智能垃圾桶设计
目录
1 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.2 研究目的和意义 3
1.3 研究内容和结构 3
2 智能垃圾桶架构设计 5
2.1 系统架构设计 5
2.2 智能垃圾桶硬件设计 5
2.2.1 Arduino开发板模块 5
2.2.2 HLK-V20语音识别模块 7
2.2.3 舵机驱动模块 9
2.2.4 指示电路模块 10
2.2.5 按键电路模块 11
2.2.6 电源电路模块 12
2.2.7 DC电源插座模块 12
2.3 软件介绍 12
2.3.1 Arduino IDE开发环境 12
2.3.2 Arduino语音识别库使用 13
2.4 本章小结 13
3 智能垃圾桶系统软件设计 15
3.1 程序流程设计 15
3.2 舵机子程序设计 16
3.3 语音识别子程序设计 17
3.4 硬件系统实现 19
3.5 硬件连接 21
3.6 硬件调试 22
3.7 软件调试 24
3.8 本章小结 25
4 实验和结果分析 26
4.1 舵机模块测试 26
4.2 智能环保垃圾桶控制系统的功能调试 26
4.3 语音识别及语音播报测试 27
4.4 系统性能评估 28
4.4.1 相应速度测试 28
4.4.2 系统稳定性测试 29
4.5 本章小结 30
5 结论和展望 31
5.1 研究结论 31
5.2 不足和改进意见 31
5.3 展望 31

1 绪论
1.1 研究背景
1.2
在现今社会中，人类生产的垃圾逐渐多样化、复杂化，许多垃圾含有化学物质或有害成分，如若垃圾没有妥善处理，许多垃圾混杂在一起有可能会产生化学反应，产生出有害物质影响环境从而危机人类的身体健康[1]。而若对垃圾进行不针对的焚烧或掩埋，将会影响环境，浪费资源，所以尽早的进行垃圾分类是处理垃圾利用垃圾的有效解决方式。垃圾分类要长期、科学，如果光靠相关工作人员进行处理是不可行的，要靠社会中的每一位公民形成垃圾分类的意识与习惯[2]。垃圾分类的特点是回收、处理、利用具有高效性，最大限度降低二次污染的可能性。分类后的垃圾可以将有价值的垃圾进行二次利用，从而使资源可持续利用。总之，垃圾的分类与处理对经济可持续发展和保护环境具有重大意义。
垃圾箱控制系统的设计和研究，在国外是比较早的。到目前为止，垃圾分类回收已在多个国家实现，一些国家还在垃圾箱控制系统中广泛应用，并配有太阳能设备。具有这种控制系统的垃圾桶通常被称为太阳能垃圾桶[3]。采用太阳能装置控制系统的垃圾箱最早出现在2006年8月的美国纽约。有“大胃王”之称，因为它可以装8倍于传统垃圾箱的垃圾。但它的实际称谓应该是太阳能压缩机，这要根据它的系统的特定工作原理来制定。其控制系统利用太阳光作为操作系统的能源来源，将垃圾体积通过自动压缩处理缩小至原来的1/8。这款垃圾桶凭借这一特性，容量达到了1362升。由于容量大，环卫工的垃圾收集量也大大减少，但同时它的控制系统也存在缺陷。首先，它的价格非常昂贵，其次，由于内部系统中高科技部件的比例很高，损坏后很难修复。
英国剑桥大学在“胃王”出现后，基于对美国智能垃圾桶控制系统的研究，又开发出一种更符合英国本土环境的太阳能垃圾桶控制系统。同理，这类垃圾箱的控制系统也会将内部的垃圾压缩，但由于这类垃圾箱控制系统的动力来自于一组太阳能电池，因此只需从外部接收少量阳光，就能实现对垃圾的压缩。这样的设计让英国多雾天气下，这一类型的垃圾桶也能正常发挥作用[4]。
此外，在该垃圾桶的控制系统中还安装了智能传感器和无线发射器。当环卫工的手机收到提醒他清理垃圾箱的无线发射器发来的信息时，说明这个集装箱里的垃圾超出了事先设定好的范围。接收到的信息是代表垃圾箱编号的1或2等简单数字，以便环卫工人清楚自己应该到哪个垃圾箱打扫卫生。这款垃圾桶在剑桥市进行了测试，结果令人满意，因为该系统具有向环卫工人提供即时信息的功能。
现如今垃圾桶是生活中不可或缺的产品，随着人们逐渐增加的环保意识，垃圾桶的款式与功能越来越多样化。垃圾桶根据使用场合的不同，分为公共式、家庭式、医用式；根据盛放形式的不同，分为独立式、分类式；根据开启方式有揭盖式、踩踏式等。随着垃圾桶的跟新换代，智能垃圾桶逐渐走进人们的生活中，智能垃圾桶则可以通过自动分类和回收利用，减轻人力负担，提高垃圾处理效率和准确率。本文旨在研究基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统，探索智能垃圾分类技术的应用，为城市垃圾处理提供一种新的解决方案[5]。

