韋冬林，鄭蕊蕊，常恒瑞，陳浩溥，莊博涵，施宇飛

(大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

0 引言

隨著科學(xué)的進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展，人們?cè)诓牧系氖褂煤拖纳献兊酶宇l繁，各種各樣的新型材料出現(xiàn)在我們的面前，材料的運(yùn)用已經(jīng)逐漸深入各個(gè)領(lǐng)域，而新型材料的問(wèn)世也離不開(kāi)原材料的使用與回收，所以這也是一個(gè)可循環(huán)的產(chǎn)業(yè)。早在1987年的時(shí)候，我國(guó)就提出了可持續(xù)發(fā)展的理論。

當(dāng)今，國(guó)家在大力倡導(dǎo)垃圾分類，目的就是為了更加高效的處理垃圾。本項(xiàng)目以垃圾分類為研究基礎(chǔ)，研究對(duì)象為廢舊材料，該項(xiàng)目的研究也是在走可持續(xù)發(fā)展道路。通過(guò)走訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)很多廢舊材料回收廠的回收效率不高，回收的材料中摻雜不同的雜質(zhì)。如果能把回收效率提高，那么就可以制造出更多的原材料，再通過(guò)這些原材料做出新的物品供人們使用，從而實(shí)現(xiàn)可循環(huán)的功能。因此進(jìn)行廢舊材料的分類具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文研究的垃圾分類控制系統(tǒng)由STM32核心控制器、LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊、ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、ALIENTEK 4.3寸電阻液晶屏模塊、28BYJ-48-5V步進(jìn)電機(jī)組成。利用I2C總線建立STM32與LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。將ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與STM32核心控制器的I/O口連接，通過(guò)STM32核心控制器輸出高低電平驅(qū)動(dòng)ULN2003，ULN2003收到信號(hào)后再驅(qū)動(dòng)28BYJ-48-5V步進(jìn)電機(jī)工作，完成廢舊材料分類工作。同時(shí)，借助液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面、材料屬性、后臺(tái)數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

圖2 實(shí)物圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F407ZGT6單片機(jī)

本設(shè)計(jì)主要用的核心控制器為STM32F407最小系統(tǒng)，芯片型號(hào)為STM32F407ZGT6，采用的是Cortex—M4內(nèi)核，可直接操作寄存器和使用庫(kù)函數(shù)[1]。STM32F4系列的芯片屬于近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的芯片，在運(yùn)算速度上比STM32F1系列的芯片更快更強(qiáng)大，I2C、SPI、SDIO、CAN、TCP/IP等各種通信協(xié)議的串口也比STM32F1的要多[2]，開(kāi)發(fā)板的功能更加齊全，能實(shí)現(xiàn)的功能也更加強(qiáng)大，所以選擇了這款核心控制器。

2.2 LD3320語(yǔ)音模塊

在語(yǔ)音識(shí)別功能上，采用的是LD3320語(yǔ)音模塊，要想實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，必須得讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣茸銐蚩?，所以采用的通信方式是：通過(guò)I2C總線與STM32建立通信，用I2C通信方式的優(yōu)點(diǎn)在于傳輸速度快，傳輸穩(wěn)定，實(shí)時(shí)傳輸語(yǔ)音詞條必須快并且準(zhǔn)[3]。

2.3 ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在進(jìn)行材料分類上采用的是ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。STM32核心控制器接收到LD3320信號(hào)后，根據(jù)詞條信息內(nèi)容，通過(guò)普通I/O口輸出高低電平，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)工作，打開(kāi)材料桶蓋，完成分類工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)上電后，開(kāi)始工作，液晶屏開(kāi)始顯示系統(tǒng)界面。按下K1鍵后，進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別模式;不按下，保持在系統(tǒng)初始界面。進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別模式后，LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊開(kāi)始工作，識(shí)別完畢后，STM32核心控制器根據(jù)返回的信號(hào)驅(qū)動(dòng)ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開(kāi)材料桶蓋，完成材料分類。按下K0鍵后，傳感器停止工作，返回系統(tǒng)初始界面，選擇其他工作方式。流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 LD3320語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互

