语音分类垃圾桶系统的设计 2.docx

语音分类垃圾桶系统的设计 2.docx

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语音分类垃圾桶系统的设计2

学号：

24173500133

南湖学院

毕业综合训练

题目：

语音分类垃圾桶系统的设计

作者

刘波

届别

2017

系别

机械与电子工程系

专业

机械电子工程

指导老师

李锶

职称

高级实验师

完成时间

2021年5月

诚信声明

我声明，所呈交的毕业设计（论文）是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

我承诺，设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

毕业设计（论文）作者签名：

年月日

毕业设计（论文）指导教师签名：

年月日

摘要

根据当今社会对垃圾分类处理不当和人们对垃圾分类知识缺乏的情况，设计了一款可以使用语音便可自动分类的垃圾桶。

该垃圾桶的主控芯片采用STM32F103RCT6作为控制核心。

电路部分主要包括语音识别电路、电源控制电路、压力检测电路、电机驱动电路和LED报警电路等。

机械部分使用SolidWorks进行三维设计，主要包括桶盖部分和桶身部分等。

程序控制部分主要包括语音识别模块子程序、电源控制模块子程序、压力检测模块子程序、电机驱动模块子程序、LED报警模块子程序，通过用户口述单个或多个垃圾名，语音识别模块配合电机驱动模块，实现单个或批量的垃圾识别与分类。

通过对语音分类垃圾桶机械部分和程序控制部分的设计与制作，经过多次测试和调节最终实现了语音分类垃圾桶的预期功能。

关键词:

语音识别；垃圾分类；STM32

Abstract

Accordingtotheimproperhandlingofgarbageclassificationandpeople'slackof

knowledgeofgarbageclassificationintoday'ssociety,agarbagecanthatcanbe

automaticallyclassifiedusingvoicehasbeendesigned.ThemaincontrolchipofthetrashcanusesSTM32F103RCT6asthecontrolcore.Thecircuitpartmainlyincludesvoicerecognitioncircuit,powercontrolcircuit,pressuredetectioncircuit,motordrivecircuitandLEDalarmcircuit.ThemechanicalpartusesSolidWorksforthree-dimensionaldesign,mainlyincludingthelidpartandthebarrelbody.Theprogramcontrolpartmainlyincludesvoicerecognitionmodulesubroutine,powercontrolmodulesubroutine,pressuredetectionmodulesubroutine,motordrivemodulesubroutine,LEDalarmmodulesubroutine,andtheuserdictatessingleormultiplegarbagenames,andthevoicerecognitionmodulecooperateswiththemotorDrivemoduletorealizesingleorbatchgarbageidentificationandclassification.Throughthedesignandproductionofthemechanicalpartandtheprogramcontrolpartofthevoicesortingtrashcan,aftermanytestsandadjustments,theexpectedfunctionofthevoicesortingtrashcanisfinallyrealized.

Keywords:

speechrecognition;garbageclassification;STM32

1绪论

1.1研究背景

传统的垃圾收集模式既是严重地制约了我国环境和社会经济发展的障碍和瓶颈之一,又是导致环境污染和资源不能被再利用的主要因素。

近年来,我国正在加速实施垃圾分类管理制度,当前许多城市都处于垃圾分类政策实施的起始阶段。

垃圾正确的综合分类处置方式管理既是对于各类垃圾资源收集和综合处置这一分类传统模式的一种创新改革,又是一种有效地对于各类垃圾资源进行正确分类和综合处理的一种科学操作方法。

现存的垃圾分类是由人们的自觉,靠人们把一些种类不同的垃圾投放到对应的垃圾桶中。

这种投放方式存在问题,人们对一些垃圾的归类不了解，不知道应该把某种垃圾放入哪一类的垃圾桶内,让人们感到了困惑。

并且,由于使用传统的垃圾桶不免会接碰到垃圾桶内壁、桶内垃圾等脏处,存在了卫生隐患,且换袋、取袋繁琐,与现如今的"科技改变生活"不相符合。

截至2015年,据来自中国环境卫生协会的统计和分析,目前为止我国每年共处理产生约185640000吨的垃圾,焚烧和垃圾填埋共同利用处理了的垃圾约占总量的94%,其中,厨余垃圾的综合垃圾处理尤为严重粗放,我国的日常膳食营养结构和当地居民的日常餐饮生活习惯都会导致垃圾中的富含油脂和水的废物比例高、固体废弃物多、缺少二次利用等处理方法以及垃圾粉碎等垃圾处理,极易污染室内空气、土壤和地下水。

