摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活和工業(yè)垃圾問(wèn)題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的垃圾處理方式已無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求。因此，文章設(shè)計(jì)了一款智能語(yǔ)音垃圾桶，采用紅外傳感器、步進(jìn)電機(jī)、語(yǔ)音模塊等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能化。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)垃圾桶自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋、垃圾滿載提示、語(yǔ)音播報(bào)等功能，有效提高垃圾處理的效率，保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生，降低人們患病風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到安全、環(huán)保、健康的目的。

關(guān)鍵詞：智能語(yǔ)音垃圾桶；單片機(jī)；人體感應(yīng)；語(yǔ)音模塊

中圖分類號(hào)：X799.3;TP368.1" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人們的生活水平得到了極大的提高，但同時(shí)也生產(chǎn)了大量的生活和工業(yè)垃圾。如何有效地處理和管理這些垃圾，成了當(dāng)前社會(huì)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的垃圾處理方式往往存在效率低下、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求。通過(guò)調(diào)研和研究發(fā)現(xiàn)，特別是在商業(yè)、辦公區(qū)域以及居民家中，經(jīng)常出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）由于垃圾桶密封不嚴(yán)導(dǎo)致病菌和寄生蟲(chóng)滋生進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的垃圾異味，尤其是在大部分鄉(xiāng)村地區(qū)，對(duì)公眾健康和城市形象都構(gòu)成了威脅。（2）目前，垃圾桶的桶蓋因?yàn)闀r(shí)代久遠(yuǎn)而沒(méi)人進(jìn)行清理一般都較為污穢，但人們又不得不用手去揭開(kāi)蓋子，這樣一來(lái)不但加大了罹患各類病癥的危險(xiǎn)性而且嚴(yán)重危害著人類的健康［1-3］。

為了解決這些問(wèn)題，本研究開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)了一款新型的智能語(yǔ)音垃圾桶，能夠精準(zhǔn)地辨別周邊是否有人靠近并自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋子，避免異味擴(kuò)散，同時(shí)減少因接觸垃圾桶蓋子而可能引發(fā)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的智能語(yǔ)音垃圾桶主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）自動(dòng)開(kāi)啟功能。當(dāng)有人靠近垃圾桶時(shí)，垃圾桶蓋子自動(dòng)打開(kāi)，并進(jìn)行語(yǔ)音提示，引導(dǎo)用戶進(jìn)行垃圾投放；（2）自動(dòng)關(guān)閉功能。在用戶投放完垃圾后，垃圾桶蓋子自動(dòng)關(guān)閉，保持垃圾桶的整潔和衛(wèi)生；（3）滿桶報(bào)警功能。當(dāng)垃圾桶內(nèi)的垃圾達(dá)到滿載狀態(tài)時(shí)，會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，并通過(guò)語(yǔ)音提示，提示工作人員及時(shí)清理垃圾；（4）滿桶語(yǔ)音提示功能。當(dāng)有人靠近垃圾桶時(shí)，如果桶內(nèi)垃圾已滿，進(jìn)行語(yǔ)音提示，提醒用戶不要繼續(xù)投放垃圾，等待工作人員處理。這些功能的設(shè)計(jì)旨在提高垃圾處理的效率和便利性，減少異味擴(kuò)散和病菌滋生的可能性［4］，同時(shí)保障公眾的健康和城市形象。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 方案總述

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本文所設(shè)計(jì)的智能語(yǔ)音垃圾以單片機(jī)為主控制器，主要由人體檢測(cè)模塊、電源模塊、語(yǔ)音模塊、蜂鳴器、步進(jìn)電機(jī)、指示燈等組成，如圖1所示。

2.2 主控模塊

STC89C52RC是一種具備極低功耗、高性能特征的CMOS8位可編程微控制器。STC89C52采用當(dāng)時(shí)最經(jīng)典的MCS-51單片機(jī)的核心，并且進(jìn)行了一些性能的提升，使該套芯片真正具備了一些傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)所不擁有的一些強(qiáng)大特性。在單核心芯片平臺(tái)基礎(chǔ)上，擁有更為靈巧且高效穩(wěn)定的8位CPU內(nèi)核處理器，能夠在復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)可編程操作的高性能Flash［5-6］，引腳圖如圖2所示。

2.3 人體檢測(cè)模塊

人體檢測(cè)模塊使用FC-51紅外傳感器，同時(shí)擁有一個(gè)紅外線信號(hào)發(fā)送檢測(cè)電路模組和一個(gè)紅外接收測(cè)試光伏發(fā)電二極管。該距離紅外傳感器模塊可實(shí)現(xiàn)直接探查到對(duì)紅外目標(biāo)如人體等物體所能感應(yīng)發(fā)出探測(cè)到距離的紅外線，還可以先采集該紅外線探測(cè)點(diǎn)信號(hào)，再將信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外電信號(hào)，直接予以顯示及輸出。該距離傳感器模塊探測(cè)器和一組微處理器芯片共同組成人體自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示。

