基于STM32智能垃圾桶的設(shè)計(jì)

盛慧龍，王玉鵬，王淼，王宇童

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇南京，210000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，普通的垃圾桶已經(jīng)滿足不了當(dāng)今社會(huì)垃圾分類投放的需要，雖然先后出現(xiàn)了開合式垃圾桶和腳踩式垃圾桶，但是電子技術(shù)的飛速發(fā)展已經(jīng)使得它們不再適用于要求垃圾精準(zhǔn)分類投放的社會(huì)。

本產(chǎn)品以STM32F103為主控板，通過紅外傳感器，語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)了垃圾桶的自動(dòng)翻蓋，利用太陽能面板和穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了整個(gè)智能垃圾桶的供電，語音播報(bào)功能可以使人們?cè)谌永耐瑫r(shí)了解該垃圾分類知識(shí)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由單片機(jī)、語音識(shí)別模塊、語音播報(bào)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、太陽能充電模塊以及紅外傳感器組成，其設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能垃圾桶系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6為主控板。LD3320語音識(shí)別模塊主要接收用戶發(fā)出的一級(jí)指令和二級(jí)指令；JQ8400語音模塊播報(bào)用戶所扔垃圾的種類；L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)垃圾桶的舵機(jī)使垃圾桶開蓋和合蓋；太陽能充電模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能；紅外傳感器檢測(cè)是否有人靠近，來判斷垃圾桶的開蓋合蓋。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)主控板

本 設(shè) 計(jì) 采 用 了STM32F103x8系 列 芯 片，圖2是STM32F103x8最小系統(tǒng)板實(shí)圖。與傳統(tǒng)的STC89C52相比具有更快的運(yùn)算能力，使用性能更高，功耗更小等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 STM32F103x8最小系統(tǒng)板實(shí)圖

■2.2 語音識(shí)別模塊

該模塊的型號(hào)是UNV–LD3320。集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。當(dāng)用戶向語音識(shí)別模塊發(fā)出一級(jí)指令時(shí)，該模塊會(huì)被喚醒，并等待接收用戶發(fā)出的二級(jí)指令即垃圾名稱。當(dāng)接收到二級(jí)指令后，會(huì)把信息通過串口通信發(fā)送給單片機(jī)。語音識(shí)別模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 語音識(shí)別模塊電路原理圖

TXD主要用于接收指令，RXD主要用于發(fā)送指令給單片機(jī)的串口。

■2.3 語音播報(bào)模塊

JQ8400語音模塊集成了一個(gè)16位的MCU以及一個(gè)專門針對(duì)音頻解碼的ADSP，采用硬解碼的方式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)。該模塊的電路圖如圖4所示。

圖4 語音播報(bào)模塊電路圖

使用時(shí)，可通過串口或單總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，單片機(jī)將接收到的來自語音識(shí)別模塊的信息轉(zhuǎn)換成播放設(shè)置命令和需要播放的語音編號(hào)并輸入到該模塊，模塊就可以播放對(duì)應(yīng)的音頻文件。

■2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要通過控制舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)垃圾桶的開合蓋，具有控制能力高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。圖5為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

通過改變單片機(jī)輸出的PWM波形達(dá)到控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的效果，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速率，保證了垃圾桶開合蓋過程中的穩(wěn)定性。

■2.5 太陽能充電模塊

圖6為該模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖6 太陽能充電框圖

由3W 6V 500mA多晶硅鋼化玻璃板、可自動(dòng)升降壓穩(wěn)壓器、MPPT鋰電池充電板和18650鋰電池組成。該模塊能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。

■2.6 紅外傳感器

該傳感器模塊的發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線。圖7是紅外傳感器原理圖。

圖7 紅外傳感器原理圖

當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了垃圾桶無接觸式開蓋和判斷人是否離開后合蓋。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 程序流程設(shè)計(jì)

該智能垃圾桶為一鍵式設(shè)計(jì)，只需按下一鍵啟動(dòng)開關(guān)即可全自動(dòng)執(zhí)行，程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

按下一鍵啟動(dòng)開關(guān)后，設(shè)備開始初始化；初始化完成后，語音識(shí)別模塊開始接收一級(jí)指令即喚醒指令，如果識(shí)別成功便開始接收二級(jí)指令；當(dāng)二級(jí)指令識(shí)別成功后會(huì)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的舵機(jī)打開對(duì)應(yīng)垃圾桶。此時(shí)紅外傳感器開始檢測(cè)人是否離開垃圾桶，如果未檢測(cè)到人群便驅(qū)動(dòng)舵機(jī)盒蓋，若檢測(cè)到人則繼續(xù)使桶處于開蓋狀態(tài)。

■3.2 程序設(shè)計(jì)思路

對(duì)于STM32F103主板的程序設(shè)計(jì)來說，可以使用模塊化的編程思想來提高程序的可移植性和易讀性。各個(gè)功能模塊，如語音識(shí)別模塊和語音播報(bào)模塊可以單獨(dú)編程，并用串口實(shí)現(xiàn)與STM32單片機(jī)的通信。