但在实际的日常生活、生产中,垃圾清理分类的贯彻落实和有效执行管理能力很弱,一个重要原因之一就是目前人们对此缺乏正确认识,其次是因为垃圾分类的执行标准和管理操作不规范和配套的垃圾分类配套设施没有及时得到完善。

垃圾分类桶即是由垃圾分类的衍生产品,又是用于进行各类垃圾分类处理的一种必备载体。

根据我国的基本国情，人们对垃圾分类知识的认识不足，往往会导致分类桶垃圾种类的混乱，从来导致各类垃圾混合，可回收的垃圾被污染，导致回收利用率的降低，各类垃圾混合也可以产生有毒物质危害人们的身体健康。

与之国外的分类政策相比，国内明显滞后。

1.2研究意义

随着时代的发展，人们的生活越来越好了。

但生态环境面临的压力也越来越大，城市的垃圾处理制度的不完善，导致了资源的严重浪费。

垃圾分类是垃圾处理作为一个最基本、根据市场经济发展的环节,垃圾分类工艺水平的高低直接影响着其在后端的垃圾处理中所带来的压力和效果。

妥当、有效的垃圾分类方法能够极大地降低后端垃圾处理的成本和压力,提高了可以回收垃圾资源的综合利用率,不仅有效地节约了资源,与此同时也降低了环境的污染,比如说将纸张、塑料、金属、玻璃、有害废物和垃圾等分离后再经过处理,根据焚烧和填埋再处理的各种不可以回收的垃圾数量就大幅降低了,从而也降低了对于空气、土壤及水资源生态环境造成破坏。

所以,普及智能垃圾分类设备很有必要。

但另外,普及智能垃圾分类设备也存有下列众多难题。

1.资金投入多如2015年杭州市的余杭区，政府购买了智能垃圾分类桶分摊到到每家的首次资金投入约为5百元，这表示一个1千户的住宅小区第一次引进设备及服务平台附加费必须花销50万乃至大量，并且这只是是第一年的资金投入，之后每一年每家必须资金投入约30元。

这一价钱在做示范点时是能够接纳的，可是大规模营销推广时还要考虑到，居民是不是想要接纳。

2.实际效果一般垃圾分类的准确率没办法获得确保，很多街道社区或是住宅小区在进行全过程中，垃圾分类准确率没办法做到85%，受制于各个方面要素，选购了智能垃圾分类桶以后，并不可以做到预期目标，乃至比预期目标要差许多。

2.居民积极性不高不管是传统的垃圾分类桶还是智能的垃圾分类桶，都需要居民们乐于参与的心，垃圾分类设立鼓励政策对于一部分居民来说是有诱惑力，可是大部分的居民不在意，虽然有积分奖赏对策，但繁杂的操作步骤让许多到了年龄的居民应用费劲，不肯耗时费力应用智能垃圾分类设备，此外，机器设备经常出现异常，也会造成居民主动性降低。

3.目前垃圾处理的标准不完善或本质上并不具归类标准即便是智能化的垃圾处理装置可以很好地帮助垃圾分类和处理,但假如在运送垃圾时却仍然是混放、混运,也达不到垃圾分类和处理的目标。

