系統設計滿足以下要求：垃圾桶可以實現語音識別垃圾種類功能。扔垃圾者口述垃圾名稱，垃圾桶識別成功后會在1 秒鐘內播報出該垃圾名稱所屬的垃圾種類，并且相應垃圾種類的垃圾桶蓋也會打開和閉合。垃圾桶可以實時檢測桶內垃圾重量，達到閾值時可以會語音預警。當桶內垃圾超過1Kg時，垃圾桶會在1 秒種之內自動語音提示：“主人，垃圾桶滿了”，提示垃圾桶需要清理，同時垃圾桶蓋會自動打開和閉合。垃圾桶可以實現人體感應開蓋功能。當有人在垃圾桶上方10厘米內伸手時，垃圾桶會1 秒種之內語音提示：“主人，有人靠近”，同時垃圾桶蓋會自動打開和閉合。垃圾桶可以實現腳踢垃圾桶開蓋功能。當有人用腳輕踢垃圾桶時，垃圾桶蓋會自動打開和閉合。

5總結

隨著社會的發展和科技的進步，智能語音分類垃圾桶很快便會普及到我們的日常生活中。

本次系統設計的目的是為了提高人們的垃圾分類回收意識和垃圾的回收利用率，從而減少垃圾對環境的污染和人們對資源的浪費，更好的為人們服務。

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作者簡介：

索忠祥，男，物聯網工程16-01，山東協和學院學生;

董香麗（1987-），女，碩士研究生，講師，山東菏澤，研究方向為物聯網應用技術。