1.2 研究目的和意义
本文的研究目的是设计和开发基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统，该系统能够实现自动语音识别和分类，为城市垃圾处理提供一种新的智能化解决方案。具体来说，本研究的目标包括以下方面：
设计并实现基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统，该系统能够自动识别语音指令，控制垃圾桶盖的开合，并对垃圾进行分类。考虑到垃圾桶所处的环境和使用场景，系统需要具备较高的可靠性和稳定性，能够在复杂的环境下正常工作。研究智能垃圾分类技术的应用和实现，探索如何通过智能化的方式提高垃圾处理的效率和准确率。
本文的研究意义在于探索智能化垃圾分类技术的应用，为解决城市垃圾处理难题提供一种新的思路和方案。本研究开发的智能语音分类垃圾桶系统具有实际应用价值，可以有效减轻人工操作的负担，提高垃圾处理的效率和准确率，具有较高的社会和经济效益。同时，本研究也为智能化垃圾处理技术的研究和应用提供了一定的参考和借鉴价值。

1.3 研究内容和结构
本文的研究内容主要包括以下三个部分：系统实现：本部分将介绍基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统的具体实现过程，包括硬件组装和软件编程两个方面。此外，本部分还将介绍系统的测试和性能评估结果。系统应用：本部分将介绍基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统的实际应用情况，包括在城市垃圾处理中的应用和效果评估。此外，本部分还将探讨智能化垃圾处理技术在未来的发展方向和应用前景。
本文的结构如下：第一章：绪论。介绍研究背景、意义和目的，概述论文的研究内容和结构。第二章：相关技术和理论。介绍基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统的设计方案，包括硬件设计和软件设计两个方面并且介绍与本研究相关的技术理论和模块介绍，包括Arduino开发环境、语音识别技术、舵机驱动模块、指示电路模块等内容。第三章：系统软件设计。介绍基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统的具体实现过程，包括硬件组装和软件编程两个方面。第四章：实验和结果分析。介绍基于Arduino的智能语音分类垃圾桶系统的实际应用情况。第五章：总结与展望。总结本文的研究成果，探讨智能化垃圾处理技术的发展前景和应用方向，提出今后研究的方向和建议。
2 智能垃圾桶架构设计
2.1 系统架构设计
系统架构设计智能语音分类垃圾桶系统基于Arduino的架构设计主要有硬件设计和软件设计两个方面。硬体设计部份主要有以下模组：垃圾箱、语音辨识模组、舵机操控模组、Power模组。垃圾箱模块包括了上面的开盖设备——垃圾箱本身。通过舵机控制模块进行开合操作，开盖装置可实现自动开合功能。语音识别模块采用的是HLK-V20，它可以对人类的声音进行识别和分类，从而实现对垃圾进行分类。电源模块主要用于全系统电源的供应，以保证系统的稳定运行。软件设计部分主要包括以下几个模块：语音识别模块驱动、舵机控制程序和用户交互程序(SummerInteractiveProgram)。语音识别模块Drive负责语音识别模块的初始化和驱动，实现声音的采集和分类。舵机控制程序负责对舵机控制模块进行控制，实现自动开盖和关闭的功能。用户交互程序负责接收用户的指令，并将指令转换为相应的控制信号，从而控制系统的运行。如图所示：

图2.1系统整体框图

2.2 智能垃圾桶硬件设计
2.2.1 Arduino开发板模块
Arduino开发板是一种基于开源硬件平台的微控制器开发板，由意大利开发商贡献。Arduino开发板的设计目的是为了简化微控制器的使用，使它更易于理解和使用[5]。Arduino开发板由一个微控制器（通常是Atmel AVR系列）。Arduino开发环境是一款开源软件，可用于编写、上传和运行Arduino程序。Arduino开发板拥有一个简单易学的编程语言，它基于C/C++语言，具有很强的易用性和灵活性[6]。用户可以在Arduino开发环境中编写自己的程序，并将其上传到开发板上运行。Arduino开发板有许多型号和变种，例如Arduino Uno、Arduino Mega、Arduino Leonardo等，它们在芯片性能、输入输出端口数等方面有所不同，可以根据具体的应用需求进行选择[7]。此外，Arduino开发板还有大量的开源库和示例代码可供用户参考和使用，这些资源使得用户能够快速开发自己的项目[8]。Arduino开发板是一种易于学习和使用的开源硬件平台，它极大地降低了微控制器编程的门槛，为爱好者、学生和工程师提供了一个快速、灵活、低成本的开发平台。