本次設(shè)計(jì)采用LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊，它主要包括語(yǔ)音識(shí)別芯片和一些其他的附屬電路，能夠方便的與主控芯片進(jìn)行通訊，開(kāi)發(fā)者可以方便的將該模塊嵌入到產(chǎn)品中使用，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互的目的。所以此次設(shè)計(jì)采用LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊[4]。

該模塊初始狀態(tài)沒(méi)有詞條，需要自行在芯片中添加需要的詞條，該模塊有三種工作模式，可以根據(jù)環(huán)境選擇合適的工作模式。工作流程圖如圖4所示。

圖4 語(yǔ)音識(shí)別工作流程圖

3.3 ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)分類功能

如今的社會(huì)在飛速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，這就促進(jìn)了很多新型材料的問(wèn)世，大類材料可以分為：紙、塑料、金屬、橡膠等，再細(xì)分下去就更多了。各行各業(yè)需要的原材料也參差不齊，例如汽車(chē)生產(chǎn)需要各種金屬材料，包裝廠需要紙、塑料、橡膠等材料。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)材料的分類，可以彌補(bǔ)廢舊材料重復(fù)利用率不高的問(wèn)題。

本文控制系統(tǒng)使用的是ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)工作，在完成人機(jī)交互后，單片機(jī)收到相應(yīng)的信號(hào)，處理完后又發(fā)送給ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，完成分類工作[5]。流程圖如圖5所示。

圖5 材料分類工作流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 LD3320語(yǔ)音模塊調(diào)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試后，模式一(循環(huán)模式)，模式二(口令模式)在使用時(shí)比較方便，但周?chē)h(huán)境嘈雜的情況下，循環(huán)模式和口令模式受到噪音的影響比較大，識(shí)別度降低，模式三(按鍵模式)在嘈雜環(huán)境下就可以避免無(wú)法喚醒的現(xiàn)象，但每次都需要按下按鍵喚醒模塊?？紤]到存在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有人員使用垃圾桶的問(wèn)題，再綜合了其他的條件因素，該系統(tǒng)采用了模式三(按鍵模式)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別。

4.2 實(shí)物測(cè)試

經(jīng)過(guò)多次性能測(cè)試后，該系統(tǒng)的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)核心控制器上電后進(jìn)入系統(tǒng)界面。進(jìn)行多次LD3320語(yǔ)音模塊的實(shí)物測(cè)試，按下K1鍵，進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別模式，LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊開(kāi)始工作，此時(shí)對(duì)著傳感器說(shuō)出相應(yīng)的詞條，觸發(fā)LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊工作。

當(dāng)LD3320識(shí)別完詞條后，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳回給STM32核心控制器，接收到的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在液晶屏上。測(cè)試時(shí)，發(fā)出的語(yǔ)音信號(hào)為“廢紙張”，LD3320接收信號(hào)，處理后傳輸給STM32核心控制器，STM32核心控制器接收到信號(hào)后，在顯示屏上顯示的接收數(shù)據(jù)為“廢紙張”，然后傳輸一個(gè)輸出信號(hào)給ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，步進(jìn)電機(jī)工作，打開(kāi)相應(yīng)的材料桶蓋[6]。效果如圖6所示。

圖6 識(shí)別后的顯示效果

綜上測(cè)試結(jié)果，裝置的功能已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)的完成，將會(huì)為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展政策提供巨大的便利。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究一種采用單片機(jī)作為核心控制器，語(yǔ)音識(shí)別傳感器作為信號(hào)輸入，步進(jìn)電機(jī)模塊作為輸出信號(hào)的廢舊材料分類裝置。語(yǔ)音識(shí)別傳感器處理采集詞條信息，步進(jìn)電機(jī)模塊作為驅(qū)動(dòng)裝置完成材料分類，最終將不同的材料分類到相應(yīng)的材料桶里實(shí)現(xiàn)材料分類。種種結(jié)果表明，語(yǔ)音識(shí)別的算法能快速完成語(yǔ)音采集，識(shí)別后能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)模塊快速完成分類工作，投入到市場(chǎng)上具有很高的價(jià)值，該項(xiàng)目為低碳環(huán)保的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為國(guó)家的綠色生態(tài)文明建設(shè)做出貢獻(xiàn)。