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摘要：随着家居的智能化程度越来越高，本产品设计主要完成语音控制移动分类的智能垃圾桶产品研发与设计，以满足用户扔垃圾不愿移步、不愿花有限的时间去记忆各类垃圾的种类的问题，实现家居智能化。本设计主要采用单片机技术，通过语音识别模块、声源定位模块、红外避障模块和语音垃圾分类模块等电路功能，采用“时差法”实现声源定位，用语音分类模块辨别上百种语音词条，实现可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其它垃圾的自动分类等。

关键词： 智能垃圾桶  单片机  语音分类

资金来源：江西省教育厅科学技术研究项目《基于嵌入式STM32技术的智能垃圾桶的研究与实践》 项目编号：GJJ214201

0引言

随着人们生活水的平提高，家居智能化成为居民生活的必然选择。垃圾桶作为居民生活的必需品，人们希望垃圾桶也能实现智能化，方便居民的生活。目前，市场上的智能垃圾桶主要是自感应垃圾桶，这种垃圾桶主要是通过感应自动开盖的功能，可以解决传统垃圾桶手动开盖不卫生的问题。在实际生活动中我们对垃圾桶的智能化还有更高的要求，包括通过智能化实现垃圾分类、自动开盖、自动移动，并期待用语音信号控制这些这些功能的实现等，给垃圾桶带来更多的科技感。本产品是一款可以用语音控制进行分类移动的智能垃圾桶，以满足用户扔垃圾不愿移步、不愿花有限的时间去记忆各类垃圾种类的问题，实现家居智能化。

1设计方案

设计方案主要采用单片机技术 STM32F10X 主控系统控制中心，整体包括：语音识别模块、声源定位模块、红外避障模块和语音垃圾分类模块等。采用“时差法功能算法”得到声源坐标，实现声源定位。通过语音唤醒语控制垃圾桶开启工作时间及运动选择，并采用红外线感应避障原理，通过寻找声源到达声源发源地点，用语音分类模块辨别上百种语音词条，实现可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其它垃圾的自动分类等。 本设计的总体设计方案如图 1所示。

2硬件设计

2.1语音控制垃圾分类模块的设计

语音识别芯片采用 ICRoute 公司生产的型号为LD3320芯片，在收到外界发出的触发信号（按键、触摸按键、红外等）时，LD3320就会启动一次识别。本设计采用拾音器收集语音信号作为触发信号，单片机内部可以存储常用近百条垃圾词条，通过程序设计，将词条归类为厨余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾和其它垃圾四大类型，用户用语音表达出垃圾词条，电路通过拾音器（麦克风）进行声电转换，四种垃圾种类分别给出四个舵机驱动信号，驱动四个垃圾桶开盖，实现用语音播报单片机编程自动垃圾分类的目的。

2.2声源定位移动模块

声源定位移动模块利用的是声音到达“时间差”声源定位原理。由于声波在空气中以一定速度传播，同一声源到达不同位置的拾音器（麦克风）的相位不同，根据这些拾音器（麦克风）对同一声音的相位差别，计算出同一声音到达每个拾音器（麦克风）的时间，再根据时间差定位声源位置，并根据声源定位引导垃圾桶朝声源方向移动。

如图2，设O点为原点传声器、A点为x轴上拾音器（麦克风）、B点为y轴上拾音器（麦克风），C为待求声源坐标。设O点最先检测到声源，以O点为圆心做圆，连接AC、BC，设圆周长为r，圆外长度分别为r1、r2，设经过r1需要时间为t1，经过r2需要时间为t2，声速为v（v=340m/s），计算时间t1、t2，求出r，再求出x和y。以上就是基于时差法声源定位的原理分析。单片机根据声源定位模块计算并输出的声音位置信号，通过单片移动模块的程序设计，输出定位信号驱动垃圾桶4个车轮舵机运动，实现沿声音方向的移动。

2.3红外线避障模块

红外线避障模块采用红外光电传感器进行感应，包括红外发射器和接收器，由红外发射器发射红外光信号，障碍物遇到红外光信号会进行反射，反射信号由红外接收器接收，并进行光电转换，距离障碍物越近反射信号越强，光电转换电压越小，距离越远反射信号越弱，光电转换电压越大，用这种光电转换电压作为障碍物识别电压，控制运动物体避开障碍物。一般的红外避障传感器具备较高精度，有效距离在 2-40cm ，工作电压为 3.3V-5V ，并可以利用电位器旋 钮调节监测距离。

3系统软件设计

系统采用C语言编程实现设计功能，主要包括声源定位和垃圾分类两大模块的单片机编程。垃圾分类模块是根据拾音器（麦克风）接收的语音信号进入程序存储库进行比较，通过程序判断发现四大类垃圾的哪一类，并发出不同的指令控制四个垃圾桶的四个开盖驼机，实现垃圾分类。声源定位模块是采用不同位置的扬声器阵列接收同一声源的声音，根据到达的时间差不同，并通过算法计算声源坐标实现定位。声源定位设计流程图如图3。

4结束语

本文设计了一款智能化垃圾桶，能够进行语音控制智能化操作，实现语音输入自动分类，声源定位智能移动，红外自动避障等功能，大大简化了居民手动扔垃圾和实现垃圾分类的过程，具有一定的技术创新，产品具有低成本、性能优良的特点，具有一定的市场实用价值。

参考文献：

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[2] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].第四版.北京：电子工业出版社，2010.

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