基于STM32的智能垃圾桶设计
摘    要
随着社会科学技术的迅猛进展，人们的生活质量和速度也在不断提高。然而，大多数传统的家庭垃圾桶已经过时且缺乏创新，缺乏人性化设计。它们使用起来不方便、不卫生，所有的生活和废物垃圾都被混合装载，没有经过仔细的分类。这导致清洁工所面临的任务量以几何级数增长，浪费大量时间检查垃圾种类以及往返检查的过程中。在推崇效率和尽可能减少劳动时间的时代，人们越来越依赖于科技进步带来的方便。
    为了更好地解决此类问题。本文设计了一种基于STM32F103C8T6的语音识别智能垃圾分类垃圾控制系统设计。该垃圾分类系统的核心技术是LD3320语音识别模块和舵机控制块，能够精准识别用户的语音指令并控制对应的垃圾桶盖，从而实现垃圾自动分类。WT588D语音播报系统则能够在垃圾被投入桶内时及时发出提示，方便使用者进行交互。该系统还支持多个语言和方言，能够满足不同地区的用户需求。
    经过多次实验和优化，该系统具有结构简单、性能稳定、操作方便、低成本、智能化等优点，为人们方便快捷地进行垃圾分类提供了有效的技术支持。该系统不仅可以提高垃圾分类的精准性和效率，还可以降低清扫工人的工作强度，减少垃圾焚烧对环境的污染，为环境保护尽一份力。

关键词 STM32单片机；垃圾分类；语音识别 

 
Design of Intelligent Garbage Bin Based on STM32
Abstract
With the rapid progress of social science and technology, people's quality of life and speed are also constantly improving. However, most traditional household trash cans are outdated and lack innovation, lacking in user-friendly design. They are inconvenient and unhygienic to use, and all domestic and waste  is mixed and loaded without careful segregation. As a result, the number of tasks faced by cleaners has grown exponentially, wasting a lot of time checking the type of garbage and going back and forth during inspections. In an era of efficiency and the minimization of working hours, people are increasingly relying on the convenience of technological progress.
In order to better solve such problems. In this paper, a voice recognition intelligent garbage sorting garbage control system based on STM32F103C8T6 is designed. The core technology of the garbage sorting system is LD3320 voice recognition module and servo control block, which can accurately identify the user's voice commands and control the corresponding garbage can lid, so as to realize automatic garbage classification. The WT588D voice broadcast system can prompt the user when garbage is thrown into the bin, so that users can interact. The system also supports multiple languages and dialects, which can meet the needs of users in different regions.
After many experiments and optimizations, the system has the advantages of simple structure, stable performance, convenient operation, low cost and intelligence, and provides effective technical support for people to classify garbage conveniently and quickly. The system can not only improve the accuracy and efficiency of garbage classification, but also reduce the work intensity of cleaning workers, reduce the pollution of garbage incineration to the environment, and contribute to environmental protection.

Keywords STM32 single chip microcomputer; garbage classification; voice recognition

 
目    录
摘    要
Abstract

第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 本设计主要研究内容
第2章 系统整体实现
2.1 设计要求
2.2 系统组成
2.3 硬件选型
2.3.1 微处理器模块
2.3.2 供电模块
2.3.3 语音识别模块
2.3.4 语音播报模块
2.3.5 舵机模块
2.3.6 最终方案
2.4 本章小结
第3章 硬件设计
3.1 系统硬件电路设计
3.2 STM32F103C8T6单片机简介
3.3 舵机控制模块
3.4 WT588D语音播报模块
3.5 LD3320语音识别模块
3.6 稳压电路
3.7 本章小结
第4章 软件编程设计
4.1 编程语言选择
4.2 单片机程序开发环境
4.3 软件整体设计
4.4 LD3320语音识别程序流程图设计
4.5 WT588D程序流程设计
4.6 舵机控制流程图设计
4.7 本章小结
第5章 系统实现与调试
5.1 系统实现
5.2 系统调试
5.3 本章小结
结论
致谢
参考文献
附录A
附录B
附录C