因?yàn)樯婕暗降墓δ茌^多，綜合所有模塊的程序給單片機(jī)并能高速運(yùn)行是重點(diǎn)。為了提高該系統(tǒng)的執(zhí)行速率，需要注意的是：函數(shù)的嵌套調(diào)用不能太多，中斷優(yōu)先級(jí)的分配必須合理，延時(shí)函數(shù)要適當(dāng)使用等。

■3.3 電路設(shè)計(jì)

為了讓智能垃圾桶的電路布局簡(jiǎn)單明了，本項(xiàng)目采用了模塊化電路的布局設(shè)計(jì)，圖9是智能垃圾桶主板電路設(shè)計(jì)。

圖9 智能垃圾桶主板電路設(shè)計(jì)

該主板電路由語音識(shí)別電路、語音播報(bào)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、供電電路所構(gòu)成。圖中JRX和JTX與語音播報(bào)電路相連，LTX和LRX與語音識(shí)別電路相連，PWM1、PWM2、PWM3、PWM4與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相連。這種設(shè)計(jì)能夠很好的對(duì)接模塊化的程序設(shè)計(jì)。便于對(duì)硬件的組裝和程序的修改。

4 機(jī)器調(diào)試

本節(jié)將簡(jiǎn)要說明語音識(shí)別模塊、語音播報(bào)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和紅外傳感器的調(diào)試過程。

■4.1 語音識(shí)別模塊的調(diào)試過程

對(duì)于語音識(shí)別模塊的編程，我們使用的是keil4軟件。考慮到垃圾名稱的繁多，在初期調(diào)試過程中，只引入了部分垃圾的名稱，這樣不僅減少了調(diào)試的出錯(cuò)率，還縮短了調(diào)試時(shí)間。調(diào)試時(shí)使用的串口調(diào)試助手使數(shù)據(jù)可視化。打開串口后，模塊開始接收一級(jí)指令，完成一級(jí)指令的接收后會(huì)進(jìn)入二級(jí)指令接收階段。當(dāng)二級(jí)指令識(shí)別成功后，串口會(huì)發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)給單片機(jī)。

■4.2 語音播報(bào)模塊的調(diào)試過程

語音播報(bào)模塊主要播放用戶所投垃圾的分類信息。在調(diào)試過程中需要用到串口調(diào)試工具和語音合成工具。為了使該模塊播放出來的聲音清晰響亮，需要通過多次的語音合成獲取最理想的音頻。通過不斷的調(diào)試，當(dāng)設(shè)置語速5音量9時(shí)，所播報(bào)出的垃圾分類信息最清晰響亮，能給人們最佳的聽覺效果。

■4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)試過程

將L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與舵機(jī)接好后，通過調(diào)節(jié)單片機(jī)IO口引腳輸出的PWM值來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。當(dāng)開合蓋不會(huì)影響垃圾桶的穩(wěn)定性時(shí)即達(dá)到調(diào)試效果如表1所示。

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)試結(jié)果

通過上表的多次調(diào)試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)PWM比較值為250時(shí)，垃圾桶開合蓋的效果最好。

■4.4 綜合調(diào)試

在各個(gè)模塊的調(diào)試完成之后，將所有的模塊組裝成一個(gè)整體如圖10所示。

圖10 基于STM32智能垃圾桶

先將STM32焊接在萬用板上，再依次將語音識(shí)讀模塊和語音播報(bào)模塊與STM32相連接，然后將裝有舵機(jī)和紅外傳感器的垃圾桶模型與對(duì)應(yīng)的單片機(jī)IO相連，最后接上可太陽能充電的電源。

當(dāng)按下一鍵啟動(dòng)鍵后，該智能垃圾桶即可接收用戶發(fā)出的語音指令，并播報(bào)對(duì)應(yīng)的垃圾分類信息，同時(shí)安裝在垃圾桶上的舵機(jī)開始旋轉(zhuǎn)使垃圾桶開蓋，當(dāng)傳感器模塊不再檢測(cè)人體靠近時(shí)，舵機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)使垃圾桶合蓋。即實(shí)現(xiàn)了一次精準(zhǔn)的垃圾分類投放。

在模塊調(diào)試與綜合調(diào)試過程中，由于調(diào)試效果較好，顯著提高了垃圾桶的執(zhí)行效率，基本實(shí)現(xiàn)了垃圾桶的智能化。

5 總結(jié)

該文設(shè)計(jì)的智能垃圾桶，既包括語音識(shí)別開蓋功能，又含有人體感應(yīng)開合蓋的功能。不管用戶是選擇在語音指導(dǎo)下投放垃圾，還是直接投放，用戶都能快速精準(zhǔn)的投放垃圾，并學(xué)習(xí)到語音播報(bào)功能推送的垃圾分類知識(shí)。除此之外，該智能垃圾桶的太陽能供電系統(tǒng)使得垃圾桶實(shí)現(xiàn)了零排放，“人走蓋合”的設(shè)計(jì)顯著減少了垃圾對(duì)空氣的影響。不僅傳播了垃圾分類知識(shí)而且緩解了生活垃圾給環(huán)境帶來的壓力，具有良好的發(fā)展前進(jìn)。