有很多无论餐厨的垃圾是否为不可以回收的垃圾，依旧是把垃圾统一压缩后运送垃圾处理场进行填埋，并沒有对归类好的垃圾分开解决，连基本分类运输都做不到。

智能化的垃圾分类处理模式就是为了能够更好地调动和激励社会市民积极参与到生活垃圾的分类工作中,降低了生活垃圾的处理费用,提升了生活垃圾分类处理的效率。

针对以上存在的问题，智能垃圾桶存在成本高、操作过程繁琐、耐用性低，有安全隐患等问题。

因此。

研发一款低耗能、安全耐用、操作简单、功能齐全的垃圾桶是现在乃至未来社会发展的需要。

本课题开发的语音分类垃圾桶系统不仅具备传统垃圾桶的功能，同时也改善了智能垃圾桶的缺点，让语音分类垃圾桶走进人们的生活，提高垃圾的利用率，真正做到可持续发展。

1.3国内外研究动态

语音分类垃圾桶的应用范围十分广泛，主要用来解决城市生活垃圾前端分类问题，现今，对于人们在生活中所能产生的废弃物在源头上实施分类和处置己经成为了环境污染综合治理的过程中越来更重要的一个环节，垃圾桶的种类也逐渐多样化。

在七八十年代的垃圾桶无论是在形状、材料，还是功能结构上，都比较单一，对垃圾分类处理上也比较简单，如大量的垃圾通过焚烧和填埋进行处理对我国的空气、土壤以及丰富地下水资源造成了极大地危。

分类垃圾桶的出现更是有效地减少了铅、汞、镉等有毒物质对环境的污染。

垃圾桶逐渐由传统向美观化、便捷化、多功能化发展。

国内智能垃圾桶的应用和发展与国外相比还是存在着很大的差距,，,因为受到经济的限制、科学技术的发展程度和水平与国民素质等诸多因素的双重影响,我国的智能垃圾桶由于造价低廉、容易被损坏、质量不高,而就传统的智能垃圾桶而言,出现的时间相对较晚,控制也相对比较简单,功能相对比较单一,主要可以分为感应性垃圾桶、太阳能垃圾桶与商业广告垃圾桶。

感应垃圾桶是一种新型的智能垃圾桶，解决了使用者用手直接接触到垃圾桶的桶盖和脚踩之后才可以扔垃圾的问题，极大地减少了与细菌接触的几率,不仅卫生,也抑制了难闻气味的传播。

