一种智能分类垃圾桶研究与设计

孟献仪，刘建华

（徐州和纬信电科技有限公司，江苏徐州，221008）

0 引言

垃圾分类是现在功在当代，利在千秋的大事。但是垃圾的正确分类是一个难题。本设计针对垃圾分类的难点，设计带有语音提示的分类垃圾桶，可以进行语音识别控制，系统根据语音，自动辨别垃圾物属于“可回收物”、“厨余垃圾”、“有害垃圾”、“其他垃圾”这四类中的哪一类，并且自动打开垃圾桶或垃圾箱等收纳容器便于投放，极其方便。使用该系统的人们不需要懂得垃圾如何分类,无操作难度,无误判,在降低了环卫工作强度的同时，也为我们在环境保护的行动中提供了高效有力的支持。分类垃圾桶还引进了智能的语音控制技术以及自动照明、消毒、报警功能。

本文设计的分类垃圾桶，以STC12C5A60S2芯片为系统控制中心，集语音识别、远程通信、太阳能充电和自动开启/关闭垃圾箱盖、补光照明、定时消毒、溢满报警等功能为一体。所设计的分类垃圾桶在使用过程中，可以通过语音收集装置识别垃圾的种类，并通过放音装置播报垃圾种类，语音收集和放音装置都是通过控制STC12C5A60S2驱动语音识别模块HLK-V20检测、分辨使用者所说的语言命令来实现的，识别到具体种类后会自动驱动舵机控制的垃圾桶（箱），供使用者进行投放垃圾。STC12C5A60S2芯片还会通过光线检测模块GX-5和红外测距模块TCRT5000，对当前垃圾桶的光线强度、垃圾物存置状态进行检测，在光线不足或者垃圾物溢满时，自动打开LED灯进行补光照明、启动蜂鸣器声音报警以及WI-FI远程通信ESP8266进行远程提醒，WIFI通信可以通知管理员进行垃圾的及时清理，蜂鸣器声音报警是为了提醒使用者不要再投掷垃圾，两者都是为了保障垃圾桶区域的环境更加整洁干净。同时，设定了在每隔一个小时的循环周期下，驱动消毒泵定时对垃圾桶（箱）进行消毒的功能，研究的这款基于单片机的分类垃圾桶从智能性、人性化等多方面考量，设计出智能化程度高、功能丰富的分类垃圾桶，性价比极高，相信在未来的市场上一定广受青睐。垃圾分类可以让很多资源重复使用，保证工人的效率，节约资源；分担填埋垃圾的压力，避免土地受到严重侵蚀，减少占地；可以使一些垃圾转换为可利用资源，变废为宝；垃圾分类是一种人类文明进步的体现，更是我们人类长久发展的一种策略。

1 系统构成

本装置具有自动模式和手动模式。在自动模式下，能够根据使用者的发音去判断垃圾的种类，通过语音告知使用者垃圾种类的同时，自动打开对应种类的垃圾桶，便利使用者投垃圾的过程。能够根据光照情况自动打开照明灯，每隔1小时定时对垃圾桶进行消毒处理，自动检测垃圾桶内垃圾的溢满情况，当检测到垃圾桶已满时，通过远程通信电路向终端发送信号提醒管理员及时清理垃圾，检测到溢满的同时还能够启动报警电路去提醒路人此时不能再投垃圾。手动模式下，可以通过按键直接打开垃圾桶，垃圾桶的开合无论是自动模式还是手动模式都是通过舵机驱动电路实现的。另外为了保证分类垃圾桶适用更广的使用环境，将供电电源采用太阳能供电实现。图1所示是基于单片机的分类垃圾桶的系统构成图。

图1 分类垃圾桶的系统构成图

2 硬件设计

整个系统的组成是由语音识别电路、远程通信电路、红外溢满检测电路、照明灯电路、舵机驱动电路、继电器电路、报警电路、供电电源电路组成。主控制器采用STC12C5A60S2芯片。下面介绍其中的重点单元电路。

