基于單片機的智能語音垃圾桶系統設計

摘要：隨著經濟的發展，生活和工業垃圾問題日益嚴重，傳統的垃圾處理方式已無法滿足現代社會的需求。因此，文章設計了一款智能語音垃圾桶，采用紅外傳感器、步進電機、語音模塊等技術手段實現垃圾桶的智能化。該系統可實現垃圾桶自動開關蓋、垃圾滿載提示、語音播報等功能，有效提高垃圾處理的效率，保護環境衛生，降低人們患病風險，達到安全、環保、健康的目的。

關鍵詞：智能語音垃圾桶；單片機；人體感應；語音模塊

中圖分類號：X799.3;TP368.1" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著現代社會的快速發展和城市化進程的推進，人們的生活水平得到了極大的提高，但同時也生產了大量的生活和工業垃圾。如何有效地處理和管理這些垃圾，成了當前社會面臨的一個重要問題。傳統的垃圾處理方式往往存在效率低下、資源浪費等問題，無法滿足現代社會的需求。通過調研和研究發現，特別是在商業、辦公區域以及居民家中，經常出現以下幾個問題：（1）由于垃圾桶密封不嚴導致病菌和寄生蟲滋生進而產生強烈的垃圾異味，尤其是在大部分鄉村地區，對公眾健康和城市形象都構成了威脅。（2）目前，垃圾桶的桶蓋因為時代久遠而沒人進行清理一般都較為污穢，但人們又不得不用手去揭開蓋子，這樣一來不但加大了罹患各類病癥的危險性而且嚴重危害著人類的健康［1-3］。

為了解決這些問題，本研究開發和設計了一款新型的智能語音垃圾桶，能夠精準地辨別周邊是否有人靠近并自動開關蓋子，避免異味擴散，同時減少因接觸垃圾桶蓋子而可能引發疾病的風險。

1 系統功能設計

本研究設計的智能語音垃圾桶主要可以實現以下功能：（1）自動開啟功能。當有人靠近垃圾桶時，垃圾桶蓋子自動打開，并進行語音提示，引導用戶進行垃圾投放；（2）自動關閉功能。在用戶投放完垃圾后，垃圾桶蓋子自動關閉，保持垃圾桶的整潔和衛生；（3）滿桶報警功能。當垃圾桶內的垃圾達到滿載狀態時，會觸發蜂鳴器報警，并通過語音提示，提示工作人員及時清理垃圾；（4）滿桶語音提示功能。當有人靠近垃圾桶時，如果桶內垃圾已滿，進行語音提示，提醒用戶不要繼續投放垃圾，等待工作人員處理。這些功能的設計旨在提高垃圾處理的效率和便利性，減少異味擴散和病菌滋生的可能性［4］，同時保障公眾的健康和城市形象。

2 系統方案設計

2.1 方案總述

為了實現以上功能，本文所設計的智能語音垃圾以單片機為主控制器，主要由人體檢測模塊、電源模塊、語音模塊、蜂鳴器、步進電機、指示燈等組成，如圖1所示。

2.2 主控模塊

STC89C52RC是一種具備極低功耗、高性能特征的CMOS8位可編程微控制器。STC89C52采用當時最經典的MCS-51單片機的核心，并且進行了一些性能的提升，使該套芯片真正具備了一些傳統的51系列單片機所不擁有的一些強大特性。在單核心芯片平臺基礎上，擁有更為靈巧且高效穩定的8位CPU內核處理器，能夠在復雜系統過程中實現可編程操作的高性能Flash［5-6］，引腳圖如圖2所示。

2.3 人體檢測模塊

人體檢測模塊使用FC-51紅外傳感器，同時擁有一個紅外線信號發送檢測電路模組和一個紅外接收測試光伏發電二極管。該距離紅外傳感器模塊可實現直接探查到對紅外目標如人體等物體所能感應發出探測到距離的紅外線，還可以先采集該紅外線探測點信號，再將信號轉換為紅外電信號，直接予以顯示及輸出。該距離傳感器模塊探測器和一組微處理器芯片共同組成人體自動檢測系統，如圖3所示。

2.4 步進電機驅動模塊

垃圾桶開關蓋功能采用28BYJ-48型四相八拍步進電機，電壓為DC5 V—DC12 V。當對步進電機施加一系列連續不斷的控制脈沖時，它就可以通過轉動來控制蓋子開關。每當有一個脈沖信號，步進電機的某一相或者兩相繞組的通電狀態就會改變一次，對應轉子就會轉過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態改變完成一個循環時，轉子會轉動一個齒距。步進電機驅動裝置ULN2003是一種用于實現將步進電脈沖能量輸出轉化為下一個角位移信號驅動的自動控制執行和驅動控制結構。該裝置通過接收脈沖信號，驅動步進電機按設定值進行順時針或逆時針方向轉動，產生旋轉角度信號，即“步距角”。同時，通過改變電機控制信號和脈沖頻率與大小等，可以自動調整電機轉動的最小回轉角速度范圍和最大轉動加速度，從而控制電機旋轉調速精度，步進電機及驅動電路如圖4所示。