 
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
长久以来，生活垃圾一直是中国面临的严重环境问题之一。随着中国经济快速发展、城市人口数量大幅增加和城市化程度加快，城市生活垃圾产量不断攀升。传统的垃圾处理方式已经无法满足日益增长的垃圾需求，同时环保意识的崛起与“绿色”发展的呼声，使得越来越多的国家和地区提出了垃圾分类处理的要求。尤其是近年来，随着经济的高速增长和公共场所垃圾处理不善的问题日益严重，对环境和城市美观带来的影响越来越大。因此，推广生活垃圾的分类回收和环境保护已成为重要举措，为此，智能垃圾桶应运而生。
随着科技和人们生活水平的提高，人们对健康、卫生和和谐的生活环境越来越重视[1]。传统的手动翻盖垃圾桶需要频繁用手开启，容易让手上沾染细菌，而且国家倡导垃圾分类减少污染，加强废物可循环利用。曾出现的脚踩式垃圾桶虽然将开启方式转换到了脚，消除了手部污染，但它非常小所以无法进行垃圾分类，而且人们找不到合适的分类垃圾桶，非常不方便。因此，人们迫切需要一种垃圾分类、自动开关的智能垃圾桶。智能垃圾桶是一种通过智能识别与交互技术帮助人们更好地分类垃圾的新型垃圾桶。它能够自动识别、分类和处理垃圾，并为用户提供相关反馈，节省了人力资源，提高了垃圾分类的精确性和效率。智能垃圾桶的开发和应用能够在很大程度上提高城市垃圾处理的效率和环保意识，为城市可持续发展打下坚实基础。因此，智能垃圾桶的设计和实现具有重要的社会意义和经济意义。它不仅符合现代城市化发展的趋势，同时也能够推动环保和可持续发展，并为城市管理和城市服务提供良好的创新方案。智能垃圾桶是一种基于单片机技术的智能设备，拥有语音识别功能来进行垃圾分类。该设备的显示效果优美，且具备较高的稳定性。这种新型的智能垃圾桶的出现，标志着人们日益增长的环保意识已经达到了一个全新的高度，并且也成为现代科技领域技术的重要展示平台之一。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
智能垃圾桶在国外被广泛研究和应用。以欧洲为例，垃圾分类一直是他们非常注重的环保问题之一。在欧洲国家，智能垃圾桶已经成为了常见的垃圾分类工具。德国的智能科技家具公司Interseroh开发了一种智能垃圾桶“SmartCycle”，它能够自动分类六种常见的垃圾，例如纸张、塑料、金属、玻璃、有机垃圾和其他垃圾。用户只需要将垃圾放入垃圾桶中，智能垃圾桶会对其进行分类、压缩和储存，从而提高垃圾处理的效率。在挪威，智能垃圾桶“Miljøboksen” 就是人们垃圾分类的主要方式之一。这种垃圾桶不仅可以识别垃圾，还会给使用者反馈垃圾的分类和质量情况。
在美国，航空港口经常使用的智能垃圾桶“BigBelly”可以自动压缩垃圾，从而减少了清理次数。在日本，智能垃圾桶也得到了广泛的应用。比如，在东京，有些智能垃圾桶装有纸片用来记录垃圾种类和数量，并可以将这些数据发送给城市管理部门，从而帮助他们更好地规划城市的垃圾处理和回收体系。实物图如图1-1所示。
 