然而这种垃圾桶的功能还是比较单一,但公众更喜欢使用这种功能简单易操作的垃圾桶。

开关盖这个功能的机械消耗程度相对较高,有很多可以改进的空间。

国家

分类标准

收集方式

主要处理方式

中国

4类

混合收集

高温堆肥，卫生填埋，焚烧

日本

8类518条款

分类收集，定点回收，计量收费

火力发电、填海铺路循环利用

德国

6类

分类收集，计量收费

机械物理稳定化垃圾处理方式

美国

3大类4小类

废弃物处理的公司定时收集，计量收费

填埋，回收，降解

表1国内外垃圾分类对比情况表

从表1可以发现，当前我国对于各类垃圾的收集处理手段基本都已经是采用了混合法来进行垃圾收集。

而混合收集的方面往往会造成环境的污染，资源的严重浪费，违背了我国可持续发展的基本原则。

另外混合收集往往会造成各种垃圾的分类更困难。

名称

功能

适用场所

产地

Tri3垃圾桶

抽屉式结构，自上而下依次回收普通垃圾、塑料垃圾、玻璃垃圾

家居

法国

Leco回收箱

颜色编码系统，回收和存储功能

公共场所，家居

法国

Stack垃圾桶

模块化设计，颜色标识丰富，定制垃圾袋，内置通风系统，侧开式收集方式，体积多样

厨房

伦敦

Risu垃圾桶

双层设计、上层为厨余垃圾，下层为资源垃圾，万向轮方便移动

厨房

日本

Oscar垃圾桶

内置芯片，自动识别进行垃圾分类

家居

美国

表2国外分类垃圾桶设计功能及适用场所

垃圾种类

垃圾特点

设计要点

厨余垃圾

油腻，含水量大，骨骼类残余物较多，一次性餐具混杂

有效的油水分离与回收，干燥，粉碎，自扎口

卫生间垃圾

水溶性强，湿度大，易滋生细菌

干燥，垃圾桶自扎口、自清洁，自扎口

有害垃圾

废电池、废荧光灯管、水银温度计、

过期药品，灯管还有焚烧物等

垃圾袋防破、防腐蚀，自扎口

其他垃圾

危害较小，但无再次利用价值，

二次分类，垃圾袋设计，自扎口

表3国内生活垃圾分类垃圾桶设计要点

高品质的生活带来了许多垃圾的排放，大量的未分类垃圾被不合理的处理造成生态环境污染。

垃圾的合理分类可以提高资源的利用率，这样不仅可以节约能源，同时还能创造一个良好的生活环境。

如表2，外国对垃圾分类处理比较细化，不难看出细化处理可以发挥垃圾本身价值，提高回收的可行性。

与之国内相比，如表3，垃圾分类需要结合国情，结合自身的特点，对垃圾进行细化处理，实现垃圾分类处理进一步的提升。

当前，语音识别垃圾桶系统的研究取的较大的发展，相比于以前传统的垃圾桶拥有了更大的作用，使用者如果清楚所丢垃圾的种类，可以靠红外感应功能，自动打开桶盖丢入垃圾，桶盖自动关闭。

在不清楚所丢垃圾的种类就可以语音唤醒，使用语音识别功能，垃圾桶会自动识别垃圾种类并打开对应桶盖并提醒丢入垃圾，后自动关闭桶盖。

使用简单方便，适用范围广，大大提高了垃圾分类的准确率。

同时带有按键开盖，方便夜间不允许吵闹的场景下使用、方便部分普通话不太标准的用户使用。

1.4研究内容

通过研究语音智能垃圾桶当前的发展状况，现有垃圾桶由于形式单一，设计上存在着缺陷，而导致垃圾分类的公众参与程度不高，主要表现在分类垃圾桶结构仍是传统的开放式或者手动封盖式，用户使用体验较差，卫生条件较糟糕等问题。

语音分类垃圾桶主要研究的一款微机控制技术、电源控制技术、压力检测技术、语音识别技术、电动驱动技术、LED报警技术，对垃圾进行有效分类的智能垃圾桶，通过语音识别用户用普通话说出的关键字，微机控制电机驱动电机开闭桶盖或旋转桶身到对应的分类桶区，垃圾桶箱满则LED常亮并蜂鸣器发出响声提醒用户及时跟换垃圾袋。

2语音分类垃圾桶方案选择

本课题目的是设计一个能语音识别、低能耗且经济实用的智能垃圾桶，因此在设计过程中需要遵循以下要求：

（1）语音识别

语音识别的目的在于引导用户进行垃圾分类，减少垃圾二分类和资源浪费。

（2）低能耗

选择低能耗可以减轻电路的能耗，节能环保是当今社会的主题，促进社会的可持续发展。

在符合语音分类管理的基础上，从元器件的选择和程序优化方面控制能耗，进而节约能源。

（3）经济实用

选择性价比高的元器件、优化流程等方法可以有效减低系统成本，减轻经济压力

2.1控制核心的选择

表2-1控制核心方案的比较

方案的比较

方案一

STC89C52RC是CMOS8位微控制器，增强型8051单片机，片上集成512

字节RAM具有6时钟/机器周期和12时钟/机器周期两种选择。

工作时电

压有两种：

5.5V～3.3V或者3.8V～2.0V，为用户提供了多种选择机会。

STC89C52RC通用I/O口。

方案二

STM32F103RCT6是ST公司推出的Cortex-M3内核32位微处理器。

他的内部资源较STC89C52RC多，基本上接近于计算机的CPU，程序模块化、接口简单，功能、工作速度快，而STC89C51的自身功能少,需要外围元件多,要求对电子熟悉；STM32F103RCT6相对于STC89C52RC，外围接口功能更加强

内核

STM32F103RCT6单片机是ARM公司的M3内核处理器，STC89C52RC是应用上个世纪的51内核，虽然是经过改进的增强型，但是指令集不同，处理速度也差很多。