图2.2 Arduino开发板实物图

图2.3 Arduino Nano管脚图

2.2.2 HLK-V20语音识别模块
HLK-V20是一款提供真正单芯片语音识别解决方案的基于非特定人自动语音识别技术的语音识别声控芯片。
该芯片内部集成高精度模数转换(A/D)和数模转换(D/A)接口，实现语音识别/声控/人机对话功能，无需额外Flash和RAM。此外，它可以动态编辑识别的关键词列表[9]。
利用HLK-V20，可以轻松实现语音识别/声控/人机对话功能，为所有电子产品添加语音用户操作界面(VUI)，无论是任何电子产品，甚至是以最简单的51芯片为主控的系统。主要特性包括非特定人语音识别技术，无需用户进行录音训练，可以动态编辑识别的关键词列表，只需要将识别的关键词以字符串形式发送给芯片，便可在下次识别时生效[10]。

图2.4 HLK-V20语音识别模块实物图
HLK-V20可以设定自定义语音，其中可以自定义开机播报语，自定义语言唤醒词，自定义语言命令词，自定义TTS语音播报等等，在这些语音中，HLK-V20图2.4HLK-V20语音识别模块实物图模块有功放输出、差分输入、串口等16个引脚。详细释义请见下表：
表2.1引脚定义说明
引脚 名称 类型 说明
1 B8 I General purpose input/output
2 B7 I/0 General purpose input/output
3 B6 I/0 General purpose input/output
4 A27 I/0 General purpose input/output
5 A26 I/0 General purpose input/output
6 SPK+ 0 功放差分输出P端
7 SPK- 0 功放差分输出N端
8 VCC PWR 电源(3.3V-5V)
9 GND GND GND
10 B2 I/0 General purpose input/output
11 B3 I/0 General purpose input/output
12 A25 I/0 General purpose input/output
13 MIC- I MIC1差分输入N端
14 MIC+ I MIC1差分输入P端
15 RX I/0 Uart rx
16 TX I/0 Uart tx

图2.5模块引脚分布图
在电路图2.6的语音识别模块使用中，仅需连接5V电源，然后将模块的串行通信端口与 Arduino 的3号脚相连即可。

图2.6 语音识别模块原理图

2.2.3 舵机驱动模块
舵机驱动模组这个垃圾桶涉及到操控4个舵机的动作。舵机是一种适合在需要不断变换角度并能保持这种变化的控制系统中使用的、能够根据位置进行伺服控制的驱动装置。它主要由外壳、电路板、驱动电机、减速器和位置检测组件组成[11]。
它的运行原理是通过接收器向舵机发送信号，然后由电路板上的集成电路驱动无心电机开始旋转，通过减速齿轮将动力传递到摆杆，同时位置检测器返回信号，确定是否已到达预定位置。位置检测器实际上是一个可变电阻，当舵机转动时，电阻值也会随之改变，通过检测电阻值就可以知道转动的角度[12]。步机舵机驱动电路图如图2.7所示：

图2.7步机舵机驱动电路原理图
转向机内直流电动机及控制线提供能量的步机舵机驱动电路原理图电源线路及接地线。电压一般在4-6V，一般取5V。注意转向机动力要充足。控制线输入为周期方波脉冲信号，宽度可调，周期20ms(即频率50Hz)。转向轴的角度随着方波脉冲宽度的改变而改变，与脉冲宽度的改变成正比。如图2.8所示，某型转向机输出轴与输入信号脉冲宽度的角度关系。

图2.8舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系

2.2.4 指示电路模块
指示电路为了显示四个垃圾桶的开合状态，其中LED1表示可回收垃圾桶打；LED2表示厨余垃圾桶；LED3表示其它垃圾桶；LED4表示有害垃圾桶。指示电路图如图2.9所示：

