论文总字数：16157字

摘 要

本文首先对当今社会垃圾对环境所造成的负面影响和实施垃圾分类的必要性进行了阐释，并比较了国内外垃圾分类的现状，然后基于当今国内垃圾分类所面临的难题，设计了一种简易的智能垃圾分类系统可以后期进一步完善投入使用。本次设计采用STM32系列单片机作为智能垃圾分类系统的控制中心，并且模拟垃圾箱体，通过语音识别模块识别垃圾类型并进行垃圾投递；同时对每次投递的垃圾类型、重量和垃圾箱内垃圾的总质量进行实时称重，同时用户可在手机APP上进行相关信息的查看；并支持垃圾箱超限报警，使得垃圾分类投放的得以顺利进行。本次设计利用C语言进行软件编写，设计的智能垃圾系统使用便捷，利于推广。

关键词：传感器检测、语音识别、垃圾分类，垃圾称重，超限报警。

Design of intelligent garbage classification system based on stm32

Abstract

Firstly, this paper explains the negative impact of garbage on the environment and the necessity of garbage classification in today's society, and compares the current situation of garbage classification at home and abroad. Then, based on the problems faced by garbage classification at home and abroad, a simple intelligent garbage classification system is designed, which can be further improved and put into use later. In this design, STM32 series single chip microcomputer is used as the control center of the intelligent garbage classification system, and the garbage box is simulated to recognize the garbage type and deliver the garbage through the voice recognition module; at the same time, the garbage type, weight and the total quality of garbage in the garbage box are weighed in real time, and the user can view the relevant information on the mobile app; and support The garbage bin overrun alarm makes the garbage classification and delivery smoothly. This design uses C language to compile the software. The intelligent garbage system designed is convenient to use and convenient to promote.

Keywords: sensor detection, speech recognition, garbage classification , garbage weighing , overweight alarm.

