一种智能分类分拣垃圾桶的设计

李 敏

（山西工程科技职业大学信息工程学院，晋中 030619）

0 引言

随着经济的快速发展，人民生活水平日益提升，垃圾分类和垃圾处理问题逐渐引起社会关注，合理地进行垃圾分类处理，将提高废物管理的效率，保护人类，减少环境污染问题［1］。伴随5G 时代的来临，物联网技术的蓬勃发展，垃圾桶也越来越智能化、个性化，传统的手动翻盖和半开放式系统已无法有效隔离细菌和保护人们。

本设计将语音识别和颜色识别融入垃圾分类分拣系统控制中，借助嵌入式微型传感器检测和收集环境信息，利用无线网络实现远程控制并将结果传输回终端用户，实现环保、人类、计算机三个领域的高效连通［2-3］。通过语音交互实现了人性化的人机操作界面，对家庭生活垃圾分类处理，最大限度实现废物利用，减少处理的垃圾数量［4-5］。

1 系统整体设计

本设计中，智能垃圾桶控制系统主要包括五个模块：主控芯片模块、语音识别模块、颜色识别模块、无线通信模块、执行模块。主控芯片是系统的核心，使系统运行各功能模块执行相应工作；语音识别模块将以麦克风输入语音关键词；颜色识别模块中颜色识别传感器采集颜色信息传输给控制器，利用算法程序转换为电信号，通过电平变化控制对应的指示灯和舵机，进而控制垃圾桶；红外传感器检测垃圾桶装满时，蜂鸣器报警，并通过无线通信模块将信息发送用户端；光线检测模块通过检测光线强弱，来控制垃圾桶的灯光显示［6］。系统硬件结构框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

2 系统硬件设计

本设计以STC89C52 单片机作为处理核心，SU-03T 语音识别模块识别输入的关键词，TCS3200 颜色识别模块识别特定颜色，输入信号通过控制程序处理后识别电信号，并根据程序将信号发送给各执行模块，实现垃圾桶的智能分类分拣。光线检测传感器和红外距离传感器将采集到的数据发送给控制单元，处理后发送给语音模块和光控照明模块，实现光控照明和溢满报警。Wi-Fi 无线通信ESP8266 模块与终端设备相连，可实现无线网络通信，既能够通过APP 输入特定指令控制执行模块，也可远程掌握垃圾桶状态，进行及时处理。系统总体电路如图2所示。

图2 系统总体电路

2.1 主控模块

主控模块采用STC89C52 芯片，具有8 k 字节的闪存，512 字节的RAM，32 位IO 端口线，看门狗定时器，4 KB 内部EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器计数器，六矢量两级中断结构和全双工串行端口。

2.2 语音识别模块电路设计

语音识别模块为了实现智能化，通过人声音控制，可实现垃圾桶的自动关闭和打开，在设计过程中将人类语言中关键词内容，通过数电转换成可被单片机处理的信息［7］。本设计中采用SU-03T语音识别模块，其高精度集成了AD和DA 接口，无需外部闪存和RAM 来实现语音识别和人机交互功能，关键词列表可以动态编辑。通过麦克风采集语言中的相关垃圾名词，通过内部集成的算法，与数据库中的数据进行匹配对比，将匹配的结果通过执行模块做出相应动作：语音模块播报垃圾类别，对应类别垃圾桶的指示灯亮起并打开。语音识别模块电路如图3所示。

图3 语音识别模块电路

2.3 颜色识别模块电路设计

颜色识别模块采用TCS3200，该颜色识别模块集成大量光学传感器，每个传感器都有四个不同的滤光片：红、绿、蓝和透明。六个彩色滤光片中的每一个都被平均排列，以抵消色移位置上的颜色成分，内置的振荡器发出一个方波，其频率与所选光线的强度成正比［8］。色彩检测基于“三原色检测”原理，从构成不同颜色的三原色的数值中确定被控制物体的颜色。颜色检测模块的电路设计如图4所示。

图4 颜色检测模块电路设计

2.4 无线通信模块电路设计

本设计中采用ESP8266 Wi-Fi 模块实现无线通信，该模块上所搭载的芯片有强大的处理和存储能力，可应用于不同方案中的无线通信设计，在初始设置和操作过程中最大限度地减少系统资源。ESP8266 主要集成在芯片上，包括用于天线切换的平衡器和用于电源管理的转换器，由于高度的片上集成，资源需求是最小的，在电路板上占用最小的空间，利于整体设计［9］。ESP8266Wi-Fi模块电路如图5所示。

