基于Arduino智能垃圾桶分類的設計與實現

摘要：系統以Aduino LU-ASR01單片機為核心單元，語音模塊、紅外傳感器模塊、舵機模塊、電源模塊等為主要組成部件。傳感器模塊可以檢測是否有障礙物靠近，當有障礙物靠近時，在發射紅外線的同時，垃圾桶自動開蓋并語音提示，利用語音識別模塊進行各種垃圾的識別和分類，舵機模塊主要功能是控制垃圾桶蓋的開關狀態。該系統在為人們提供方便的同時，減少了環境污染。

關鍵詞：Arduino LU-ASR01單片機；語音模塊；舵機；垃圾桶；語音識別

一、前言

隨著人們生活水平的提高，生活垃圾也隨之增加，而垃圾混投、錯投導致垃圾桶周圍出現臟和腐臭等問題。同時，人投放垃圾時與垃圾桶直接接觸，影響健康，特別是在醫院等特殊場所，垃圾桶手動或半開放式加速了細菌的傳播。隨著物聯網技術的發展，智能垃圾桶將實現垃圾的有效分類，解決了垃圾桶難以封口，垃圾得不到及時處理等問題，這對提高垃圾回收率、養成居民分類投放垃圾的習慣、保護生態環境都起到一定的作用。

二、系統總體框架

智能垃圾桶系統整體框架如圖1所示，該系統以單片機為核心。通過紅外檢測模塊，當人距垃圾桶一定距離時，舵機控制電路運轉將垃圾桶開蓋，語音提示模塊語音播報“垃圾分類”；檢測模塊檢測到垃圾已滿時，語音提示模塊語音播報“垃圾溢滿報警”。

三、系統硬件設計

（一）舵機模塊

舵機采用SG90，舵機工作原理如圖2所示，該舵機由直流電機、減速齒輪、角度傳感器和控制電路板組成一個閉環控制系統。當來自單片機的PWM信號接入到控制電路時，直流電機帶動減速齒輪組的轉動，從而引起角度傳感器轉動，傳感器產生的信號反饋給控制電路板來控制垃圾桶開蓋。在舵機中直流電機為齒輪組提供充足的馬力，齒輪的轉動越快，電機的輸出動力也就越大。

（二）紅外檢測模塊

紅外檢測模塊由一對紅外對管和比較器LM393構成，如圖３所示，其中紅外對管由紅外發射管和紅外接收管組成。當紅外發射管發出的紅外線遇到人時，紅外線反射會被接收管接收，經過LM393，輸出端與單片機連接控制垃圾桶的開關，垃圾桶溢滿檢測采用同樣的紅外檢測模塊。

（三）語音識別模塊

語音識別技術是對語音信號處理和特征模式識別的一種技術[1]，它是信息化社會向著智能化與自動化發展的關鍵技術，使得人們在對信息的處理和提取時更加方便，快捷。模塊主要由語音信號預處理、特征提取、模式匹配、模型庫組成。基本結構如圖4所示，輸入的語音信號需經過預處理，目的是為了剔除語音中不必要的冗余信息，提高識別的準確率。經過預處理的語音信號需要經過特征提取，提取得到的重要特征與模型庫中的模型進行模式匹配得到最終識別出的信息。其中模型庫中模型是預先訓練好的，匹配要按照一定的準則進行，尋找一組與識別模型匹配度最高的模板，通過語音識別的算法和查表計算機就可以識別出結果。

（四）穩壓電路模塊

穩定電壓是一個恒定值，為系統電路提供了保障。穩壓電路如圖5所示，單片機電源模塊的芯片為L7805CV ，內部屬于一個三端穩壓器，引腳分別為1、2、3。連接電源，經過整流、濾波后的外部直流電壓9v從引腳1進入穩壓器，經過穩壓器內部工作處理后，有引腳2和3輸出穩定的5v電壓給單片機系統。

四、軟件設計

（一）系統總體設計

智能垃圾桶軟件設計部分流程如圖6所示，開始將紅外檢測模塊初始化，為了使紅外檢測模塊能正常測距離，設置了200ms的延遲。當系統檢測到有障礙物靠近時自動打開垃圾桶蓋，當檢測到障礙物距離在80cm以內，語音提示模塊語音播報“垃圾分類”；當系統檢測到垃圾桶滿時，語音提示模塊語音播報“垃圾溢滿報警”。

（二）垃圾分類喚醒設計

常見的四種垃圾分類有：可回收垃圾、其他垃圾、廚余垃圾、有害垃圾。當接入電源后，喇叭會第一時間播報“歡迎使用語音識別垃圾分類系統，請用小白小白喚醒我”語音提示，當說出各種垃圾喚醒詞時，相應的垃圾桶會開蓋。常見的四種垃圾分類的喚醒詞如表1所示。

（三）舵機正反轉程序設計

根據系統程序功能設計舵機驅動控制，以達到垃圾箱開蓋與關閉[2]。單片機得到供電，系統開始運行，先觀察舵機是否需要轉動，若有需要就將AB、BC、CD、DA電源實現搖臂正轉，經過3ms延時后搖臂反轉回原來的位置，AB、AD、CD、CB充電即為充電狀態。程序流程如圖7所示。

五、系統測試與總結

將軟件系統和硬件系統連接，調試完成后開始進行測試，當垃圾（紙團）靠近垃圾桶的紅外傳感器時，傳感器輸出提示燈會亮起，舵機正轉90度垃圾桶會自動開蓋，并且伴有語音提示“靠近垃圾桶自動開蓋”[3-4]，經過3ms延時，垃圾桶關閉，測試結果如圖8所示；當垃圾（紙團）達到一定高度時，被傳感器檢測到，舵機正轉90度垃圾桶開蓋，并且伴有語音提示“垃圾溢滿報警”（如圖9所示）；語音識別垃圾分類為可回收垃圾、其他垃圾、廚余垃圾、有害垃圾[5]。通過USB接口接入電源，語音會第一時間播報“歡迎使用語音識別垃圾分類系統[6]，請用小白小白喚醒我”，當說出四種垃圾種類的喚醒詞后，相對應的垃圾桶打開，經過3ms延時關閉（如圖10所示）。

參考文獻

[1]陳卓然，王璇，趙東陽，等.基于單片機的智能垃圾桶設計[J].現代制造技術與裝備，2021（01）：83-84.

[2]史耀軍，王新宇，常瑩.基于設計優化策略的新型城市使用垃圾桶設計研究[J].設計，2021，34（11）：138-141.

[3]鄭振杰，江衍煊，游德智.單片機結合驅動步進電機[J].電機技術，2010（06）：44-46.

[4]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[5]陳鐸，盧元爍，張幽彤.語音控制智能垃圾桶設計[J].電子技術與軟件工程，2022（01）：95-98.

[6]唐國明，王智群.C語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

基金項目：2023年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于ISGW毫米波濾波陣列天線的研究”（課題編號：2023KY0630）

作者單位：河池學院大數據與計算機學院

■ 責任編輯：尚丹