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2国内外垃圾分类现状 2

1.2.1国外垃圾分类现状 2

1.2.2国内垃圾分类现状 2

1.3研究内容 3

第二章 系统方案设计 4

2.1系统功能分析 4

第三章 智能垃圾分类系统的硬件设计 5

3.1处理器模块 5

3.1.1处理器模块选择 5

3.2 检测人体靠近电路设计 5

3.2.1 避障传感器的选择 5

3.2.2 红外避障电路的实现 6

3.3 语音识别电路的设计 8

3.3.1语音识别模块的选择 8

3.3.2 YS-LDV7语音识别电路的实现 9

3.4 舵机控制电路设计 9

3.4.1 舵机的选择 9

3.4.2 舵机电路的实现 10

3.5 检测垃圾高度电路设计 11

3.5.1 光电传感器的选择 11

3.5.2 TCRT5000光电传感器电路的实现 11

3.6垃圾称重电路设计 12

3.6.1称重传感器的选择 12

3.6.2 HX711称重电路的实现 13

3.7 显示屏设计 14

3.7.1 显示模块的选择 14

3.7.2 OLED显示电路的实现 14

3.8蜂鸣器电路设计 15

第四章 智能垃圾分类系统的软件设计 15

4.1 整体程序设计 15

4.2 语音识别程序设计 17

4.3 指示灯LED程序设计 17

4.4 垃圾称重程序设计 18

4.5 垃圾分类APP程序设计 18

第五章 结果与测试 19

5.1红外避障传感器测试 19

5.2 舵机转动测试 19

5.3 语音识别垃圾类型测试 20

5.4 垃圾类型和重量显示测试 21

第六章 总结与展望 21

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

我国经济日益发展、城市人口的密集度日益提高，人类生产制造的生活垃圾的也日益增加，这已经对我国的环境造成了严重的污染。垃圾已经对人类唯一的生活家园造成了多方面的污染，由于垃圾很长一段时间的停留，对土地造成极其严重的污染；在垃圾运输的过程中，会进行一些化学有机物的分解，并且产出了恶臭的气体，释放出了大量的致癌、致畸污染物污染空气；垃圾内部的化学反应会产生一些易燃气体，很有可能自燃或者遇到火苗从而引起火灾的发生，损害国家的经济状况；在填埋处理垃圾时产生的酸碱性有机化学污染物经过了土壤的渗透后，会流向了流动的河流、湖泊或海洋，造成了严重水污染，影响人类的生活；有些垃圾中含有的病原微生物可以逐渐发展成为一些有害生物的巢穴，很容易造成传染病；垃圾的堆积还会影响庄家土壤的保肥能力以及土壤的结构。

综上所述，垃圾处理不当的问题已经严重威胁到了公众的健康状况，还对我国和其它国家的城市健康发展起到了制约作用。所以推动生活垃圾分类，建立正确的垃圾投放分类系统，已经成为了保护生活家园、促进社会健康发展的趋势。

1.1.2 研究意义

从益处上来讲，正确的垃圾投放，有利于保护我们赖以生存的自然生态环境，也有利于对资源的节约与循环利用，有利于提高群众的综合素养，提升社会乃至国家的发展水平。首先，对保护环境而言，垃圾不需要进行燃烧或填埋而是进行合理的回收利用，减少了对空气对环境的污染。其次，通过垃圾分类工作，能够让越来越多的人理解并重视垃圾分类的意义所在，提高了人类的自身文明水平，逐渐养成在生活中不乱扔垃圾、正确分类垃圾的优良习惯，这些行为的实现能够提高大众的对于垃圾分类处理、分类投放的意识水平与保护环境的综合素养，与此同时也在一定程度上促进了国家与社会的健康和谐发展。最后，垃圾分类观念日益的深入人心，可以使越来越多人在生活工作中，使用物品时会优先考虑其所属的垃圾类型，这样在潜移默化中培养形成了大众减少使用有害垃圾的观念，而且通过垃圾分类工作，资源的利用减少了、循环的利用增加了，社会的发展更健康了。

1.2国内外垃圾分类现状

1.2.1国外垃圾分类现状

发达国家处理并分类垃圾的完善度、普及度、合理化的水平已经很高。此外，相关的政府部门还成立了专门的组织机构以及一些专业公司进行垃圾分类方面的工作。对于外国民众而言，正确的垃圾分类观念已经根植于心，在生活工作中进行垃圾分类是非常必要的。诸如日本、美国、奥地利这些发达国家，日本在生活垃圾进行分类管理方面，可以说是要求最严格的的国家企业之一，他们现如今所取得的成果是经过了几代人的共同努力才达到的。现如今，其垃圾分类的知识更为详细、分类的范围和划分也更为复杂的。美国旧金山为了减少垃圾分类和回收，采取了一系列措施，经过努力，垃圾减量率达到70％左右，同时由于具有较高的收费管理以及差别费率，在很大程度上提高了群众贯彻落实垃圾分类的积极性和主动性。奥地利提倡有价值的且优先保护环境的垃圾分类回收规定，并且家庭和学校已经开始从孩童时期，就普及和详细讲解对生活垃圾进行分类的重要性和基本知识，这种从小培养好习惯的做法，值得借鉴学习。

1.2.2国内垃圾分类现状

相比之下，我国城市生活垃圾分类方面，目前虽然在社会化和市场化方面已逐渐开始了新的尝试，但实施度不高，工作难以推进。

以我国第一座进行垃圾分类推广的城市上海为例，存在着以下问题：首先大多数居民对于垃圾分类观念不深，没有全面了解正确的垃圾分类知识，而且对于宣传的设施不理会，因此很多居民对于如何正确投递垃圾很迷惑，不知道垃圾分类型，影响了垃圾的投放。其次，相关的法治滞后、缺乏操作性，对不正确垃圾分类的民众监督不到位处罚未跟进；最后，处理垃圾分类收费的规范性和强制性不达标、收费制度不健全，对于垃圾分类处理方面，相关部门不仅不重视还不提供资金上的支持，仅停留在清理搬运的浅层次上，没有做到无害处理，垃圾再生资源的回收产业市场发育也不健全，进行进一步推广的难度和可行度可想而知，而要想达到例如日本、美国、奥地利等发达国家的垃圾分类水平，还需要一定的时间。

