基于语音识别的多功能智能型塑料垃圾桶设计

张文武，顾涓涓，王双双

(合肥学院 生物食品与环境学院，安徽 合肥 230000)

1 引言

目前家庭生活中常见的垃圾桶可分为敞口式、手动有盖式和脚踏有盖式3种，其中敞口式虽然方便，但是很不卫生，时而有刺激性气体产生；手动和脚踏两种虽然有盖子，能够阻隔气味，但是扔垃圾时手动按钮或者脚踏开关也不卫生，且容易损坏。故本文采用语音识别技术，通过说出垃圾名称，然后与系统初设置的家庭常见垃圾库匹配，最后识别出垃圾种类，打开对应垃圾桶盖。不仅实现了垃圾自动分类，还解决了卫生问题。

2 系统方案设计

该多功能智能语音垃圾桶由STM32F103C8T6单片机最小系统、LD3320语音识别电路、智能显示模块、声光报警模块、压力感应模块、HC-SR04超声波测距模块、电机驱动模块以及电源模块构成。系统原理框图，如图1所示。用户需要扔垃圾时，说出唤醒词比如“小爱”，该智能垃圾桶会反馈“你好” ，防止干扰语音影响程序运行；然后用户说出垃圾名字，该智能垃圾桶会自动打开相应垃圾桶盖，8s后自动关闭。同时，桶满也会做出相应警报，提醒用户及时清理，防止液体溢出。

图1 多功能智能语音垃圾桶系统原理

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器。其主要优势在于体积小巧轻便，价格和家族其他芯片相比较低，相比8位单片机性能更优。如果设计者会使用STM32系列芯片，可替代方案多，性价比也比较高，对于简单的项目移植性更强，适合诸多嵌入式控制领域的研究与应用。电源模块采用蓄电池供电，也可采用其它更方便的供电方式。

3 硬件系统设计

3.1 单片机最小系统板

本设计采用单片机STM32F103C8T6作为控制核心，具有功耗低，速度快，价格低的优点，能够有效提高系统的分析速度，使系统具有较好的实时性。如图2为单片机的最小系统电路。

4个舵机接线引脚42、43、45、46对应的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4；语音播报模块JQ8400FL-10P接引脚12、13、2对应的Z_M_RX、Z_M_TX、Z_M_BUSY;语音识别模块接线引脚30、31对应的Z_Y_TX、Z_Y_RX; APP/网页端远程控制WIFI模块ESP8266-01接线引脚21、22对应的Z_ESP_RX、Z_ESP_TX。通过程序设计，实现预期要达到的功能。

图2 单片机最小系统

由于家庭垃圾桶放置的位置基本是固定的或者在某个角落周围，所以在移动时可用蓄电池，反之可直接通过适配器接线供电。一个5 V电源适配器，在经过芯片AMS111-3.3转换核心板所需电源3.3 V。如图3所示电源模块电路。

3.2 语音识别电路

语音识别电路是对用户的语音信号进行识别，识别结果是单片机进行电机控制的依据之一。本设计采用LD3320语音识别芯片进行语音识别，它是基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片，通过麦克风把语音信号从芯片的MICP(9脚)和MICN(10脚)输入识别芯片。

如图4语音识别电路。

图3 电源模块电路

图4 语音识别电路

对此，家庭常见垃圾在本设计中进行了分类，写入识别列表。表1所示家庭常见垃圾分类。

表1 家庭常见垃圾分类

3.3 压力感应模块

本设计采用的是电阻应变式称重传感器来测量桶内的垃圾重量，其测量原理如图6所示。首先，待测的垃圾重量W由金属弹性敏感元件转换为金属弹性体的应变值X，紧接着应变值X同步地转换为电阻变化ΔR,最后通过桥式电路将电阻变化ΔR转换为电压变化V，因重量产生的电压信号V经过24位A/D转换器HX711进行模数变换后，达到单片机STM32F103C8T6控制端。当没有垃圾时，电压变化为0；当垃圾越来越多，电压也慢慢增加；重量达到上限值时，系统会声光报警。

图5 电阻应变式称重传感器工作原理

3.4 超声波测距模块

测量剩余空间可用超声波测距技术。超声波测距是一种检测速度快、方便、计算简单以及不受恶劣环境影响的检测技术。本设计采用的是HC-SR04超微型传感器，其模块具有性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小特点。

超声波测距原理如图6所示。

图6 超声波测距原理框图

超微型HC-SR04传感器采用IO口TRIG触发测距，给至少10 μs高电平信号，该传感器自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回，从而测出垃圾剩余高度H，达到上限值时，桶满触发声光报警。

HC-SR04电气参数如表2所示。

表2 HC-SR04电气参数

3.5 电机驱动模块

电机控制电路作用是控制电机关闭或打开。当语音识别模块识别到用户语音信号时，由识别相应关键词，再通过串口发送到STM32端，STM32端接着会发送打开相应垃圾桶盖的指令，8s后，垃圾桶盖自动关闭。翻盖可通过STM32端控制舵机实现。

4 软件系统设计

系统软件可分为主程序和各模块子程序。本设计核心程序是对用户说出的垃圾识别分类，再打开相应垃圾桶盖，同时附有桶满声光报警触发程序。其软件流程图，如图7所示。

图7 多功能智能垃圾桶软件流程

对于垃圾桶满检测，无论是重力测量达到上限值，还是剩余高度达到上限值，都会触发声光报警系统，垃圾桶会自动锁柱，提醒用户及时清理，方便简单又安全卫生。

5 结语

本文介绍了基于核心板STM32F103C8T6和LD3320的多功能智能语音垃圾桶的设计方法。该垃圾桶采用适配器接线供电，也可使用蓄电池供电，可实现自动翻盖、桶满报警功能。同时，LCD显示屏起到显示垃圾剩余容量、时间、天气状况等功能。此款垃圾桶大大提高家用时的方便性，营造出一个温馨舒适的家庭氛围。