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

垃圾桶開(kāi)關(guān)蓋功能采用28BYJ-48型四相八拍步進(jìn)電機(jī)，電壓為DC5 V—DC12 V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它就可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制蓋子開(kāi)關(guān)。每當(dāng)有一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的某一相或者兩相繞組的通電狀態(tài)就會(huì)改變一次，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置ULN2003是一種用于實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電脈沖能量輸出轉(zhuǎn)化為下一個(gè)角位移信號(hào)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。該裝置通過(guò)接收脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定值進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，即“步距角”。同時(shí)，通過(guò)改變電機(jī)控制信號(hào)和脈沖頻率與大小等，可以自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小回轉(zhuǎn)角速度范圍和最大轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，從而控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)速精度，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2.5 語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音模塊使用MP3-TF-16P數(shù)字音頻播放器，是一個(gè)提供串口的MP3模塊，通過(guò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)播放音頻文件，主要由控制電路、存儲(chǔ)器、解碼器、音頻輸出電路等組成。首先錄制好垃圾桶滿的提示語(yǔ)音后，將提示音存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，然后通過(guò)控制電路對(duì)存儲(chǔ)器中的音頻文件進(jìn)行解碼。音頻輸出電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可聽(tīng)的音頻信號(hào)并輸出，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的播放功能，工作電路如圖5所示。

2.6 蜂鳴器

蜂鳴器元件是一種微型電子聲訊發(fā)響器，通過(guò)機(jī)械一體化集成電路技術(shù)制造而成。在開(kāi)發(fā)板上常見(jiàn)的蜂鳴器是直流蜂鳴器和交流脈沖蜂鳴器。直流蜂鳴器（自激式蜂鳴器）只需提供一個(gè)直流電壓，便能持續(xù)發(fā)出警報(bào)聲。而交流脈沖蜂鳴器則需要接收一個(gè)脈沖才能警報(bào)。調(diào)節(jié)蜂鳴器信號(hào)頻率可以使用PWM波，通過(guò)快速切換高低電平方向的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)。因此，利用單片機(jī)控制器中的IO口生成一個(gè)可調(diào)節(jié)高低頻率電平方向的方波，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，電路如圖6所示。

3 軟件編程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在Keil uVision5環(huán)境下進(jìn)行編程和調(diào)試。Keil uVision5提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，可以方便用戶隨時(shí)讀取和調(diào)用。本系統(tǒng)采用C編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，編譯后的代碼將燒錄到開(kāi)發(fā)板，實(shí)現(xiàn)實(shí)物與編程環(huán)境之間的互通，具體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

4 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)程序調(diào)試和燒錄后，本設(shè)計(jì)對(duì)智能語(yǔ)音垃圾桶系統(tǒng)進(jìn)行了功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：（1）當(dāng)有人靠近垃圾桶時(shí)，指示燈點(diǎn)亮，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)自動(dòng)開(kāi)啟" 蓋子，同時(shí)語(yǔ)音模塊播放“請(qǐng)扔垃圾”的語(yǔ)音提示。蓋子開(kāi)啟到位后，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，蓋子保持打開(kāi)狀態(tài)。（2）當(dāng)人離開(kāi)垃圾桶時(shí)，指示燈再次點(diǎn)亮，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)垃圾箱蓋關(guān)閉，關(guān)閉到位后步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，且始終保持關(guān)閉狀態(tài)。（3）當(dāng)垃圾桶內(nèi)垃圾滿時(shí)，指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，同時(shí)語(yǔ)音模塊播放“垃圾桶已滿”的語(yǔ)音提示。（4）當(dāng)有人靠近滿桶的垃圾桶時(shí)，蓋子不會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，語(yǔ)音模塊播放“垃圾桶已滿”的語(yǔ)音提示。（5）清理完桶內(nèi)垃圾后，垃圾桶蓋恢復(fù)正常工作。

基于以上測(cè)試結(jié)果，本文所設(shè)計(jì)的智能語(yǔ)音垃圾桶系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，包括自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉蓋子、滿桶報(bào)警以及相應(yīng)的語(yǔ)音提示等功能。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)有人靠近垃圾桶時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)蓋子并通過(guò)語(yǔ)音提示引導(dǎo)用戶投放垃圾，有效減少了公共場(chǎng)所垃圾散落和異味產(chǎn)生的問(wèn)題。該系統(tǒng)具有較高的智能化程度，通過(guò)單片機(jī)和傳感器控制實(shí)現(xiàn)了垃圾桶蓋子的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，并在垃圾滿載時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警和語(yǔ)音提示，提醒工作人員及時(shí)清理，大大減少了工作人員的工作量并提高了工作效率。該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性和創(chuàng)新性，通過(guò)智能化的控制方式減少了能源浪費(fèi)，并符合現(xiàn)代人對(duì)環(huán)保和科技的需求，具有較高的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法可以應(yīng)用于其他類似場(chǎng)所和設(shè)備中，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考和借鑒。

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Design of a intelligent voice trash bin based on microcontroller

Abstract： "With the development of the economy， the problem of domestic and industrial waste is becoming more and more serious， and the traditional waste disposal methods can no longer meet the needs of modern society. Therefore， this paper designs an intelligent voice bin， using infrared sensors， stepping motors， voice modules and other technical means to achieve the intelligence of the bin. The system can realise the functions of automatic lid opening and closing， rubbish full prompt， voice announcement etc.， which can effectively improve the efficiency of rubbish disposal， protect the environmental hygiene， reduce the risk of people’s illnesses， and realise the purpose of safety， environmental protection and health.

Key words： intelligent voice bin; microcontroller; human body sensor; voice module