图1-1 BIGBELLY
智能垃圾桶在国外已经得到广泛研究和实践，并且取得了显著的成效。各国政府和企业也在智能垃圾桶的设计和生产上不断投入资源和技术，从而促进了环境保护和城市可持续发展。
1.2.2 国内研究现状
中国智能垃圾桶的发展相较于国外还存在差距。这是由于多种因素的影响，例如经济制约、科技发展水平和国民素质等。现阶段，我国的垃圾桶造价低廉、易损坏、质量不高。就智能垃圾桶而言，我国的技术出现的时间较晚，控制比较简单，功能也比较单一[2]。主要分为三类：感应式垃圾桶、太阳能垃圾桶和商业广告垃圾桶。感应垃圾桶主要采用红外线测距或超声波感应技术[3]。当人们的手或垃圾接近垃圾桶口时，垃圾桶会自动开盖，待垃圾投入完毕后，垃圾桶盖又自动关闭[4]。这种智能垃圾桶解决了用手直接接触垃圾桶盖和脚踩后才能扔垃圾的困扰，极大地降低了细菌感染的风险，不仅更加卫生，还起到了抑制难闻气味传播的作用。
然而，这种垃圾桶功能较为单一。如果将自动翻盖功能应用到一些公共场所，那么没有任何智能控制系统的踩脚式或手动垃圾桶更受人们青睐，因为它们更加便捷。另外，开关盖的机械耗损程度较高[5]，需要加以改进。在识别垃圾并分拣的智能垃圾桶方面，山东交通学院研发的AI智能垃圾桶采用深度学习技术，能够自动识别和分类废纸、瓶子、饮料盒、塑料袋、果皮和厨余垃圾等六种垃圾。它还能够通过处理分拣所需的数据，来为垃圾分类站等垃圾处理设施提供支持。另外，上海交通大学的智能垃圾桶采用了计算机视觉和深度学习算法，具有自动回收、分类和分拣垃圾等多种功能。在压缩垃圾的智能垃圾桶方面，北京盛景华工自主研发出了“神器5号”智能垃圾桶，能自动感应垃圾，并进行压缩处理，从而使一个垃圾桶的容量相当于3-4个普通垃圾桶的空间，减少了垃圾桶的数量和清运成本。汇众丰源品牌的太阳能垃圾桶在自动压缩处理后，可以将垃圾的体积缩小到原来的1/8，能够容纳1362升的垃圾，被称为“大胃王”[6]。这种垃圾桶曾在第五届中国-东盟博览会的高科技展区展出，其全封闭的设计能够有效防止气味外溢，同时具有美观和安全的特点[7]。然而，这种“大胃王”垃圾桶主要适用于在阳光充裕的家庭或户外使用。在城市的阴雨季节，这样的垃圾桶的应用范围较为受限[8]，商业价值也相应受到影响，因此推广起来可能会有一定的困难[9]。实物图如1-2所示。
 
图1-2 汇众丰源太阳能垃圾桶
综上，国内智能垃圾桶的研究和应用在不断发展和完善，有望为垃圾分类和环保工作提供更有效的支持。
1.3 本设计主要研究内容
本文共分为五个章节，具体安排如下：
第一章：在研究智能垃圾桶之前，需要对其历史发展进行了解。这包括分析和探讨前人所完成的工作和成就，以及结合国内外已有的研究成果，确定本课题所要实现的目标和意义。
第二章：介绍智能垃圾桶整体系统实现的流程，比较各个模块的优缺点，完成各个模块硬件的选型。简要介绍各个模块的运行原理。
第三章：在进行硬件电路架构设计时，需要先制定整体设计方案。整体设计方案应包含以下内容：所需模块或组件的数量和类型、每个模块或组件的位置和连接方式、电源供给等。在确定完整体方案后，可以对各个组成部分进行详细设计。
第四章：设计智能垃圾桶的软件代码部分，从主要程序流程开始，到各语音识别模块的程序与流程设计，再到语音播报模块的程序与流程设计，最后是舵机模块的程序流程设计。详述设计中关键部分的软件设计思想与代码实现。
第五章：介绍本系统实现的功能，分别阐述硬件与软件的实现方法。通过对智能垃圾桶多次进行可靠性测试及原因分析，提出总结和改进意见。