2.1 语音识别模块

语音识别模块可以通过预设词条，采集普通话发音和预设词条进行对比，识别到有相似度大于50%的发音时，则输出对应的预设词条，HLK-V20语音识别模块在20元左右，是一款基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片。HLK-V20芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接辅助的Flash和RAM，即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。并且识别的关键词语列表是可以动态编辑的。编程中只需简单地通过设置芯片的寄存器，把诸如“你好”这样的识别关键词的内容动态地传入芯片中，芯片就可以识别这样设定的关键词语了。从成本和编码代码角度上分析，选择性价比高的HLK-V20语音识别模块作为智能分类垃圾桶的语音识别模块。VCC端口外接+5.0V；GND外接地线；SPK+/SPK-外接喇叭，用于控制语音对话和播放；RX/TX相连接于STC12C5A60S2芯片的串行输入/输出端口P3.0/P3.1(RXD/TXD)，用与主控器与HLK-V20的数据传输。电路如图2所示。

图2 HLK-V20电路设计图

2.2 远程通信电路

装置的通信选择ESP8266，该模组售价10元左右，具有价格实惠，高性能，开发环境便利的优点。在esp8266系列中出于对性能、功耗、价格的考量，选择ESP8266-01作为装置的通信单元。将WI-FI模块ESP8266的RX/TX与STC12C5A60S2的P12/P13相连，为了保证ESP8266模块的安全性，单独接了一个+3.3V的直流电源，电路如图3所示。

图3 通信模块电路设计图

2.3 红外溢满检测电路

当检测到设定距离内有障碍物，即垃圾时，会输出到数据端口一个高电平信号。本装置中对距离的误差要求较低，采用简单的红外测距TCRT5000模块作为检测溢满情况的元器件。TCRT5000有三个端口引线：VCC、GND和输出端口OUT（DO），其输出端口可直接输出被主控器识别的TTL/COMS电平信号，因此在进行TCRT5000模块的电路设计时，只需要将4个分类垃圾桶内的TCRT5000模块的OUT（DO）与STC12C5A60S2的I/O端口P20、P21、P22、P23相连即可。电路如图4所示。

图4 TCRT5000模块电路设计图

2.4 光照强度采集电路

本装置采用GX-5光敏二极管作为光线强度采集电路，相较于光敏电阻，GX-5对光线更加敏感，并且可以直接输出可被主控器直接识别的DO数字开关量，无需转换。GX-5数据I/O端口与STC12C5A60S2的P33端口相连，在光线采集时，在STC12C5A60S2的P33端口输入低电平信号，电路如图5所示。

图5 GX-5光敏二极管模块电路

2.5 主控制器模块

STC12作为一款增强型的8051单片机，Flash刷新速度更快，能耗和抗干扰能力更强，比较传统的51单片机，运行速度达到普通单片机的8-12倍，且定时器也比普通的多了2个，自带PWM功能，并且由于本次设计中要研究的分类垃圾桶设计的功能非常丰富，为了避免性能缺失问题的发生，从性价比和实用性角度进行考量，也秉承支持国货的理念，最终选择了宏晶科技生产的STC12C5A60S2芯片作为分类垃圾桶的主控制器。

3 软件设计

图6是该系统的主程序，涉及多个参数的采集和判断，如语音识别麦克风采集、光照强度采集、红外溢满采集、定时时间采集等。当识别到语音时，判断种类后语音播放当前垃圾的种类并在自动打开对应垃圾桶。当检测到光照太弱时，就自动启动照明灯，为使用者提供便利。当红外传感器检测到垃圾桶满了，一方面会通过WIFI发送消息提醒到管理员手机的app上，提醒管理员及时清理垃圾，另一方面启动蜂鸣报警器，警告使用者不能再倒垃圾了。除此之外，还加入了定时功能，设定每隔1小时对垃圾桶进行消毒处理。

图6 主程序设计流程图

4 小结

经过系统调试，垃圾桶能够准确识别垃圾名称，并自动分辨出具体垃圾种类，播报种类且自动打开对应种类垃圾桶盖，且可以语音控制照明灯的亮灭；可以实时监测垃圾桶的溢满情况；当检测到溢满时，可以通过wifi向管理员的手机app上发送提醒，告知及时清理垃圾；可以定时对垃圾桶进行消毒；当光照不足时，可以自动启动照明灯。需要注意的是，整个设计外设较多，需要对主控的I/O口做好分配，另外，外设的电源要求有5V和3.3V两种，所以需要对电源做好配置。