智能语音垃圾箱的设计

2021-05-19钱铖翟娟刘雅棋徐敏彭泉

电子元器件与信息技术 2021年2期

钱铖，翟娟，刘雅棋，徐敏，彭泉

（扬州大学广陵学院土木电气工程系，江苏扬州 225009）

0 引言

虽然国家长期以来一直倡议保护环境，不随意乱扔垃圾[1]，但上诉情况仍时有发生，这种传统的人工开盖方式正是造成上述情况的原因。虽然现在市场上已有较为成熟的智能垃圾桶[2]，它们可以实现语音播报、采用超声波或红外感应技术，当有手或者物体靠近时，自动打开盖子，但是这些产品存在感应过于敏感或者过于迟钝[3]的问题，而当有其它物体经过垃圾桶时同样会被感应到，以致于不必要的开盖和能耗。本文设计的智能语音垃圾桶以STC89C52单片机为核心，凭借LD3320语音识别芯片和MH-B型传感器，实现更加精准的自动开盖，从而达到智能控制和节能减排的效果。

1 系统的总体框架

本文改进的智能语音垃圾桶由单片机系统、人体检测传感器模块、语音识别模块等核心模块组成。该系统以STC89C52单片机为控制装置的核心，当人体检测模块中的红外对管传感器检测到人体时，则向LD3320芯片传输信号。若LD3320识别出语音，则将语音信号传输至单片机，从而控制步进电机进行开盖，当检测到人体离开垃圾桶后经3s延时段时间自动关盖。当垃圾高度达到设定高度时，垃圾检测模块中带有温度传感器的US-100超声波测距将信号传输至单片机，单片机接收信号后，控制语音模块播放报警信号。

系统设计图如图1所示：

图1 智能语音垃圾桶的系统设计图

2 硬件电路设计

2.1 控制核心模块

本文选取STC89C52单片机[4]为核心控制元件，其引脚图如图2所示：

图2 STC89C52 引脚图

2.2 人体检测传感器模块

根据设计要求选取MH-B型红外距离传感器模块，额定工作电压为3.3V-5V。该模块包含红外发射管和接收管，发射管发射一定波长的红外线，在设定范围内感应到人体时，模块的输出引脚输出低电平信号。垃圾桶所需的探测距离可通过旋转电位器按钮设定参数,同时该传感器具有调节检测距离快捷、抗噪声、安装使用方便等优点。因此，红外对管传感器最适合在本设计的环境下使用。

红外对管传感器[5]如图3所示：

图3 红外对管传感器

当模块在有效探测范围内检测到障碍物时，模块绿灯亮起，同时OUT引脚变成低电平。红外对管传感器[6]可通过旋转电位器来设定检测距离。模块的VCC引脚连接电源正极，GND引脚连接电源负极[7]，OUT引脚连接LD3320。

电路设计如图4所示：

图4 人体红外检测电路设计图

2.3 智能语音识别模块

LD3320是基于非特定人员的语音识别芯片[8],并集成了一系列与其功能相关的外部电路,包括ADC、DAC、语音输出接口等,使LD3320无需外接辅助芯片，即可实现语音识别等功能。LD3320芯片[9]设计的外围电路如图5所示。

引脚介绍：

D3320——MCU

MIS0——SPI的MISO

MOSI——SPI的MOSI

SCK——SPI的SCK

NSS——SPI的片选

RST——接普通I0口

WR——接普通I0口

IRQ——接外部中断口

NC——悬空

LD3320模块硬件连接

MIS0——PA6

OSI——PA7

SCK——PA5

NSS——PA4

RST——PB15

WR——PB13

IRQ——PB12

NC——悬空

图5 LD3320 电路设计图

2.4 电机驱动模块

本设计采用的步进电机型号[10]为28BYJ48-H12,步距角为5.625/64度(外部输出轴)。因为步进电机有较好控制信号的特点，所以单片机成为步进电机的优良驱动源。随着科技的进步，软硬件结合既可以降低整体的复杂度又可以充分发挥硬件的优势[11]，即通过编程传输特定的脉冲以控制步进电机。其展示图如图6所示：

图6 步进电机

若单片机接收到LD3320传输的信号，则控制驱动板使信号得到增益从而控制步进电机旋转。如果检测到垃圾桶前无人员的存在，则延迟3s,然后反方向旋转复位至起始位置。自动翻盖运行流程完毕。驱动电路ULN2003A按序依次与单片机P1口连接，对应输出到步进电机的ABCD相。步进电机驱动电路设计如图7：

图7 电机驱动电路设计图

2.5 容量探测模块

当超声波测距检测到桶内的剩余容量小于整体容量的1/3时,则发出智能语音提示,提醒更换垃圾袋。本设计选取US-100超声波测距模块检测桶内的剩余容量[12]。利用单片机使超声测距模块的Trig/TX引脚接受到一个10us以上的高电平信号,然后模块向外发出8个频率40kHz的超声波脉冲，模块通过检测回声信号,在Echo端输出一高电平,其持续时间为T,利用T可求得距离。

2.6 语音播报模块

ISD系列[13]产品常用于语音模块，比如ISD1820和ISD4004。ISD4004模块需扩展大量的外围电路并需要额外单片机进行语音录制和存储，增加了电路的复杂度。而ISD1820 具有结构简单，无复杂寻址功能等优点, 且具有自动节电功能，非常适合用于智能垃圾桶。

3 软件电路设计

3.1 主程序流程图

程序工作流程如下:红外传感器检测到有人体存在时，将信号传输至语音识别芯片，此时若语音识别芯片检测到语音，则单片机控制步进电机打开桶盖，红外对管器检测到人员离开后，经3s延时垃圾箱盖将自动关闭。当US-100超声波传感器检测到垃圾高度超过设定值时，单片机输出信号使语音模块报警，当垃圾被清理时停止报警。程序流程如图8所示：

图8 主程序流程图

3.2 自动翻盖子程序设计

本设计采用的是以单双八拍方式工作的五线四相步进电机,自动翻盖的控制:信号输入则来自检测人体距离的红外对管传感器和语音识别LD3320芯片，接收到以上信号后继续向步进电机驱动板传输信号，由驱动板直接控制步进电机。若有人扔垃圾则检测1秒后正转开盖，人离开后延时3s，反方向旋转相同角度自动关盖。通过delay()子程序改变步进电机的转速，通过设置for循环的次数来设置步进电机的旋转角度，从而使桶盖开合处于合适的角度。