1.3 研究内容

本次设计针对当前社会所面临的垃圾分类难题，设计了一种较为可行并推广的方案。具体方案过程如下：首先当红外避障传感器检测到有人靠近时，垃圾桶盖才打开，这样就避免了垃圾桶盖一直开合，会因为气味引起不适；其次当垃圾投递者说出所要投递的垃圾名称后，通过语音识别技术识别该垃圾的名称并判断其所属的垃圾类型，便可以引导垃圾投递者正确投入相对应的垃圾桶，为不熟悉垃圾类型的民众提供了帮助、也减少了搜查垃圾类型的时间；再其次通过垃圾称重传感器，可以对每一次投递的垃圾重量和垃圾桶内的垃圾总重量进行称重，当垃圾重量超过限定的最大值时，会进行报警，说明此时垃圾桶需要进行打扫，而且每种垃圾类型的重量统计也可以方便相关部门对民众的垃圾投递信息进行一定程度上的了解，为完善垃圾箱的配备和进一步的垃圾处理工作提供帮助；最后，垃圾投递者可以通过垃圾箱体显示部分和手机APP对自己每次投递垃圾的类型和重量情况有所了解。

本篇论文首先介绍了系统整体方案设计；其次具体分析了智能垃圾分类系统设计的硬件部分，对所用到的模块之间进行了类比并给出了选用到具体模块的原因；再其次对设计的软件部分进行了原理的分析；最后展示了设计的验证结果。

第二章 系统方案设计

2.1系统功能分析

智能垃圾分类系统的设计主要依靠语音识别技术，通过识别用户的语音口令，对生活中常见的垃圾进行分类，语言要求为汉语普通话，现将本此设计所实现的功能总结如下：

（1）检测人体靠近：当E18-D80NK红外避障传感器检测到有人靠近垃圾桶时，指示灯亮代表检测成功，同时舵机旋转一定的角度，模拟垃圾桶盖已打开。

（2）语音识别垃圾分类：投递者口述垃圾名称，利用语音识别模块YS-LDV7，识别垃圾类型，对应的LED亮模拟可以对相应的垃圾桶进行投递；

（3）垃圾称重：使用专为称重设计的称重模块传感器HX711，对每次投递的垃圾重量和垃圾桶内垃圾总重量进行称重，并在OLED屏幕上显示，同时用户可以在手机APP上查看。

（4）超限报警：当光电传感器TCRT5000被遮挡时，即视为垃圾高度超过垃圾箱内设定值，或者当垃圾桶内的垃圾总重量超出限值时，无源蜂鸣器都会进行报警。

第三章 智能垃圾分类系统的硬件设计

本次设计的电路部分包括STM32F103C8T6单片机核心电路、红外避障传感器检测人体靠近电路、舵机控制垃圾桶盖开合电路、语音识别垃圾类型电路、光电传感器检测垃圾高度电路、蜂鸣器超限报警电路、称重垃圾重量电路、显示屏显示电路和USB供电电源电路组成。

3.1处理器模块

3.1.1处理器模块选择

Keil uVision5 by ARM是本次设计的开发环境软件，而单片机选用STM32F103C8T6芯片。

ST代表法意（公司名称）半导体，M（microelectionics的缩写）代表集成在一块芯片上的单芯片微型计算机即微控制器，32是32比特的意思表示微型控制器是32位的。ARM代表着半导体知识产权提供商。