2.5 語音模塊設計

語音模塊使用MP3-TF-16P數字音頻播放器，是一個提供串口的MP3模塊，通過將數字信號轉換為模擬信號播放音頻文件，主要由控制電路、存儲器、解碼器、音頻輸出電路等組成。首先錄制好垃圾桶滿的提示語音后，將提示音存儲在存儲器中，然后通過控制電路對存儲器中的音頻文件進行解碼。音頻輸出電路將模擬信號轉換成可聽的音頻信號并輸出，實現語音的播放功能，工作電路如圖5所示。

2.6 蜂鳴器

蜂鳴器元件是一種微型電子聲訊發響器，通過機械一體化集成電路技術制造而成。在開發板上常見的蜂鳴器是直流蜂鳴器和交流脈沖蜂鳴器。直流蜂鳴器（自激式蜂鳴器）只需提供一個直流電壓，便能持續發出警報聲。而交流脈沖蜂鳴器則需要接收一個脈沖才能警報。調節蜂鳴器信號頻率可以使用PWM波，通過快速切換高低電平方向的頻率來實現脈沖信號。因此，利用單片機控制器中的IO口生成一個可調節高低頻率電平方向的方波，從而驅動蜂鳴器發聲，電路如圖6所示。

3 軟件編程設計

本系統在Keil uVision5環境下進行編程和調試。Keil uVision5提供了豐富的庫函數，可以方便用戶隨時讀取和調用。本系統采用C編程語言進行軟件開發，編譯后的代碼將燒錄到開發板，實現實物與編程環境之間的互通，具體設計流程如圖7所示。

4 測試結果

經過程序調試和燒錄后，本設計對智能語音垃圾桶系統進行了功能測試，測試結果如下：（1）當有人靠近垃圾桶時，指示燈點亮，步進電機正轉自動開啟" 蓋子，同時語音模塊播放“請扔垃圾”的語音提示。蓋子開啟到位后，步進電機停轉，蓋子保持打開狀態。（2）當人離開垃圾桶時，指示燈再次點亮，步進電機反轉垃圾箱蓋關閉，關閉到位后步進電機停轉，且始終保持關閉狀態。（3）當垃圾桶內垃圾滿時，指示燈點亮，蜂鳴器開始報警，同時語音模塊播放“垃圾桶已滿”的語音提示。（4）當有人靠近滿桶的垃圾桶時，蓋子不會自動開啟，語音模塊播放“垃圾桶已滿”的語音提示。（5）清理完桶內垃圾后，垃圾桶蓋恢復正常工作。

基于以上測試結果，本文所設計的智能語音垃圾桶系統能夠實現預期的功能，包括自動開啟和關閉蓋子、滿桶報警以及相應的語音提示等功能。

5 結語

當有人靠近垃圾桶時，系統自動打開蓋子并通過語音提示引導用戶投放垃圾，有效減少了公共場所垃圾散落和異味產生的問題。該系統具有較高的智能化程度，通過單片機和傳感器控制實現了垃圾桶蓋子的自動開啟和關閉，并在垃圾滿載時觸發蜂鳴器報警和語音提示，提醒工作人員及時清理，大大減少了工作人員的工作量并提高了工作效率。該系統具有一定的實用性和創新性，通過智能化的控制方式減少了能源浪費，并符合現代人對環保和科技的需求，具有較高的市場前景和應用價值。該系統的設計思路和方法可以應用于其他類似場所和設備中，為相關領域的研究提供參考和借鑒。

參考文獻

［1］周飛宇，王磊，朱恩旭，等.智能垃圾桶控制系統設計［J］.信息記錄材料，2019（5）：10-22.

［2］尤肖肖，孔春香.智能垃圾桶的創新設計［J］.科技資訊，2019（4）：23-29.

［3］白桂峰.基于STC89C52的家用智能垃圾桶設計［J］.自動化與儀表，2019（3）：15-20.

［4］盧莉萍，張曉倩.復雜環境下多傳感器目標識別的數據融合方法［J］.西安電子科技大學學報，2020（4）：31-38.

［5］馬忠梅，張凱，馬巖.單片機的C語言應用程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［6］陳濤.單片機應用及C51程序設計［M］.北京：機械工業大學出版社，2008.

Design of a intelligent voice trash bin based on microcontroller

Abstract： "With the development of the economy， the problem of domestic and industrial waste is becoming more and more serious， and the traditional waste disposal methods can no longer meet the needs of modern society. Therefore， this paper designs an intelligent voice bin， using infrared sensors， stepping motors， voice modules and other technical means to achieve the intelligence of the bin. The system can realise the functions of automatic lid opening and closing， rubbish full prompt， voice announcement etc.， which can effectively improve the efficiency of rubbish disposal， protect the environmental hygiene， reduce the risk of people’s illnesses， and realise the purpose of safety， environmental protection and health.

Key words： intelligent voice bin; microcontroller; human body sensor; voice module