图2.9指示电路原理图

2.2.5 按键电路模块
本设计采用的按键开关为664.3MM微动开关。按键使用温度范围是-25°~±85°C；额定负荷为DC12V 0.1A；接触电阻<=0.03Ω；耐压AC250 V (50Hz) /MIN；绝缘电阻>=100MΩ；寿命100000 times（次）。按键结构图如图2.10所示：

图2.10 按键结构图
此按键K1，它的作用是可以手动打开和关闭垃圾桶盖子，首次按下按键，四个垃圾桶都会打开盖子，再按一下四个垃圾桶就会关闭盖子。按键电路如图2.11所示：

图2.11按键电路原理图

2.2.6 电源电路模块
此次单片机选择使用的是5V供电，而语音识别模块也是5V供电，所以使用5V直流供电。S1是电源开关，电容C1是电源滤波电容。电源电路如图2.12所示：

图2.12电源电路

2.2.7 DC电源插座模块
DC-005插上与之匹配的φ5.5插头后，可以自动断开电路内部电源，是一种常见的直流插口。引脚定义：1，极具力量感；二、静止性触球的负极性静止性；3.负极锻炼触点。插头插入时，顶部开启触点3，切断电路内部电池负极通路，内部电源停止供电，再接入外部负极电源，1、3脚组成外部电源通路。如下图所示为电气接线原理：

图2.13电气连接原理图

2.3 软件介绍
2.3.1 Arduino IDE开发环境
Arduino IDE是一款开源的集成开发环境（IDE），用于编写和上传程序到Arduino开发板。它是一款跨平台的软件，支持Windows、Mac OS X和Linux等操作系统[14]。
Arduino IDE包含了一系列的工具，例如代码编辑器、编译器、串口监视器等，可以帮助用户编写、调试和上传程序。同时，它还提供了许多示例程序和开源库，用户可以借鉴和使用这些资源来快速开发自己的项目。Arduino IDE的编程语言基于C/C++，并添加了一些库和函数，以便用户可以轻松地控制Arduino的输入输出端口和其他外设。用户可以通过IDE中的串口监视器，将程序输出信息打印到计算机上，进行调试和验证。Arduino IDE还支持各种Arduino开发板的兼容性，并可以根据需要选择合适的开发板。用户可以通过IDE中的菜单栏进行设置，并自动配置编译器、串口和其他参数[15]。
Arduino IDE是一款简单易用的开发环境，为Arduino开发者提供了一个良好的编程环境和开发工具，使得他们能够快速、轻松地开发Arduino项目。

2.3.2 Arduino语音识别库使用
Arduino语音识别库是一种在Arduino平台上使用语音识别模块的软件库。它包含了一系列的函数和API，可以帮助Arduino程序快速实现语音识别功能，例如识别特定的语音指令或控制外设[16]。
使用Arduino语音识别库可以大大简化开发过程，无需深入理解语音识别技术和协议，只需简单地调用库中的函数和API即可实现语音识别功能。在使用Arduino语音识别库之前，需要将语音识别模块与Arduino开发板进行连接，并配置串口参数等相关信息。接下来，用户需要下载并安装Arduino语音识别库，将其导入到Arduino IDE中，然后编写相应的程序[17]。在编写程序时，用户需要先初始化语音识别模块，并设置相应的参数，例如语音指令的识别模式、音量等级等。然后，用户可以使用库中提供的函数和API，监听串口数据并实时处理语音指令。例如，用户可以使用Serial.available()函数监听串口输入缓冲区中是否有数据，并使用Serial.read()函数读取缓冲区中的数据。然后，用户可以将读取到的数据传递给语音识别库中的函数进行识别和处理。
Arduino语音识别库是一种方便快捷的软件库，可以帮助Arduino程序员快速实现语音识别功能。使用它，开发人员可以更专注于业务逻辑的实现，而不需要关注太多语音识别的技术细节。

2.4 本章小结
这一章将详细讨论语音识别垃圾箱控制系统的各硬件模块设计。通过运用基础知识和实际操作经验，我们对此设计的硬件电路制定了具体的要求和实施步骤。参考各类相关文献，我们逐步建立了各模块的结构框架，并最终绘制了原理图。评估一个硬件模块设计的成功不仅取决于各模块是否独立实现了其功能，更重要的是它们是否能协同工作，共同完成整个硬件的功能。完成了硬件设计后，我们对整个设计的架构和目标有了更明确的理解，为之后的软件设计工作打下了坚实的基础。

3 智能垃圾桶系统软件设计