 
第2章 系统整体实现
该多功能垃圾箱控制系统旨在实现自动翻盖、语音识别和垃圾分类等功能，以方便用户投放垃圾并初步隔离垃圾类型，同时避免垃圾箱内滋生细菌。
垃圾箱的自动翻盖功能会使用舵机控制垃圾箱盖子的翻开和关闭。针对不同垃圾类型进行分类时，语音识别模块通过对用户的声音信号进行分析和处理来识别用户输入的命令，并控制对应的垃圾分类舵机来进行分类投放。
整个系统采用STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，外接传感器和执行器等各种器件，通过程序控制各器件间的交互作用，从而实现各种功能。系统的设计将兼顾系统的稳定性和性能，同时也体现了垃圾处理和分类的高效性和便利性。该方案未来在公共和家庭等场合中将具有广泛的应用前景。系统框图如图2-1所示。
 
图2-1 系统框图
2.1 设计要求
本研究旨在设计一款遵循实用可靠、低功耗和低成本原则的智能垃圾桶。其中，实用可靠原则是最重要的原则，本设计不仅需考虑到外观、设计美观的因素，而且要从市场和用户的需求出发，确保智能垃圾桶可以真正发挥其价值。其次，本设计强调低功耗原则，以减少集成电路的能耗。在现代社会，节能环保已成为全社会的重要课题，要从器件选择和程序优化方面控制功耗，以节约能源。最后，应考虑低成本原则，采用性价比高的元器件、优化程序和创新方案等方法，来降低系统成本，减轻使用者和环保部门的经济压力。综上所述，采用实用可靠、低功耗和低成本的设计原则，可以有效提高智能垃圾桶的实用性和可靠性，实现节能环保和经济效益相结合。一款好的产品不仅要实用可靠、低带载功耗以及低开发成本，在使用寿命上也要有较高的优势，频繁检修会增加当地环保部门经济压力，故在选择各模块元器件时，要考虑各元器件本身正常使用期限。
2.2 系统组成
本系统包括：微处理器模块，供电系统模块，语音识别模块，语音播报模块，舵机模块与垃圾桶模型。
1.微处理器模块 本设计的微处理器模块采用单片机智能控制，可帮助设计者完成复杂的功能设计。
2.供电模块 该系统的稳压模块为USB 5V通过稳压电路转3.3V供电，操作者可以连接至电脑、充电宝等其他5V输出USB口。具有一定的便携性，可以有效地降低智能垃圾桶的能耗，达到节省电能的目的。
3.语音识别模块 语音识别模块可以帮助智能垃圾桶接收操作者发出的语音指令，识别不同的垃圾类型，从而达到垃圾分类的作用。语音识别模块还支持自定义语音词条，可以在不知道垃圾具体的类型时帮助分类。
4.语音播报模块 语音播报模块在操作者启动整个系统时会播报欢迎语音。并且还能联动语音识别模块识别到垃圾类型后自动播报垃圾类型。
5.舵机模块 舵机模块主要作用为控制垃圾桶模型盖子的开关。并且可以根据延时设计自动关闭，防止垃圾味道四散影响环境。
6.垃圾桶模型 垃圾桶模型采用高5.5cm，宽4cm小型垃圾桶模型。采用四个垃圾桶分别带有有害垃圾、厨余垃圾、可回收垃圾、其他垃圾的表示。用这样的设计来实现垃圾分类的目的。
2.3 硬件选型
2.3.1 微处理器模块
本设计选择使用STM32F103RC8T6微处理器模块来实现智能垃圾桶的控制。与STC89C52RC相比，STM32F103RC8T6更加先进。它具有更多的内部资源，可以支持程序的模块化和简单接口，同时具有更快的功能和工作速度[10]。STM32F103RC8T6还具有更强大和丰富的外围接口功能，接口相对简单，并且工作速度更快。这使其更适合于高级控制和管理任务。两种芯片的引脚配置如图2-2所示。
  
