智能語音垃圾箱的設計

錢鋮，翟娟，劉雅棋，徐敏，彭泉

（揚州大學廣陵學院土木電氣工程系，江蘇 揚州 225009）

0 引言

雖然國家長期以來一直倡議保護環境，不隨意亂扔垃圾[1]，但上訴情況仍時有發生，這種傳統的人工開蓋方式正是造成上述情況的原因。雖然現在市場上已有較為成熟的智能垃圾桶[2]，它們可以實現語音播報、采用超聲波或紅外感應技術，當有手或者物體靠近時，自動打開蓋子，但是這些產品存在感應過于敏感或者過于遲鈍[3]的問題，而當有其它物體經過垃圾桶時同樣會被感應到，以致于不必要的開蓋和能耗。本文設計的智能語音垃圾桶以STC89C52單片機為核心，憑借LD3320語音識別芯片和MH-B型傳感器，實現更加精準的自動開蓋，從而達到智能控制和節能減排的效果。

1 系統的總體框架

本文改進的智能語音垃圾桶由單片機系統、人體檢測傳感器模塊、語音識別模塊等核心模塊組成。該系統以STC89C52單片機為控制裝置的核心，當人體檢測模塊中的紅外對管傳感器檢測到人體時，則向LD3320芯片傳輸信號。若LD3320識別出語音，則將語音信號傳輸至單片機，從而控制步進電機進行開蓋，當檢測到人體離開垃圾桶后經3s延時段時間自動關蓋。當垃圾高度達到設定高度時，垃圾檢測模塊中帶有溫度傳感器的US-100超聲波測距將信號傳輸至單片機，單片機接收信號后，控制語音模塊播放報警信號。

系統設計圖如圖1所示：

圖1 智能語音垃圾桶的系統設計圖

2 硬件電路設計

2.1 控制核心模塊

本文選取STC89C52單片機[4]為核心控制元件，其引腳圖如圖2所示：

圖2 STC89C52 引腳圖

2.2 人體檢測傳感器模塊

根據設計要求選取MH-B型紅外距離傳感器模塊，額定工作電壓為3.3V-5V。該模塊包含紅外發射管和接收管，發射管發射一定波長的紅外線，在設定范圍內感應到人體時，模塊的輸出引腳輸出低電平信號。垃圾桶所需的探測距離可通過旋轉電位器按鈕設定參數,同時該傳感器具有調節檢測距離快捷、抗噪聲、安裝使用方便等優點。因此，紅外對管傳感器最適合在本設計的環境下使用。

紅外對管傳感器[5]如圖3所示：

圖3 紅外對管傳感器

當模塊在有效探測范圍內檢測到障礙物時，模塊綠燈亮起，同時OUT引腳變成低電平。紅外對管傳感器[6]可通過旋轉電位器來設定檢測距離。模塊的VCC引腳連接電源正極，GND引腳連接電源負極[7]，OUT引腳連接LD3320。

電路設計如圖4所示：

圖4 人體紅外檢測電路設計圖

2.3 智能語音識別模塊

LD3320是基于非特定人員的語音識別芯片[8],并集成了一系列與其功能相關的外部電路,包括ADC、DAC、語音輸出接口等,使LD3320無需外接輔助芯片，即可實現語音識別等功能。LD3320芯片[9]設計的外圍電路如圖5所示。

引腳介紹：

D3320——MCU

MIS0——SPI的MISO

MOSI——SPI的MOSI

SCK——SPI的SCK

NSS——SPI的片選

RST——接普通I0口

WR——接普通I0口

IRQ——接外部中斷口

NC——懸空

LD3320模塊硬件連接

MIS0——PA6

OSI——PA7

SCK——PA5

NSS——PA4

RST——PB15

WR——PB13

IRQ——PB12

NC——懸空

圖5 LD3320 電路設計圖

2.4 電機驅動模塊

本設計采用的步進電機型號[10]為28BYJ48-H12,步距角為5.625/64度(外部輸出軸)。因為步進電機有較好控制信號的特點，所以單片機成為步進電機的優良驅動源。隨著科技的進步，軟硬件結合既可以降低整體的復雜度又可以充分發揮硬件的優勢[11]，即通過編程傳輸特定的脈沖以控制步進電機。其展示圖如圖6所示：

圖6 步進電機

若單片機接收到LD3320傳輸的信號，則控制驅動板使信號得到增益從而控制步進電機旋轉。如果檢測到垃圾桶前無人員的存在，則延遲3s,然后反方向旋轉復位至起始位置。自動翻蓋運行流程完畢。驅動電路ULN2003A按序依次與單片機P1口連接，對應輸出到步進電機的ABCD相。步進電機驅動電路設計如圖7：

圖7 電機驅動電路設計圖

2.5 容量探測模塊

當超聲波測距檢測到桶內的剩余容量小于整體容量的1/3時,則發出智能語音提示,提醒更換垃圾袋。本設計選取US-100超聲波測距模塊檢測桶內的剩余容量[12]。利用單片機使超聲測距模塊的Trig/TX引腳接受到一個10us以上的高電平信號,然后模塊向外發出8個頻率40kHz的超聲波脈沖，模塊通過檢測回聲信號,在Echo端輸出一高電平,其持續時間為T,利用T可求得距離。

2.6 語音播報模塊

ISD系列[13]產品常用于語音模塊，比如ISD1820和ISD4004。ISD4004模塊需擴展大量的外圍電路并需要額外單片機進行語音錄制和存儲，增加了電路的復雜度。而ISD1820 具有結構簡單，無復雜尋址功能等優點, 且具有自動節電功能，非常適合用于智能垃圾桶。

3 軟件電路設計

3.1 主程序流程圖

程序工作流程如下:紅外傳感器檢測到有人體存在時，將信號傳輸至語音識別芯片，此時若語音識別芯片檢測到語音，則單片機控制步進電機打開桶蓋，紅外對管器檢測到人員離開后，經3s延時垃圾箱蓋將自動關閉。當US-100超聲波傳感器檢測到垃圾高度超過設定值時，單片機輸出信號使語音模塊報警，當垃圾被清理時停止報警。程序流程如圖8所示：

圖8 主程序流程圖

3.2 自動翻蓋子程序設計

本設計采用的是以單雙八拍方式工作的五線四相步進電機,自動翻蓋的控制:信號輸入則來自檢測人體距離的紅外對管傳感器和語音識別LD3320芯片，接收到以上信號后繼續向步進電機驅動板傳輸信號，由驅動板直接控制步進電機。若有人扔垃圾則檢測1秒后正轉開蓋，人離開后延時3s，反方向旋轉相同角度自動關蓋。通過delay()子程序改變步進電機的轉速，通過設置for循環的次數來設置步進電機的旋轉角度，從而使桶蓋開合處于合適的角度。

4 實物展示

在完成相關硬件軟件設計的基礎上，對基于單片機的智能語音垃圾桶做出實物展示，如圖9所示：

圖9 基于單片機的智能語音垃圾桶實物展示

5 結語

雖然垃圾桶在智能化方向已經初見端倪，但距離理想的形態還有一定的差距。垃圾桶作為人類社會不可缺少的組成部分，必然會朝著“智能化”的方向發展，它將變得更加方便智能，更加衛生、更貼近我們的生活，智能垃圾桶也會普及到家家戶戶。