智能語音垃圾箱的設(shè)計

錢鋮，翟娟，劉雅棋，徐敏，彭泉

（揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院土木電氣工程系，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引言

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

1 系統(tǒng)的總體框架

本文改進(jìn)的智能語音垃圾桶由單片機(jī)系統(tǒng)、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(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制裝置的核心，當(dāng)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(jī)，從而控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開蓋，當(dāng)檢測到人體離開垃圾桶后經(jīng)3s延時段時間自動關(guān)蓋。當(dāng)垃圾高度達(dá)到設(shè)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(jī)，單片機(jī)接收信號后，控制語音模塊播放報警信號。

系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示：

圖1 智能語音垃圾桶的系統(tǒng)設(shè)計圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 控制核心模塊

本文選取STC89C52單片機(jī)[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(jù)設(shè)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(fā)射管和接收管，發(fā)射管發(fā)射一定波長的紅外線，在設(shè)定范圍內(nèi)感應(yīng)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(zhuǎn)電位器按鈕設(shè)定參數(shù),同時該傳感器具有調(diào)節(jié)檢測距離快捷、抗噪聲、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，紅外對管傳感器最適合在本設(shè)計的環(huán)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(dāng)模塊在有效探測范圍內(nèi)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(zhuǎn)電位器來設(shè)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(fù)極[7]，OUT引腳連接LD3320。

電路設(shè)計如圖4所示：

圖4 人體紅外檢測電路設(shè)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(guān)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(shí)現(xiàn)語音識別等功能。LD3320芯片[9]設(shè)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(shè)計圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用的步進(jìn)電機(jī)型號[10]為28BYJ48-H12,步距角為5.625/64度(外部輸出軸)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)有較好控制信號的特點(diǎn)，所以單片機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)良驅(qū)動源。隨著科技的進(jìn)步，軟硬件結(jié)合既可以降低整體的復(fù)雜度又可以充分發(fā)揮硬件的優(yōu)勢[11]，即通過編程傳輸特定的脈沖以控制步進(jìn)電機(jī)。其展示圖如圖6所示：

圖6 步進(jìn)電機(jī)

若單片機(jī)接收到LD3320傳輸?shù)男盘?，則控制驅(qū)動板使信號得到增益從而控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)復(fù)位至起始位置。自動翻蓋運(yùn)行流程完畢。驅(qū)動電路ULN2003A按序依次與單片機(jī)P1口連接，對應(yīng)輸出到步進(jìn)電機(jī)的ABCD相。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計如圖7：

圖7 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計圖

2.5 容量探測模塊

當(dāng)超聲波測距檢測到桶內(nèi)的剩余容量小于整體容量的1/3時,則發(fā)出智能語音提示,提醒更換垃圾袋。本設(shè)計選取US-100超聲波測距模塊檢測桶內(nèi)的剩余容量[12]。利用單片機(jī)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(fā)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(xù)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(chǎn)品常用于語音模塊，比如ISD1820和ISD4004。ISD4004模塊需擴(kuò)展大量的外圍電路并需要額外單片機(jī)進(jìn)行語音錄制和存儲，增加了電路的復(fù)雜度。而ISD1820 具有結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜尋址功能等優(yōu)點(diǎn), 且具有自動節(jié)電功能，非常適合用于智能垃圾桶。

3 軟件電路設(shè)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(jī)控制步進(jìn)電機(jī)打開桶蓋，紅外對管器檢測到人員離開后，經(jīng)3s延時垃圾箱蓋將自動關(guān)閉。當(dāng)US-100超聲波傳感器檢測到垃圾高度超過設(shè)定值時，單片機(jī)輸出信號使語音模塊報警，當(dāng)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(shè)計

本設(shè)計采用的是以單雙八拍方式工作的五線四相步進(jìn)電機(jī),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(xù)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板傳輸信號，由驅(qū)動板直接控制步進(jìn)電機(jī)。若有人扔垃圾則檢測1秒后正轉(zhuǎn)開蓋，人離開后延時3s，反方向旋轉(zhuǎn)相同角度自動關(guān)蓋。通過delay()子程序改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過設(shè)置for循環(huán)的次數(shù)來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而使桶蓋開合處于合適的角度。

4 實(shí)物展示

在完成相關(guān)硬件軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對基于單片機(jī)的智能語音垃圾桶做出實(shí)物展示，如圖9所示：

圖9 基于單片機(jī)的智能語音垃圾桶實(shí)物展示

5 結(jié)語

雖然垃圾桶在智能化方向已經(jīng)初見端倪，但距離理想的形態(tài)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(fā)展，它將變得更加方便智能，更加衛(wèi)生、更貼近我們的生活，智能垃圾桶也會普及到家家戶戶。