图2-2 芯片引脚配置图
相比之下，STC89C52RC处理速度较慢，IO较少，片内资源匮乏，难以实现预想的功能。因此，考虑到项目的要求，使用STM32F103RC8T6是更好的选择，以实现智能垃圾桶的控制和管理。
2.3.2 供电模块
为了实现智能垃圾桶简单高效的供电，本设计采用了以USB 5V提供电源，后使用AMS1117为稳压芯片设计的稳压电路来为智能垃圾桶进行供电支持。AMS1117是一种半导体器件，用于将高压直流电源转换为稳定的低压直流电源。它是一种低压差线性稳压器，可以将输入电压降低到所需的输出电压，一般为3.3V或5V。该芯片具有高效率、低噪声、低失真等优点，可以广泛应用于各种电子设备，如智能手机、电子游戏机、存储芯片、传感器等[11]。与传统的三端稳压器相比，AMS1117具有更低的自耗和在线导通电阻，能够实现更好的功耗控制和电源管理。它还具有多种保护功能，如过流保护、过温保护等，以确保运行安全可靠[12]。此外，AMS1117还配备了自检输出状态和延时安全供电功能，可确保电源正常运行。综上，AMS1117是一种高性能的稳压器芯片，能够为各种电子设备提供稳定可靠的电源，是现代电子工业中不可或缺的重要器件之一。
 
图2-3 AMS1117
2.3.3 语音识别模块
本设计采用了LD3320作为语音识别模块的主芯片。LD3320具有以下几个优势。首先，它可以在三种工作模式下进行工作，包括普通模式、按键模式和口令模式[13]。在普通模式下，用户可以直接说话，模块会直接识别；在按键模式下，用户通过按下按键触发模块进入ASR进程；在口令模式下，用户需要说出一级唤醒词才能进入识别过程。在本设计中，口令模式非常适配智能垃圾桶的设计，因此LD3320十分适用于本设计。此外，LD3320可以识别50条预先内置的指令，非常适配智能垃圾桶实现垃圾分类功能的设计。综上，采用LD3320作为语音识别模块的主芯片可以为智能垃圾桶的实现提供更加可靠和高效的技术支持。LD3320实物如图2-4所示。
 
图2-4 LD3320
2.3.4 语音播报模块
本系统设计采用WT588D语音芯片播报语音提示。当今市面常见的垃圾桶语音系统普遍存在播报方式单一，提示不够智能的情况，WT588D语音芯片支持433解码[14]，可以与其他智能设备进行联动，如智能家居系统、智能手机等，设计简单，快速应用。同时价格低廉，符合低成本的设计理念。WT588D实物如图2-5所示。
 
图2-5 WT588D
2.3.5 舵机模块
因为垃圾桶盖需要在特定的角度范围内不断开合，SG90舵机模块可以很好地满足这个需求。此外，SG90舵机模块体积小、重量轻、价格相对较低，易于布置和控制，非常适合垃圾桶盖的控制设计。SG90舵机如图2-6所示。
 
图2-6 SG90舵机
2.3.6 最终方案
经过对比分析硬件模块的选型确定为：微处理器模块选用单片机STM32F103RC8T6；稳压模块选用AMS1117芯片；语音识别模块选用LD3320芯片；语音播报模块选用WT588D芯片舵机；选择SG90伺服舵机作为驱动机构。
2.4 本章小结
本章主要针对智能垃圾桶的功能需求进行了深入的分析，设计出了系统整体的工作流程，并绘制了相应的流程框图。在这个基础上，详细介绍了智能垃圾桶各个模块的实现功能，并进行了选型方案的对比分析，最终确定了各个模块的方案，形成了智能垃圾桶的总体方案设计，这为智能垃圾桶的总体设计提供了重要的基础。