傅龙顺 王程波 宣鑫璐 李然 王鑫辉
绍兴文理学院 浙江绍兴 312000
摘要：本文从垃圾分类的热潮出发，分析了垃圾分类中存在的问题，提出一种基于STM32的辅助分类变容垃圾桶。该垃圾桶采用基于ARM的STM32F103RCT6的处理器并配载语音识别、语音播报模块等实现辅助垃圾分类投放。该垃圾桶适用于居家、办公室等室内场所，可有效减少后期人为再分类的工作量，极大地提高了人们的垃圾分类意识，同时可有效节约原生资源，改善环境质量，带动绿色发展，引领绿色生活。
关键词：垃圾分类；STM32
2017年3月18日经国务院同意通过了《生活垃圾分类制度实施方案》。垃圾分类是垃圾管理全产业链的基础环节，是从垃圾产生的源头实现垃圾的分拣和减量，垃圾分类能有效保证后续的运输、处理和再利用的安全与效率。虽然我国已经制定垃圾分类制度，但目前的垃圾分类的工作仍处于进展缓慢的阶段，其中较为突出的两个问题是人们的垃圾分类意识弱，垃圾的分类知识匮乏。针对这两个较为突出的问题，我们设计了基于STM32的辅助分类变容垃圾桶，从垃圾产生的源头实现垃圾的分类，有效地解决了垃圾分类难的问题，在垃圾投放的同时增强了人们垃圾分类的意识和垃圾分类的知识。
1.硬件设计
辅助分类变容垃圾桶主要是包含CPU处理部分、语音识别部分、语音播报部分、步进电机控制部分、电源部分等部分。我们基于STM32设计的辅助分类变容垃圾桶，在用户说出所扔垃圾的名称之后，通过语音识别模块采集语音信息再将声音信号转化为电信号然后对电信号进行分析得到声音中所包含的信息，之后通过串口输出给MCU，MCU收到信息后进行解码，解码成功后在内存中找到相关的词条，通过词条找到与之相对应的垃圾类别，然后STM32给驱动芯片发送脉冲信号，驱动芯片发出驱动信号给电机，通过控制步进电机的转动方向来实现特定位置垃圾桶盖的开合，在桶盖打开后语音播报所扔垃圾的相应类别，当用户投放完垃圾后，由步进电机控制垃圾桶盖的转动使桶盖闭合。该装置框架图如图1所示。
图1 装置总框架图
1.1MCU部分
该装置采用的是基于STM32F103RCT6[1]的一种嵌入式-微控制器的集成电路(IC)，该控制芯片为23位芯片，主频最高可达72MHZ，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K。具有芯片集成定时器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种外设功能。该芯片内部含有高速USART能够满足MCU与语音识别模块的通讯，并且能够输出高速PWM方便用于控制步进电机运动的信号,满足了我们对于控制步进电机转动垃圾桶盖到指定位置的需求。
1.2语音识别部分
语音识别方面选择LD3320语音识别模块[2]，LD3320含有串口通讯和ISP两种通讯接口，可识别中文的普通话，可选择5V和3.3V的供电，但是需要电源的稳定。只需将LD3320模块和MCU之间通过串口连接起来，语音识别模块将识别到的语音信息编码之后发送给MCU，MCU解码后得到相应的信息，然后MCU在用户事先设置好的内存区域里寻找相应的词条，然后再根据词条的具体位置判断相应垃圾的所属分类，从而驱动电机做出相应的反应，以此达到识别的效果。
1.3语音播报部分
采用的是JQ8400语音模块，该语音播报模块内置1Kb的FLASH能够存储多条语音，且配置了SPI的通讯方式，能够与外部进行通讯。当MCU解码后将信号传给该模块，然后JQ8400将语音以电压信号的形式从SK+和SK-两个引脚上发出去，改引脚上面接上喇叭即可将电压信号转换为声音
1.4步进电机控制部分
本项目需要利用电机对垃圾桶盖进行转动，整个转动的过程需要电机能转动到指定的位置，而且能够不被角度限制，并能够实现正反转，综合考虑，我们选择42h2p48步进电机，该步进电机相关参数如下：1.扭矩：0.5N*m；2.步距角：1.8°；3.额定电流为1.2A；4.电机重量：0.35Kg；5.转动惯量：68g*Cm^2。
步进电机的驱动必须需要一个驱动器作为媒介，驱动器选择：TB6600驱动器，相关参数如下：1.电压输入范围：9—40V；2.电流输出可选：0.5—4A；3.细分可选：1，2，4，8，16，32；4.信号输入：5-24V DC兼容。
1.5电源部分
本项目需要驱动提供12V的电压给步进电机驱动器，用于驱动步进电机，同时还需要为MCU提供3.3V的稳定电压，综上本项目需要12V和3.3V的电压，考虑到垃圾桶使用环境的多样化，最终电源选择12V的铂电池然后利用LM2596开关电源芯片和1117线性稳压芯片稳压，得到5V和3.3V的电压，以供系统使用。
2.两种模式
该智能垃圾桶存在两种模式：
2.1普通模式，打开盖子之后垃圾桶会等待指定时间以便用户将垃圾扔进去然后再关闭桶盖。
2.2常开模式，该模式是针对需要经常往垃圾桶里丢垃圾的人群和相对应的活动设计的。只要在普通模式下给出相应的语音指令就可以进入该模式，在该模式下，垃圾桶打开桶盖之后不会关闭，直到用户将垃圾丢弃完毕不再需要的时候可给出相应的语音指令关闭桶盖，并回到普通模式待机，等待用户的下次使用。
3.变容设计
本设计将单个垃圾桶分为四格以达到垃圾投放四合一的效果，桶内的每一格用于存放不同类别的垃圾。同时在桶内我们添加了相关机械结构，巧妙地将垃圾的重力势能转换为对单格垃圾存放区域内两侧桶壁的推力，当单格垃圾存放区域内垃圾过多时，存放这类垃圾的一格空间变大，而当垃圾被取出时在相关机械结构的作用下会使该区域容积会自动恢复到初始大小。这使得桶内空间的利用率提高，解决了传统意义上某类垃圾数量少但占用的空间大的情况。
4.结论
垃圾分类处理已经成为人类不得不面对的、必须要做的事情，但我国现阶段垃圾分类比较混乱，还没有真正实施起来。[1]要想做好垃圾分类的工作，必须从垃圾产生和投放的源头开始落实，努力提高人们垃圾分类的意识，增长垃圾分类的知识。本设计是一款针对居家、办公室等室内垃圾分类困难的设计，该设计在满足了人们对于垃圾分类的需求的同时，又减少了采用多个垃圾桶进行垃圾分类带来的空间冗杂。在使用本设计进行垃圾投放时，用户既能收获到垃圾分类的知识，也能做好垃圾分类，实现了从源头上做好垃圾分类的工作。
参考文献：
[1] 基于STM32无线数据采集单元的设计[J].电子设计工程，2016,24（18）:97-100
[2] 金鑫，田犇，阙大顺.基于LD3320的语音控制系统设计实现[J].电脑与信息技术，2011,19（6）:22-25
[3]吴寅.我国垃圾分类现状及建议[J].资源环保与节约2020（09）：25-26