本次设计中STM32F103单片机采用32位的Cortex-M3内核，它具有优秀的计算性能和先进的中断系统响应，适用于一些具有高性能、低成本、低功耗特点的嵌入式应用。

3.2 检测人体靠近电路设计

使用避障传感器，当检测到有人体靠近时，指示灯亮起，舵机转动一定的角度，模拟垃圾桶盖的打开。

3.2.1 避障传感器的选择

避障就是检测到障碍物并躲避，单片机借助于传感器，采集到障碍物状态信息的各种数据，并且按照特定的方式在检测到起障碍作用的无论是动态的还是静态的物体时，都可以进行合理有效的避障。

本次设计在光传感器、红外传感器、超声波传感器以及视觉传感器这四种类型中做出比较和选择。

方案一 激光传感器

激光传感器参考了各种参数例如激光、位移和到被测物体的距离等。当检测距离传感器路程短的物体时，由于光的速度很快，光束在传感器与物体之间的来回时间很短暂，所以这个方法并不适用于测量精度要求很高的距离，而人体靠近垃圾桶的距离很短，因此不选用此方法。

方案二 视觉传感器

视觉传感器的优点为探测能力范围广、获取数据信息资源丰富，但是受到光线强度以及烟雾浓烈强度的影响很大，而且一些例如玻璃或塑料等透明的障碍物视觉传感器无法检测到，所以在雾天或者雨天这个方法不适用。

方案三 超声波传感器

　　超声波传感器根据声音传播的速度，计算传感器与被检测物体之间的距离。由于在空气中的声速度受天气的温湿度情况的影响很大，所以在精度要求高的测量且不稳定的天气状况时，测量结果会受到影响，并不适合。

方案四 红外传感器

大多数红外距离传感器测量距离的原理，都是利用反射的光线和三角测量。可见光对红外传感器没有影响，所以无论光线明还是暗都可以进行检测，虽然测量时难免会受到物体的颜色、方向等环境因素的影响，进一步确认是否为垃圾投递者的靠近有些难度，但是可以不受天气或烟雾的干扰，与其它类型的传感器相比，红外传感器是最合适的选择。

因此，本次设计选择红外避障传感器。

3.2.2 红外避障电路的实现

红外避障传感器E18-D80NK使用方便，是数字式的红外线光电传感器。既可以发射信号也可以接受信号，它的发射角大概为±15°左右，同时它在发射信号时没有唯一的编码，以防与障碍物的距离太近，造成干扰引起误判。它与障碍物之间的检测距离可以通过调节背部的电位器改变。因为在其前部加了两个透镜，所以它的感应距离最远可达80厘米，感应的最小距离可以近至3厘米。它工作电流范围为为10~15mA而工作电压为5V。

红外测距的原理是三角测距，传输红外光束的角度可以调节，光线会转回,检测反射光后,所述物体之间构成三角几何关系,便可以计算如图3-2-1所示的对象距离D。D值的大小随着图3-2-1中的L值的增大而减小，所以如果这些物体距离传感器很近但超过了CCD 的探测能力范围，也就是D值很小时，传感器会无法检测到该物体；而当D值很大时这时传感器测定的精度会降低，因此，红外传感器在进行测量时，与被测量物体的距离都小于超声波。

图3-2-1 红外测距原理图

E18-D80NK红外传感器为TTL型的光电开关不需要进行AD转换，它可以输出高电平1和低电平0，在未检测到有物体遮挡时E18-D80NK输出高电平1，反之若受到了物体的遮挡，E18-D80NK输出低电平0。外部上拉电阻器的输出端可连接到IO口，并连接1K欧姆左右的上拉电阻，上拉电阻的目的是使电路稳定。检测人体靠近电路如图3-2-2所示，管脚1GND接地，管脚2接VCC，管脚1为OUT输出线接入到单片机，单片机可以直接接收到E18-D80NK输出的高电平1或低电平0。

