吳 杭，趙川東，吳成玉，林欽陽，楊嘉琦，王曉平

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315000）

一、引言

垃圾分類作為垃圾處理的前端環(huán)節(jié)，其作用早已得到世界的公認(rèn)。分類收集不僅能大幅度減少垃圾給環(huán)境帶來的污染、節(jié)約垃圾無害化處理費(fèi)用，更能使寶貴的自然資源得到重復(fù)利用[1]。本項(xiàng)目基于單片機(jī)和語音識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能分類垃圾桶，具有一定的創(chuàng)新性，值得深入研究。

二、設(shè)計(jì)過程

本項(xiàng)目針對(duì)垃圾分類問題，通過語音識(shí)別、報(bào)警、提示功能、單片機(jī)的控制功能和垃圾監(jiān)測功能對(duì)辦公場所、寢室等環(huán)境下進(jìn)行方便和有效地垃圾分類投放。以單片機(jī)作為核心系統(tǒng)，利用電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊控制垃圾桶的開蓋及轉(zhuǎn)動(dòng)角度?？紤]到步進(jìn)電機(jī)可以簡單并且精確地控制其輸出軸旋轉(zhuǎn)角度和方向，因此本項(xiàng)目使用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)垃圾桶開蓋。在本項(xiàng)目的眾多模塊中語音識(shí)別和控制是關(guān)鍵功能模塊，本項(xiàng)目使用了LD3320“語音識(shí)別”專用芯片。當(dāng)用戶使用此垃圾桶時(shí)，說出所投垃圾的相關(guān)詞匯，例如“玻璃”、“塑料”等，通過語音識(shí)別和控制模塊，檢索LD3320芯片中已經(jīng)錄入的垃圾種類關(guān)鍵詞可以將桶蓋打開并旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，從而實(shí)現(xiàn)垃圾分類投放的目的。

智能分類垃圾桶的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖2是實(shí)現(xiàn)四種垃圾分類的筒體和桶蓋的示意圖。

圖2 智能垃圾桶四種分類示意圖

三、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括STC11L08XE單片機(jī)控制系統(tǒng)[2]、LD3320語音識(shí)別模塊、語音自動(dòng)打開和關(guān)閉桶蓋、負(fù)責(zé)垃圾桶蓋開合的ULN2003控制28BYJ-48的4相5V步進(jìn)直流電機(jī)以及9V的電源，電源需要分別給控制板模塊和電機(jī)模塊供電。

語音識(shí)別芯片LD3320是一塊基于非特定人語音識(shí)別技術(shù)的聲控芯片。芯片上集成了高精度的 A/D 和 D/A 接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表可以動(dòng)態(tài)編輯，事先只需要設(shè)定好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語，并把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到LD3320內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后就可以對(duì)用戶說出的關(guān)鍵詞語進(jìn)行識(shí)別，再做出相應(yīng)的操作，避免了因識(shí)別模糊而造成的困擾。語音識(shí)別模塊直接分析處理原始語音，提高了識(shí)別速度，符合垃圾分類對(duì)語音識(shí)別的要求。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖

STC11L08XE單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別到的關(guān)鍵詞直接控制電機(jī)打開桶蓋并旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置。垃圾投放完畢之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉垃圾桶蓋，避免垃圾異味擴(kuò)散。5V步進(jìn)電機(jī)馬達(dá)和ULN2003驅(qū)動(dòng)板5V測試模塊板安裝方便、操作簡單。電機(jī)馬達(dá)可以用ULN2003直接驅(qū)動(dòng)[3]，也可以接成2相使用。另外，有四個(gè)發(fā)光二極管指示四相步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的狀態(tài)，如果出現(xiàn)問題能夠及時(shí)顯示出來。系統(tǒng)配有步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，檢修以及使用時(shí)可以隨時(shí)插拔。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）語音識(shí)別模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中的語音識(shí)別模塊控制以中斷響應(yīng)為主，其具體流程如圖4所示。

圖4 語音識(shí)別模塊流程圖

首先是程序的初始化，包括寄存器的設(shè)置、軟復(fù)位、時(shí)鐘頻率設(shè)定、FIFO設(shè)定等，用于激活芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)模塊，等待輸入。

第二步是寫入識(shí)別列表，即需要識(shí)別的語音關(guān)鍵詞，項(xiàng)目中使用的LD3320芯片可支持最多50個(gè)識(shí)別條目，每個(gè)識(shí)別條目必須是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語小寫拼音，每2個(gè)字(漢語拼音)之間需插入一個(gè)空格間隔。同時(shí)每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)編號(hào)，編號(hào)可以任意設(shè)置，但在數(shù)值上必須小于256 (00H—FFH)，將識(shí)別條目按照順序存儲(chǔ)在寄存器中。本項(xiàng)目共設(shè)置了16個(gè)識(shí)別條目，即各種垃圾的名稱拼音，如su liao、dian chi等。

然后，輸入音頻。對(duì)單片機(jī)說出某些語音，系統(tǒng)開始識(shí)別，程序進(jìn)入中斷，如圖5所示。在經(jīng)歷了語音頻譜分析、特征值提取之后，將特征值保存在另一寄存器中，與寫入的識(shí)別列表進(jìn)行比較匹配，找到匹配度最高的識(shí)別條目作為輸出。

圖5 中斷程序流程圖

（二）電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用的四相五線步進(jìn)電機(jī)，首先在主函數(shù)外編寫一個(gè)控制電機(jī)轉(zhuǎn)過指定角度的函數(shù)，這個(gè)角度值由函數(shù)的形式參數(shù)給出，然后在主函數(shù)中就可以方便的通過更改調(diào)用時(shí)的實(shí)際參數(shù)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)過任意的角度。更改節(jié)拍和角度，從而達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率。

理論上電機(jī)的減速比為1:64，但在設(shè)計(jì)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)測的減速比為1:63.684，所以在實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生0.0049的誤差，即電機(jī)轉(zhuǎn)100圈就會(huì)產(chǎn)生半圈的誤差，所以我們按照1:63.684的實(shí)際減速比，設(shè)定轉(zhuǎn)過一圈所需要節(jié)拍數(shù)為64×63.684≈4076。

電機(jī)初始化確認(rèn)了角度和節(jié)拍，再進(jìn)入語音識(shí)別中斷程序，識(shí)別到了正確關(guān)鍵詞后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)不同識(shí)別條目分屬的垃圾種類，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不同的圈數(shù)，使得對(duì)應(yīng)垃圾口移動(dòng)到相應(yīng)的垃圾框上，其工作流程如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖

五、結(jié)語

黨的十九大報(bào)告指出，“建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)”，報(bào)告首次將生態(tài)文明建設(shè)納入國家現(xiàn)代化戰(zhàn)略目標(biāo)。而垃圾分類是生態(tài)文明建設(shè)的重要環(huán)節(jié)和重要抓手。本項(xiàng)目基于單片機(jī)和語音識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能分類垃圾桶，可以有效地幫助用戶實(shí)現(xiàn)垃圾分類投放。