且前者是32位处理器，后者是8位处理器，速度差很多，处理位宽也差了不少。

主频

STM32F1系列的单片机主频可以达到72M，而STC89系列的主频最高40M。

存储

存储：

STM32F103RCT6内置256K的内部存储器和20K的内存，STC89C52RC内部存储器仅为8K，内存仅仅0.5K，不够存储本系统的逻辑代码。

由表2-1，可知方案二更适合本系统

2.2电源控制方案选择

语音分类垃圾桶需要电源的供应才可以正常的工作，所以在一个区域常会放置多个智能垃圾桶，而每一个智能的垃圾桶都需要有电源供应，这样，不仅需要进行大量的电源布线，而且会消耗大量的电能。

针对上述现有技术存在的问题，本设计提供一种智能垃圾桶节能控制系统及方法，该系统不需要进行电源布线，能有效地节省智能垃圾桶消耗的电能，该方法能智能地控制智能垃圾桶相关模块的通断电动作，从而实现节约能源的目的。

蓄电池负责给整个系统提供电能。

本设计电源控制模块功能框图如下（图2-3）：

图2-3电源控制模块功能框图

充电模块采用TP5100，该芯片电压范围广，使用DC-DC降压方式对电池进行充电，不仅可以使用4.2V电池，也可以使用8.4V电池，充电效率更高，并具有短路保护、欠压保护、电池反接保护，更符合本设计系统。

2.3压力检测方案选择

有关压力传感器有很多种，本系统选择的是最常见的悬臂型称重传感器，这种形式的压力传感器在计量称和磅秤上有广泛应用。

选择了传感器的类型，接下需要设计其配套的硬件电路。

悬臂型称重传感器的主体是弹性体，一般为一个可发生形变的铝块，上下部分贴有电阻应变片，由内部电阻应变片连接而成的惠斯通电桥，将信号线从一端引出。

传感器带线的一端固定，另一端为受力端，被称重物体在受力端上施加作用力使其按照指定方向产线形变，此时悬臂（弹性体）将发生变形，应变片也将跟着变形，受力会拉伸或压缩，应变片的阻值会发生改变，此时组成的惠斯通电桥失去平衡，产生查分信号。

针对这种微小的查分信号，广泛应用于电子秤行业的HX711芯片尤其适合，内部集成了PGA，同时还带一个24位ADC，因此我们选择这款芯片来将传感器信号放大并转换成数字信号。

2.4语音识别方案选择

语音模块采用LD3320为核心的控制芯片，LD3320芯片功能多，在不需要外接芯片即可实现语音识别、控制、人机交流等功能，且不需进行预先的准备，便可使语音的识别成功概率达95%。

因此我们选用这款芯片。

2.5电机驱动方案选择

方案一

开环控制系统

开环控制系统中步进电机转子按照所预定的脉冲信号规律进行转动，脉冲信号和步进电机的转子之间是单向无反馈的控制。

对于不同类型的电机或负载不一样的同类型的步进电机，没有固有的电机速度控制规律可以遵循，因此开环式控制系统对于步进电机的控制性能的提高并非具有良好的通用性

方案二

闭环控制系统

闭环控制主要是指通过对步进电机的转子位置和速度的进行直接或者间接检测，然后经过主控芯片适当的计算反馈处理后，即可得到对电机的转子位置以及对转速的精确控制.