图3-2-2检测人体靠近电路

3.3 语音识别电路的设计

3.3.1语音识别模块的选择

语音识别芯片的工作原理是，通过采样将语音信息转换为数字，使机器听懂人类的语言并执行人类的各种命令，此外，语音识别芯片还可以实现人与机器间的对话。

本次设计采用非特定人语音识别及连续语音识别技术，所谓特定人语音识别是指只要语言相同就可以，不需要区分年龄、性别、音色，因此不需要采集很多人的声音样本数据就可以做交互系统识别，但是识别的技术性能不稳定、准确度不高。而连续语音识别是指可以用流利自然的方式，实现人性化的声音识别，但由于说话时难免会出现连音的问题，所以辨认效果不是很好。

图3-3-1 LD3320工作原理

选用由一片STC11 单片机和一片LD3320 组合形成的语音识别模YS-LDV7。其中LD3320芯片是一种应用较为广泛的语音识别芯片，可以在很多电子产品上使用。它的工作原理如图3-3-1所示，声音信息从MIC输入，紧接着对其进行频谱数据分析、语音技术特征及关键词语列表的提取，在对比匹配、找出最合适的关键词语后，显示输出其识别的结果。

3.3.2 YS-LDV7语音识别电路的实现

YS-LDV7模块具备 1 个 5V TTL 串口和16个单片机IO口的引出，可以与外部单片机进行通信交互信息，也可此控制继电器等设备。

LD3320内部的工作电压为3.3而供电电压为5V，IO高电平的输出为3.3V，而它的通信方式为5V的TTL串口通信。如果在与其他单片机或者其他设备的连接时，要注意串口电平需为 5V，这与语音模块电平一致，如果电平不一致，可以加入串口电平转换模块，否则通信会有异常，设备端口也会受到损坏。

本次设计中，将生活中常见的垃圾划分为干垃圾、可回收垃圾、厨余垃圾这三种类型，每种垃圾类型下自定义一些常见垃圾名称，例如当用户说出“湿纸巾”的时候，便识别其为“干垃圾”类。YS-LDV7模块识别的最大灵敏度的距离可高达5 米 以上而最小为靠近嘴边说话。语音识别电路如图3-3-2所示，芯片上的五根管脚依次为 GND、RXD、TXD、 5V、3.3V，其中3.3V 的口为输出口，可用于外部设备的供电利用，一般未用上直接忽略不用即可，而 RXD 和 TXD 则为实际内部单片机的串口接收和发射端口，所以在与外部串口设备连接时，要特别注意 RXD 接 TXD 的交叉接法。

图3-3-2 语音识别电路

3.4 舵机控制电路设计

3.4.1 舵机的选择

舵机主要由电机、电位器、控制电路、减速齿轮组等等构成，舵机是电动机且直流电机是它的动力来源，在它内部安装有控制电路板和角度传感器，用来控制舵机转动的角度和检测信号的反馈情况。本次设计选用微型舵机，利用舵机的舵盘转动来模拟垃圾桶盖的开合。

舵机有地线、电源线和脉宽控制信号线。如图3-4-1所示，从脉宽控制信号线输入频率为50HZ周期为20ms的PWM波给舵机，高电平的脉冲宽度即脉冲的占空比不同，舵机的输出角度也不同，所以想要改变舵机的输出角度只需要改变脉冲的占空比即可。

图3-4-1 舵机输出轴转动原理图

3.4.2 舵机电路的实现

舵机接收脉宽调制信号（PWM信号），改变高电平脉冲的占空比即上升沿与下降沿之间的时间宽度，可以调节舵机转动到所需要的不同角度。

首先，控制信号通过接收机的通道进入信号调制芯片，获得了直流偏置电压；其次，比较电位器的电压值与获得的直流偏置电压值得到了电压差输出；最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片上决定了舵机的正向转动或者反向转动。而当电机转速一定时，级联减速齿轮带动电位器旋转使电压差值为零，电机会停止转动。

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