帶語音提示的城市智能分類垃圾桶

陳文濤，王宇博，楊二鵬，賈巍（通訊作者）

（湖北文理學院汽車與交通工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

垃圾處理一直都是世界上關注的問題，垃圾問題已經變得相當嚴峻。中國是世界上最大的垃圾生產國之一，城市已經被垃圾所包圍。根據住建部調查表明：中國三分之二以上城市被垃圾包圍，四分之一城市已無合適場所堆放垃圾。減少垃圾最有效的方法就是推廣垃圾分類。根據目前推廣的垃圾分類標準，設計了一種能夠帶有語音提示，可升降式的智能垃圾桶，能夠告知人們垃圾的屬性，從垃圾的源頭進行控制。

1 總體設計

本設計的智能垃圾分類控制裝置，由電源模塊、傳感器模塊、單片機控制模塊、OLED 顯示屏模塊、GPS 和GPRS模塊、機械傳動模塊和電機驅動模塊組成。

地上：由四個標明了分類標準的智能垃圾桶及控制裝置組成。通過紅外感應和距離檢測模塊，由微處理器控制，實現桶蓋的自動開合。桶蓋上端裝有OLED 屏，通過超聲波距離檢測、物品類別和重量檢測、GPS 傳感器模塊，把桶內物品的類別和重量、桶內垃圾高度、垃圾桶位置數據，傳送到微處理器，再通過語言模塊播報和OLED 顯示，可以隨時反映垃圾桶內部剩余量，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情況。

地下：由四個大的垃圾儲存箱和一個升降裝置組成。由太陽能發電系統和備用電源提供電能，太陽能為主，備用電源為輔，當陰天或者沒有太陽時候開啟備用電源。當地上垃圾桶滿時，通過處理器控制，自動打開地上垃圾桶的下蓋，使垃圾全部倒入地下垃圾箱進行儲存。可以控制升降系統，使相應的垃圾箱上升至地面來清理垃圾。太陽能發電系統裝置，通過降壓模塊為單片機控制模塊提供5V 電壓，同時為升降裝置提供24V 電壓。系統總體原理框圖，如圖1 所示。

圖1 系統總體原理框圖

2 控制系統硬件設計

■2.1 單片機控制模塊

單片機采用SKEA128 芯片，SKEA128 的內核基于32位ARM Cortex-M0+，功能強大,穩定性好,具有高度可擴展性。該芯片有64 個引腳，為各個傳感器提供有足夠的引腳且低功耗，2.7～5.5V 供電及優異的EMC/ESD，功能滿足項目需求。

■2.2 紅外檢測模塊

紅外測距傳感器模塊：具有一對紅外信號發射與接收二極管，發射管發射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當遇到障礙物時，反射回來被接收管接收，通過傳感器接口返回到主機，垃圾桶可利用返回信號來識別周圍環境的變化。

■2.3 超聲波測距模塊

超聲波測距采用HC-SR04 模塊。工作原理是:當微控制器向超聲波模塊的輸入端發送10μs 高脈沖時，微控制器定時器清零。當輸出端子 ECHO 為高電平時，定時器開始工作，ECHO 變低時，定時器停止工作。讀取定時器的時間，可以計算出桶內的距離。

■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 秒內即可定位，模塊自帶后備電池，可保存星歷數據，掉電后半小時以內重新上電，可在幾秒內實現定位。

GPRS 模塊負責數據傳輸。采用SIM800C 模塊，含有-組TTL 串口,兼容2.85V、3.3V、5V 系統;通過USB-TTL模塊。GPRS 模塊供電特點是電壓低、峰值電流大。模塊TTL 帶電平轉換電路,兼容各種單片機串口，不需要轉換直接連接。

■2.5 語音模塊

語音模塊采用WT588D 語音模塊。WT588D 語音芯片是強大的可重復擦除寫入的芯片。通過串口控制模式，可以控制語音播放、停止、循環和音量的大小。

■2.6 電源模塊

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

■2.7 降壓模塊

太陽能發電系統輸出電壓為24V，需降壓才能給單片機使用，7805 是線性穩壓器，用于輸入電壓和輸出電壓差比較大的場合。對比發現采用穩壓器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 驅動模塊

電機控制采用LR7843MOS 管搭建的 H 橋電路，由 4 個 N 型 MOS 管構成。4 個 MOS 管相當于 4 個開關，采用半橋芯片 IR2104 驅動，IR2104 通過 HO 輸出，分別控制全橋驅動電路的上半橋的第一個與第三MOS 管 的導通與關斷，而IR2104 的 LO 輸出分別控制全橋驅動電路的下半橋第二個與第四個MOS 管的導通與關斷，從而達到控制電機轉速與正反轉的目的。控制系統硬件電路原理圖，如圖2 所示。

圖2 統硬件電路原理圖

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件程序為C 語言，在Keil5 軟件上進行編寫和調試。在整個軟件中主要對時鐘、串口、I/O 口、PWM 電壓、中斷進行設置。

軟件設計流程：（1）對KEA128 芯片I/O 口進行配置，連接各種傳感器，能夠實現各種信息的檢測；（2）配置定時器。初始化定時器1 數據，編寫定時器中斷并配置其參數。（3）配置串口，設置對應的波特率，配對好通信協議。將配置好的串口連接HC-05 模塊先與串口調試助手進行連接，測試通信的連通性，觀察收發數據是否正常。（4）設置電機連接I/O口 的PWM 波。設 定PWM 周期20kHz，調節高低電平分布時間，通過改變占空比，實現對地下垃圾儲存箱的自動升降速度控制。（5）設置OLED 顯示界面，編寫控制功能及其指令，對應到程序中的相關參數顯示。（6）測試各個傳感器的功能，并觀察垃圾桶對應功能實現的狀態。

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

本設計圍繞著垃圾智能分類、處理和投放方面，提出一套可應用于各城市的對于垃圾分類處理難題的解決方案。應用本項目的設計，通過垃圾分類投放管理,可以促進市民對垃圾分類的了解和提高垃圾分類的意識。該方案適用于各大中小城市的垃圾分類系統，可以減少環境污染，節省土地資源，有較好的應用前景。