表2-5电机驱动的方案比较

由表2-5可知闭环控制系统的更好的通用性使其应用环境也更为广泛，因此选择方案二。

2.6报警灯方案选择

本系统采用LED报警灯，是因为：

1．环保耐用、安全可靠；

2．耗电少、能源利用率高；

3．亮灯快、体积小

因此LED报警灯最符合本系统应用，

3语音分类垃圾桶的总体设计方案

3.1语音垃圾桶预期功能

根据对垃圾分类的需求分析，语音分类垃圾桶以单片机技术、语音识别技术、压力检测技术、电源控制技术、LED报警技术为依托。

在外观设计上，更加美观。

在功能设计上，更加智能。

具体预期实现功能如下所述：

1.用户声控，实现垃圾桶的开盖、闭盖，实现分类桶的旋转

2.有效压缩桶内垃圾，箱满会触发LED报警装置

3.太阳能和外置电源双供电

3.2设计方案构想

3.3垃圾桶的机械结构设计框架

语音分类垃圾桶主要由垃圾桶身机械结构和垃圾桶盖机械结构二部分组成，垃圾桶身机械结构是本设计的主体部分，用于垃圾的分类和存放。

；垃圾桶盖机械结构负责开盖部分的开盖、箱满报警和太阳能

3.3语音分类垃圾桶的控制部分设计

图3-3语音分类垃圾桶设计方案

根据语音分类垃圾桶的设计功能要求，垃圾桶需要有核心控制单元、箱满检测电路、语音识别电路、电机驱动电路、箱满报警电路及电源电路。

整体设计方案如3-3所示

（1）核心控制器（CPU）

该设计的整体方案以ST公司生产的STM32F103RCT6单片机作为核心控制器。

该单片机是一种嵌入式-微控制器的集成电路（IC），芯体尺寸是32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K。

（2）压力检测电路

以HX711芯片为核心，通过HX711压力检测模块实时检测当前所使用的分类桶垃圾是否达到桶盖处，在桶内垃圾堆积后接触桶盖内侧的压力检测模块时，检测模块开始受到压力并将信号传输至单片机，单片机将该压力值与设定值比较判断分类桶是否已达到箱满，当达到箱满时驱动LED灯常亮。

（3）语音识别电路

以LD3320芯片为核心，对控制语音命令进行识别处理，处理结果通过串口送入主控芯片STM32F103RCT6。

主控芯片通过对于接收自LD3320语音识别芯片的处理结果数据进行分析，对机械驱动部分的电机发出对应操作指令，完成相应的旋转、开盖、闭盖等动作，达到在１m距离外对垃圾桶进行语音识别控制的功能。

（4）电源控制电路

3.3v、5v、9v

采用TP5100芯片。

去布线使安装更便捷，而且降低了环境污染。

内部装有锂电池，当有阳光的时候，可以存储太阳能板发出的电能。

对CPU供给3.3v电压，电压驱动器为9v，其他模块电压均为5v。

（5）电机驱动电路

以TB6600为驱动器，通过串口与主控芯片STM32F103RCT6相连，通过输出改变TB6600控制端电平，驱动电机正、反转动。

（6）LED报警电路

用于在垃圾桶箱满后，接受主控芯片STM32F103RCT6发出的结果，LED灯会常亮报警。

4机械部分设计

4.1垃圾桶的设计

垃圾桶整体模型设计采用SolidWorks三维设计，包括了桶盖部分以及桶身部分。

桶盖部分的开盖部分为120°扇形部分，对应3个分类桶120°桶口，桶盖部分不旋转，开盖部分有一个电机驱动正反转，桶身部分为3个分类区域，桶身中间有电机驱动旋转120°或240°，实现3个不同分类区的转换，采用电机驱动分类桶旋转到对应桶盖口，目的为方面投放者投放，只需对固定开口位置进行投放即可实现对垃圾的分类。

投放垃圾时，用普通话讲出垃圾名，语音识别，垃圾桶盖自动打开，电动机旋转垃圾桶到开盖位置，实现垃圾精准投放。

具体如下图4-1

图4-1与语音垃圾桶设计原理图

4.2垃圾桶整体的设计

语音分类垃圾桶的整体设计需要考虑众多的因素，比如垃圾桶的设计是注重外观还是功能。

把自己目的通过对垃圾桶主体进行设计而体现出来。

首先需要了解垃圾桶整体的布局，垃圾桶的主体为规则的圆柱，上下面圆的直径为400mm的圆形，高470mm，把LED报警灯和蜂鸣器安装在桶盖顶端，开盖部分是120°的扇形，内侧安装压力检测模块，开盖部分利用电机带动连杆进行开闭盖，除开盖部分的其余桶盖固定在桶身上，垃圾桶的中心桶底用于安装电机，采用隔套和轴承，电机可带动分类板的旋转，桶身上镂空的部分装上STM32单片机、LD3320