带语音提示的城市智能分类垃圾桶

陈文涛，王宇博，杨二鹏，贾巍（通讯作者）

（湖北文理学院汽车与交通工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

垃圾处理一直都是世界上关注的问题，垃圾问题已经变得相当严峻。中国是世界上最大的垃圾生产国之一，城市已经被垃圾所包围。根据住建部调查表明：中国三分之二以上城市被垃圾包围，四分之一城市已无合适场所堆放垃圾。减少垃圾最有效的方法就是推广垃圾分类。根据目前推广的垃圾分类标准，设计了一种能够带有语音提示，可升降式的智能垃圾桶，能够告知人们垃圾的属性，从垃圾的源头进行控制。

1 总体设计

本设计的智能垃圾分类控制装置，由电源模块、传感器模块、单片机控制模块、OLED 显示屏模块、GPS 和GPRS模块、机械传动模块和电机驱动模块组成。

地上：由四个标明了分类标准的智能垃圾桶及控制装置组成。通过红外感应和距离检测模块，由微处理器控制，实现桶盖的自动开合。桶盖上端装有OLED 屏，通过超声波距离检测、物品类别和重量检测、GPS 传感器模块，把桶内物品的类别和重量、桶内垃圾高度、垃圾桶位置数据，传送到微处理器，再通过语言模块播报和OLED 显示，可以随时反映垃圾桶内部剩余量，让投放者了解垃圾分类的类别，让保洁人员直观了解到桶内情况。

地下：由四个大的垃圾储存箱和一个升降装置组成。由太阳能发电系统和备用电源提供电能，太阳能为主，备用电源为辅，当阴天或者没有太阳时候开启备用电源。当地上垃圾桶满时，通过处理器控制，自动打开地上垃圾桶的下盖，使垃圾全部倒入地下垃圾箱进行储存。可以控制升降系统，使相应的垃圾箱上升至地面来清理垃圾。太阳能发电系统装置，通过降压模块为单片机控制模块提供5V 电压，同时为升降装置提供24V 电压。系统总体原理框图，如图1 所示。

图1 系统总体原理框图

2 控制系统硬件设计

■2.1 单片机控制模块

单片机采用SKEA128 芯片，SKEA128 的内核基于32位ARM Cortex-M0+，功能强大,稳定性好,具有高度可扩展性。该芯片有64 个引脚，为各个传感器提供有足够的引脚且低功耗，2.7～5.5V 供电及优异的EMC/ESD，功能满足项目需求。

■2.2 红外检测模块

红外测距传感器模块：具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当遇到障碍物时，反射回来被接收管接收，通过传感器接口返回到主机，垃圾桶可利用返回信号来识别周围环境的变化。

■2.3 超声波测距模块

超声波测距采用HC-SR04 模块。工作原理是:当微控制器向超声波模块的输入端发送10μs 高脉冲时，微控制器定时器清零。当输出端子 ECHO 为高电平时，定时器开始工作，ECHO 变低时，定时器停止工作。读取定时器的时间，可以计算出桶内的距离。

■2.4 GPS 模块和GPRS 模块

GPS 模块可以定位垃圾桶的位置，采用SkyTra 公司的GPS+北斗双模定位模块S1216，外接有源天线，30 秒内即可定位，模块自带后备电池，可保存星历数据，掉电后半小时以内重新上电，可在几秒内实现定位。

GPRS 模块负责数据传输。采用SIM800C 模块，含有-组TTL 串口,兼容2.85V、3.3V、5V 系统;通过USB-TTL模块。GPRS 模块供电特点是电压低、峰值电流大。模块TTL 带电平转换电路,兼容各种单片机串口，不需要转换直接连接。

■2.5 语音模块

语音模块采用WT588D 语音模块。WT588D 语音芯片是强大的可重复擦除写入的芯片。通过串口控制模式，可以控制语音播放、停止、循环和音量的大小。

■2.6 电源模块

由太阳能发电装置和备用电源组成，太阳能发电装置由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池组组成。阴雨天或者没有太阳时使用备用电源，而备用电源是可以更换充电的。其中太阳能发电为主，备用电源为辅。

■2.7 降压模块

太阳能发电系统输出电压为24V，需降压才能给单片机使用，7805 是线性稳压器，用于输入电压和输出电压差比较大的场合。对比发现采用稳压器LM2596，输入电压3.2V～46V,输出电压1.25V～35V，更能满足性能要求。

■2.8 驱动模块

电机控制采用LR7843MOS 管搭建的 H 桥电路，由 4 个 N 型 MOS 管构成。4 个 MOS 管相当于 4 个开关，采用半桥芯片 IR2104 驱动，IR2104 通过 HO 输出，分别控制全桥驱动电路的上半桥的第一个与第三MOS 管 的导通与关断，而IR2104 的 LO 输出分别控制全桥驱动电路的下半桥第二个与第四个MOS 管的导通与关断，从而达到控制电机转速与正反转的目的。控制系统硬件电路原理图，如图2 所示。

图2 统硬件电路原理图

3 控制系统软件设计

控制系统软件程序为C 语言，在Keil5 软件上进行编写和调试。在整个软件中主要对时钟、串口、I/O 口、PWM 电压、中断进行设置。

软件设计流程：（1）对KEA128 芯片I/O 口进行配置，连接各种传感器，能够实现各种信息的检测；（2）配置定时器。初始化定时器1 数据，编写定时器中断并配置其参数。（3）配置串口，设置对应的波特率，配对好通信协议。将配置好的串口连接HC-05 模块先与串口调试助手进行连接，测试通信的连通性，观察收发数据是否正常。（4）设置电机连接I/O口 的PWM 波。设 定PWM 周期20kHz，调节高低电平分布时间，通过改变占空比，实现对地下垃圾储存箱的自动升降速度控制。（5）设置OLED 显示界面，编写控制功能及其指令，对应到程序中的相关参数显示。（6）测试各个传感器的功能，并观察垃圾桶对应功能实现的状态。

软件程序流程框图，如图3 所示。

图3 软件程序流程框图

4 总结

本设计围绕着垃圾智能分类、处理和投放方面，提出一套可应用于各城市的对于垃圾分类处理难题的解决方案。应用本项目的设计，通过垃圾分类投放管理,可以促进市民对垃圾分类的了解和提高垃圾分类的意识。该方案适用于各大中小城市的垃圾分类系统，可以减少环境污染，节省土地资源，有较好的应用前景。