孟獻儀，劉建華

（徐州和緯信電科技有限公司，江蘇徐州，221008）

0 引言

垃圾分類是現(xiàn)在功在當(dāng)代，利在千秋的大事。但是垃圾的正確分類是一個難題。本設(shè)計針對垃圾分類的難點，設(shè)計帶有語音提示的分類垃圾桶，可以進行語音識別控制，系統(tǒng)根據(jù)語音，自動辨別垃圾物屬于“可回收物”、“廚余垃圾”、“有害垃圾”、“其他垃圾”這四類中的哪一類，并且自動打開垃圾桶或垃圾箱等收納容器便于投放，極其方便。使用該系統(tǒng)的人們不需要懂得垃圾如何分類,無操作難度,無誤判,在降低了環(huán)衛(wèi)工作強度的同時，也為我們在環(huán)境保護的行動中提供了高效有力的支持。分類垃圾桶還引進了智能的語音控制技術(shù)以及自動照明、消毒、報警功能。

本文設(shè)計的分類垃圾桶，以STC12C5A60S2芯片為系統(tǒng)控制中心，集語音識別、遠程通信、太陽能充電和自動開啟/關(guān)閉垃圾箱蓋、補光照明、定時消毒、溢滿報警等功能為一體。所設(shè)計的分類垃圾桶在使用過程中，可以通過語音收集裝置識別垃圾的種類，并通過放音裝置播報垃圾種類，語音收集和放音裝置都是通過控制STC12C5A60S2驅(qū)動語音識別模塊HLK-V20檢測、分辨使用者所說的語言命令來實現(xiàn)的，識別到具體種類后會自動驅(qū)動舵機控制的垃圾桶（箱），供使用者進行投放垃圾。STC12C5A60S2芯片還會通過光線檢測模塊GX-5和紅外測距模塊TCRT5000，對當(dāng)前垃圾桶的光線強度、垃圾物存置狀態(tài)進行檢測，在光線不足或者垃圾物溢滿時，自動打開LED燈進行補光照明、啟動蜂鳴器聲音報警以及WI-FI遠程通信ESP8266進行遠程提醒，WIFI通信可以通知管理員進行垃圾的及時清理，蜂鳴器聲音報警是為了提醒使用者不要再投擲垃圾，兩者都是為了保障垃圾桶區(qū)域的環(huán)境更加整潔干凈。同時，設(shè)定了在每隔一個小時的循環(huán)周期下，驅(qū)動消毒泵定時對垃圾桶（箱）進行消毒的功能，研究的這款基于單片機的分類垃圾桶從智能性、人性化等多方面考量，設(shè)計出智能化程度高、功能豐富的分類垃圾桶，性價比極高，相信在未來的市場上一定廣受青睞。垃圾分類可以讓很多資源重復(fù)使用，保證工人的效率，節(jié)約資源；分擔(dān)填埋垃圾的壓力，避免土地受到嚴重侵蝕，減少占地；可以使一些垃圾轉(zhuǎn)換為可利用資源，變廢為寶；垃圾分類是一種人類文明進步的體現(xiàn)，更是我們?nèi)祟愰L久發(fā)展的一種策略。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本裝置具有自動模式和手動模式。在自動模式下，能夠根據(jù)使用者的發(fā)音去判斷垃圾的種類，通過語音告知使用者垃圾種類的同時，自動打開對應(yīng)種類的垃圾桶，便利使用者投垃圾的過程。能夠根據(jù)光照情況自動打開照明燈，每隔1小時定時對垃圾桶進行消毒處理，自動檢測垃圾桶內(nèi)垃圾的溢滿情況，當(dāng)檢測到垃圾桶已滿時，通過遠程通信電路向終端發(fā)送信號提醒管理員及時清理垃圾，檢測到溢滿的同時還能夠啟動報警電路去提醒路人此時不能再投垃圾。手動模式下，可以通過按鍵直接打開垃圾桶，垃圾桶的開合無論是自動模式還是手動模式都是通過舵機驅(qū)動電路實現(xiàn)的。另外為了保證分類垃圾桶適用更廣的使用環(huán)境，將供電電源采用太陽能供電實現(xiàn)。圖1所示是基于單片機的分類垃圾桶的系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖1 分類垃圾桶的系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的組成是由語音識別電路、遠程通信電路、紅外溢滿檢測電路、照明燈電路、舵機驅(qū)動電路、繼電器電路、報警電路、供電電源電路組成。主控制器采用STC12C5A60S2芯片。下面介紹其中的重點單元電路。

