帶語(yǔ)音提示的城市智能分類垃圾桶

陳文濤，王宇博，楊二鵬，賈?。ㄍㄓ嵶髡撸?/p>

（湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

0 引言

垃圾處理一直都是世界上關(guān)注的問題，垃圾問題已經(jīng)變得相當(dāng)嚴(yán)峻。中國(guó)是世界上最大的垃圾生產(chǎn)國(guó)之一，城市已經(jīng)被垃圾所包圍。根據(jù)住建部調(diào)查表明：中國(guó)三分之二以上城市被垃圾包圍，四分之一城市已無合適場(chǎng)所堆放垃圾。減少垃圾最有效的方法就是推廣垃圾分類。根據(jù)目前推廣的垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種能夠帶有語(yǔ)音提示，可升降式的智能垃圾桶，能夠告知人們垃圾的屬性，從垃圾的源頭進(jìn)行控制。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能垃圾分類控制裝置，由電源模塊、傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊、OLED 顯示屏模塊、GPS 和GPRS模塊、機(jī)械傳動(dòng)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。

地上：由四個(gè)標(biāo)明了分類標(biāo)準(zhǔn)的智能垃圾桶及控制裝置組成。通過紅外感應(yīng)和距離檢測(cè)模塊，由微處理器控制，實(shí)現(xiàn)桶蓋的自動(dòng)開合。桶蓋上端裝有OLED 屏，通過超聲波距離檢測(cè)、物品類別和重量檢測(cè)、GPS 傳感器模塊，把桶內(nèi)物品的類別和重量、桶內(nèi)垃圾高度、垃圾桶位置數(shù)據(jù)，傳送到微處理器，再通過語(yǔ)言模塊播報(bào)和OLED 顯示，可以隨時(shí)反映垃圾桶內(nèi)部剩余量，讓投放者了解垃圾分類的類別，讓保潔人員直觀了解到桶內(nèi)情況。

地下：由四個(gè)大的垃圾儲(chǔ)存箱和一個(gè)升降裝置組成。由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和備用電源提供電能，太陽(yáng)能為主，備用電源為輔，當(dāng)陰天或者沒有太陽(yáng)時(shí)候開啟備用電源。當(dāng)?shù)厣侠皾M時(shí)，通過處理器控制，自動(dòng)打開地上垃圾桶的下蓋，使垃圾全部倒入地下垃圾箱進(jìn)行儲(chǔ)存?？梢钥刂粕迪到y(tǒng)，使相應(yīng)的垃圾箱上升至地面來清理垃圾。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)裝置，通過降壓模塊為單片機(jī)控制模塊提供5V 電壓，同時(shí)為升降裝置提供24V 電壓。系統(tǒng)總體原理框圖，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)采用SKEA128 芯片，SKEA128 的內(nèi)核基于32位ARM Cortex-M0+，功能強(qiáng)大,穩(wěn)定性好,具有高度可擴(kuò)展性。該芯片有64 個(gè)引腳，為各個(gè)傳感器提供有足夠的引腳且低功耗，2.7～5.5V 供電及優(yōu)異的EMC/ESD，功能滿足項(xiàng)目需求。

■2.2 紅外檢測(cè)模塊

紅外測(cè)距傳感器模塊：具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，反射回來被接收管接收，通過傳感器接口返回到主機(jī)，垃圾桶可利用返回信號(hào)來識(shí)別周圍環(huán)境的變化。

■2.3 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距采用HC-SR04 模塊。工作原理是:當(dāng)微控制器向超聲波模塊的輸入端發(fā)送10μs 高脈沖時(shí)，微控制器定時(shí)器清零。當(dāng)輸出端子 ECHO 為高電平時(shí)，定時(shí)器開始工作，ECHO 變低時(shí)，定時(shí)器停止工作。讀取定時(shí)器的時(shí)間，可以計(jì)算出桶內(nèi)的距離。

■2.4 GPS 模塊和GPRS 模塊

GPS 模塊可以定位垃圾桶的位置，采用SkyTra 公司的GPS+北斗雙模定位模塊S1216，外接有源天線，30 秒內(nèi)即可定位，模塊自帶后備電池，可保存星歷數(shù)據(jù)，掉電后半小時(shí)以內(nèi)重新上電，可在幾秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。