图5 无线通信模块电路设计

2.5 语音模块电路设计

本设计采用WT588D 语音模块进行语音反馈与输出。当输入指令打开或关闭对应垃圾桶时，语音模块会进行播报；并且垃圾桶溢满时，会提醒倾倒垃圾，体现人性化设计。语音播报模块的电路设计如图6所示。

图6 语音模块原理图

2.6 溢满检测电路设计

垃圾溢满检测设计中采用TCRT5000红外距离模块，根据发射的红外线反射情况检测物体出现范围，本设计使用四个TCRT5000作为垃圾桶的溢满检测模块，分别位于垃圾桶四个角度，极大程度减少错检情况。溢满检测电路如图7所示。

图7 溢满检测电路

2.7 光线检测模块

设计中使用光敏电阻GX-5 来检测环境的光照强度，当光照强度不足时模块输出高电平，单片机P33 接口接收到信号后控制照明灯点亮。光线检测电路设计如图8所示。

图8 光线检测电路

3 系统软件设计

系统软件设计采用模块化设计思路，由主程序和子程序构成，将每个特定的功能分成不同模块。智能分类分拣垃圾桶的程序由主程序以及语音识别、颜色识别、无线通信、舵机驱动等子程序构成。

3.1 系统主程序设计

主程序在运行时首先需要对两个主要的串口进行初始化，然后接收语音识别、颜色识别、无线通信向串口发送的数据，判断是否打开相应的垃圾桶，再由舵机执行垃圾桶开盖程序。程序执行开始后，首先进行初始化，然后开始读取串口2和串口3的数据。串口3收到数据时，判断识别类型。若为语音识别则根据垃圾名称判断垃圾的类别；若为颜色识别则根据垃圾袋的颜色来判断垃圾种类，然后执行垃圾桶开盖程序，并进行关盖倒计时。串口2 收到数据时，判断遥控指令进而进行垃圾桶开/关盖程序。再通过延时判断，是否关闭垃圾桶盖。满足条件则垃圾桶盖关闭，不满足则判断垃圾桶是否溢满。垃圾溢满语音模块会进行播报提醒，并发送溢满信息返回串口；若垃圾没有溢满则直接返回串口。系统主程序设计如图9所示。

图9 系统主程序设计

3.2 识别系统子程序设计

识别系统子程序设计首先对端口进行初始化，然后通过读取串口数据（即根据颜色模块和语音模块进行信息采集）作出判断：收到数据时，读取指令判断数据类型，若存在相符指令则打开对应的垃圾桶盖，然后返回重新读取串口数据；若没有对应数据则直接重新读取串口数据。若没有收到数据，则缓存清零，返回重新读取串口数据。识别系统程序设计图如图10所示。

图10 识别系统程序设计

3.3 舵机驱动子程序设计

舵机驱动用于控制垃圾桶盖开合，要打开垃圾桶盖，需将舵机旋转到0°，发出一个占空比为1.5 ms 的控制脉冲；关闭时需旋转到-90°，发出一个占空比为0.5 ms 的控制脉冲。舵机驱动程序设计如图11所示。

图11 舵机驱动程序设计

3.4 系统测试

系统整体设计完成，为保证设计功能有效实现，分别对语音识别模块、颜色识别模块、语音播报功能、Wi-Fi 通信功能等进行系统测试。将系统接上5 V电源，系统开始工作，并进行“欢迎使用分类垃圾桶”语音播报。使用颜色识别时，首先进行白平衡调节，通过人体检测模块判断有人使用，之后识别颜色打开对应垃圾桶。光控照明模块会在光线不足时，自动开启灯光照明。垃圾满的时候语音提醒“垃圾已满，请及时清理”通过Wi-Fi无线通信向手机发送信息，手机通过APP遥控发送指令，对应指令控制垃圾桶开合。设计实物展示如图12所示。

图12 智能垃圾桶实物展示

4 结语

本设计采用51 系列单片机作为智能分类分拣垃圾桶的主控制芯片，通过外围电路的各种模块与传感器使垃圾桶具备了语音识别和颜色识别功能，方便了生活垃圾的分类分拣。智能化分类分拣垃圾桶的设计，在响应国家垃圾分类，多举措提升生活质量的同时，也使用户感受到智能化所带来的便捷［10］。