2.1 語音識別模塊

語音識別模塊可以通過預(yù)設(shè)詞條，采集普通話發(fā)音和預(yù)設(shè)詞條進行對比，識別到有相似度大于50%的發(fā)音時，則輸出對應(yīng)的預(yù)設(shè)詞條，HLK-V20語音識別模塊在20元左右，是一款基于非特定人語音識別技術(shù)的語音識別/聲控芯片。HLK-V20芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，即可以實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。并且識別的關(guān)鍵詞語列表是可以動態(tài)編輯的。編程中只需簡單地通過設(shè)置芯片的寄存器，把諸如“你好”這樣的識別關(guān)鍵詞的內(nèi)容動態(tài)地傳入芯片中，芯片就可以識別這樣設(shè)定的關(guān)鍵詞語了。從成本和編碼代碼角度上分析，選擇性價比高的HLK-V20語音識別模塊作為智能分類垃圾桶的語音識別模塊。VCC端口外接+5.0V；GND外接地線；SPK+/SPK-外接喇叭，用于控制語音對話和播放；RX/TX相連接于STC12C5A60S2芯片的串行輸入/輸出端口P3.0/P3.1(RXD/TXD)，用與主控器與HLK-V20的數(shù)據(jù)傳輸。電路如圖2所示。

圖2 HLK-V20電路設(shè)計圖

2.2 遠程通信電路

裝置的通信選擇ESP8266，該模組售價10元左右，具有價格實惠，高性能，開發(fā)環(huán)境便利的優(yōu)點。在esp8266系列中出于對性能、功耗、價格的考量，選擇ESP8266-01作為裝置的通信單元。將WI-FI模塊ESP8266的RX/TX與STC12C5A60S2的P12/P13相連，為了保證ESP8266模塊的安全性，單獨接了一個+3.3V的直流電源，電路如圖3所示。

圖3 通信模塊電路設(shè)計圖

2.3 紅外溢滿檢測電路

當(dāng)檢測到設(shè)定距離內(nèi)有障礙物，即垃圾時，會輸出到數(shù)據(jù)端口一個高電平信號。本裝置中對距離的誤差要求較低，采用簡單的紅外測距TCRT5000模塊作為檢測溢滿情況的元器件。TCRT5000有三個端口引線：VCC、GND和輸出端口OUT（DO），其輸出端口可直接輸出被主控器識別的TTL/COMS電平信號，因此在進行TCRT5000模塊的電路設(shè)計時，只需要將4個分類垃圾桶內(nèi)的TCRT5000模塊的OUT（DO）與STC12C5A60S2的I/O端口P20、P21、P22、P23相連即可。電路如圖4所示。

圖4 TCRT5000模塊電路設(shè)計圖

2.4 光照強度采集電路

本裝置采用GX-5光敏二極管作為光線強度采集電路，相較于光敏電阻，GX-5對光線更加敏感，并且可以直接輸出可被主控器直接識別的DO數(shù)字開關(guān)量，無需轉(zhuǎn)換。GX-5數(shù)據(jù)I/O端口與STC12C5A60S2的P33端口相連，在光線采集時，在STC12C5A60S2的P33端口輸入低電平信號，電路如圖5所示。

圖5 GX-5光敏二極管模塊電路

2.5 主控制器模塊

STC12作為一款增強型的8051單片機，F(xiàn)lash刷新速度更快，能耗和抗干擾能力更強，比較傳統(tǒng)的51單片機，運行速度達到普通單片機的8-12倍，且定時器也比普通的多了2個，自帶PWM功能，并且由于本次設(shè)計中要研究的分類垃圾桶設(shè)計的功能非常豐富，為了避免性能缺失問題的發(fā)生，從性價比和實用性角度進行考量，也秉承支持國貨的理念，最終選擇了宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2芯片作為分類垃圾桶的主控制器。

3 軟件設(shè)計

圖6是該系統(tǒng)的主程序，涉及多個參數(shù)的采集和判斷，如語音識別麥克風(fēng)采集、光照強度采集、紅外溢滿采集、定時時間采集等。當(dāng)識別到語音時，判斷種類后語音播放當(dāng)前垃圾的種類并在自動打開對應(yīng)垃圾桶。當(dāng)檢測到光照太弱時，就自動啟動照明燈，為使用者提供便利。當(dāng)紅外傳感器檢測到垃圾桶滿了，一方面會通過WIFI發(fā)送消息提醒到管理員手機的app上，提醒管理員及時清理垃圾，另一方面啟動蜂鳴報警器，警告使用者不能再倒垃圾了。除此之外，還加入了定時功能，設(shè)定每隔1小時對垃圾桶進行消毒處理。

圖6 主程序設(shè)計流程圖

4 小結(jié)

經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，垃圾桶能夠準確識別垃圾名稱，并自動分辨出具體垃圾種類，播報種類且自動打開對應(yīng)種類垃圾桶蓋，且可以語音控制照明燈的亮滅；可以實時監(jiān)測垃圾桶的溢滿情況；當(dāng)檢測到溢滿時，可以通過wifi向管理員的手機app上發(fā)送提醒，告知及時清理垃圾；可以定時對垃圾桶進行消毒；當(dāng)光照不足時，可以自動啟動照明燈。需要注意的是，整個設(shè)計外設(shè)較多，需要對主控的I/O口做好分配，另外，外設(shè)的電源要求有5V和3.3V兩種，所以需要對電源做好配置。