GPRS 模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。采用SIM800C 模塊，含有-組TTL 串口,兼容2.85V、3.3V、5V 系統(tǒng);通過USB-TTL模塊。GPRS 模塊供電特點(diǎn)是電壓低、峰值電流大。模塊TTL 帶電平轉(zhuǎn)換電路,兼容各種單片機(jī)串口，不需要轉(zhuǎn)換直接連接。

■2.5 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊采用WT588D 語(yǔ)音模塊。WT588D 語(yǔ)音芯片是強(qiáng)大的可重復(fù)擦除寫入的芯片。通過串口控制模式，可以控制語(yǔ)音播放、停止、循環(huán)和音量的大小。

■2.6 電源模塊

由太陽(yáng)能發(fā)電裝置和備用電源組成，太陽(yáng)能發(fā)電裝置由太陽(yáng)能電池組、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組組成。陰雨天或者沒有太陽(yáng)時(shí)使用備用電源，而備用電源是可以更換充電的。其中太陽(yáng)能發(fā)電為主，備用電源為輔。

■2.7 降壓模塊

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓為24V，需降壓才能給單片機(jī)使用，7805 是線性穩(wěn)壓器，用于輸入電壓和輸出電壓差比較大的場(chǎng)合。對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用穩(wěn)壓器LM2596，輸入電壓3.2V～46V,輸出電壓1.25V～35V，更能滿足性能要求。

■2.8 驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)控制采用LR7843MOS 管搭建的 H 橋電路，由 4 個(gè) N 型 MOS 管構(gòu)成。4 個(gè) MOS 管相當(dāng)于 4 個(gè)開關(guān)，采用半橋芯片 IR2104 驅(qū)動(dòng)，IR2104 通過 HO 輸出，分別控制全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋的第一個(gè)與第三MOS 管 的導(dǎo)通與關(guān)斷，而IR2104 的 LO 輸出分別控制全橋驅(qū)動(dòng)電路的下半橋第二個(gè)與第四個(gè)MOS 管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與正反轉(zhuǎn)的目的?？刂葡到y(tǒng)硬件電路原理圖，如圖2 所示。

圖2 統(tǒng)硬件電路原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件程序?yàn)镃 語(yǔ)言，在Keil5 軟件上進(jìn)行編寫和調(diào)試。在整個(gè)軟件中主要對(duì)時(shí)鐘、串口、I/O 口、PWM 電壓、中斷進(jìn)行設(shè)置。

軟件設(shè)計(jì)流程：（1）對(duì)KEA128 芯片I/O 口進(jìn)行配置，連接各種傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)各種信息的檢測(cè)；（2）配置定時(shí)器。初始化定時(shí)器1 數(shù)據(jù)，編寫定時(shí)器中斷并配置其參數(shù)。（3）配置串口，設(shè)置對(duì)應(yīng)的波特率，配對(duì)好通信協(xié)議。將配置好的串口連接HC-05 模塊先與串口調(diào)試助手進(jìn)行連接，測(cè)試通信的連通性，觀察收發(fā)數(shù)據(jù)是否正常。（4）設(shè)置電機(jī)連接I/O口 的PWM 波。設(shè) 定PWM 周期20kHz，調(diào)節(jié)高低電平分布時(shí)間，通過改變占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下垃圾儲(chǔ)存箱的自動(dòng)升降速度控制。（5）設(shè)置OLED 顯示界面，編寫控制功能及其指令，對(duì)應(yīng)到程序中的相關(guān)參數(shù)顯示。（6）測(cè)試各個(gè)傳感器的功能，并觀察垃圾桶對(duì)應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)。

軟件程序流程框圖，如圖3 所示。

圖3 軟件程序流程框圖

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)圍繞著垃圾智能分類、處理和投放方面，提出一套可應(yīng)用于各城市的對(duì)于垃圾分類處理難題的解決方案。應(yīng)用本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，通過垃圾分類投放管理,可以促進(jìn)市民對(duì)垃圾分類的了解和提高垃圾分類的意識(shí)。該方案適用于各大中小城市的垃圾分類系統(tǒng)，可以減少環(huán)境污染，節(jié)省土地資源，有較好的應(yīng)用前景。