語音控制自動分類智能垃圾桶設(shè)計(jì)*

劉 磊，潘 旭，余 坤，林 權(quán)

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，近年來智能垃圾分類裝置研發(fā)一直是業(yè)界學(xué)者的研究熱點(diǎn)，普通民眾也都意識到保護(hù)環(huán)境的重要性[1-3]，國家也相繼出臺了“生活垃圾分類制度實(shí)施方案”等法規(guī)，全國進(jìn)入垃圾分類的“強(qiáng)制時(shí)代”，各種各樣的智能垃圾桶接踵而來，但目前市場上各種智能垃圾桶普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和價(jià)格“不親民”等不足[4-6]，在此研發(fā)一種新型智能分類垃圾桶，該智能垃圾桶不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且制造成本低，能夠滿足廣大家庭用戶的使用需求，市場應(yīng)用前景好。

1 智能垃圾桶設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)組成

圖1 為智能分類垃圾桶結(jié)構(gòu)，其中圖1（a）為三維模型展示，圖1（b）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示，該垃圾桶分為內(nèi)、外桶兩個(gè)部分，外桶1 安裝設(shè)置驅(qū)動內(nèi)桶10 的轉(zhuǎn)動裝置，轉(zhuǎn)動裝置主要包括轉(zhuǎn)盤電機(jī)11、中心軸9、轉(zhuǎn)盤2等，四個(gè)內(nèi)桶10 分別為可回收垃圾桶、有害垃圾桶、濕垃圾桶和干垃圾桶，形狀為扇形，垃圾桶通過語音識別模塊控制垃圾桶的開啟關(guān)閉，以及所需內(nèi)桶的旋轉(zhuǎn)復(fù)位，語音識別控制模塊安裝于垃圾桶蓋4 的內(nèi)側(cè)。

圖1 智能分類垃圾桶結(jié)構(gòu)

智能垃圾桶正常工作中，當(dāng)投放垃圾時(shí)，使用者只要說出垃圾種類，例如“紙盒”，語音識別模塊的聲控接收器接收到語音信號，則驅(qū)動轉(zhuǎn)盤電機(jī)11 帶動中心軸9 轉(zhuǎn)動，同時(shí)轉(zhuǎn)盤2、內(nèi)桶10、轉(zhuǎn)架3 和垃圾袋固定盤7跟隨中心軸9 轉(zhuǎn)動，將“紙盒”相應(yīng)的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)到垃圾桶蓋4 扇形缺口的正下方，隨之轉(zhuǎn)蓋電機(jī)5 帶動垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 轉(zhuǎn)動打開垃圾桶，使用者完成投放垃圾。垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 停留5 秒則自動合上，同時(shí)，在垃圾袋固定盤7 和內(nèi)桶10 空隙中安裝的紅外光電傳感器，能夠隨時(shí)監(jiān)測垃圾堆滿的高度，如若垃圾達(dá)到規(guī)定高度，則會觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，提醒使用者更換垃圾袋，并且垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 處于常開狀態(tài)。更換垃圾袋完成后，紅外光電傳感器每次間隔兩分鐘檢測一次垃圾堆放狀況，如若垃圾未達(dá)到規(guī)定高度，則會驅(qū)動垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 閉合，隨后內(nèi)桶也會復(fù)位轉(zhuǎn)動到初始位置。

2 智能垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，圖中轉(zhuǎn)盤6、垃圾袋固定盤3 和轉(zhuǎn)架5 通過法蘭盤聯(lián)軸器4 與中心軸2 連接，中心軸2 通過剛性聯(lián)軸器1 與轉(zhuǎn)盤電機(jī)7 連接，使得轉(zhuǎn)盤電機(jī)7 驅(qū)動中心軸2 轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)盤6、垃圾袋固定盤3 和轉(zhuǎn)架5 隨之轉(zhuǎn)動。另外，為了避免中心軸2 在轉(zhuǎn)動時(shí)，出現(xiàn)偏離中心的擺動現(xiàn)象，在中心軸2 的另一端通過軸承9 安裝支撐垃圾桶蓋8 的內(nèi)側(cè)，垃圾桶蓋8 作為固定支撐與外桶固接，實(shí)現(xiàn)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)相對外桶和桶蓋相對運(yùn)動。

圖2 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

圖3（a）為垃圾袋固定盤三維零件模型，垃圾袋固定盤扇形側(cè)邊上都設(shè)計(jì)有類似雪花狀的凹槽，更換垃圾袋時(shí)，將垃圾袋塞入雪花槽可以起到固定作用，防止投放垃圾時(shí)將垃圾袋扯下。圖3（b）為轉(zhuǎn)盤三維零件模型，由圖2 可知垃圾內(nèi)桶放置在轉(zhuǎn)盤6 的上面，轉(zhuǎn)盤位于智能垃圾桶底部，不僅支撐著四個(gè)垃圾內(nèi)桶，防止各內(nèi)桶因?yàn)橹亓坎煌l(fā)生傾斜，而且?guī)铀膫€(gè)內(nèi)桶相對外桶同時(shí)旋轉(zhuǎn)。另外，為了避免轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)桶發(fā)生位移，因此在轉(zhuǎn)盤上開設(shè)與內(nèi)桶形狀相似的四個(gè)扇形槽，一個(gè)內(nèi)桶定位于一個(gè)扇形槽上，且為了轉(zhuǎn)盤在垃圾桶內(nèi)定位準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)為球冠形狀。圖3（c）為轉(zhuǎn)架三維零件模型，轉(zhuǎn)架為一平板上開設(shè)四個(gè)扇形通孔的支架結(jié)構(gòu)，扇形孔的形狀尺寸大小與轉(zhuǎn)盤上的扇形槽一樣，轉(zhuǎn)架的作用在于避免在內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)過程中，四個(gè)內(nèi)桶相互之間以及內(nèi)外桶之間發(fā)生碰撞摩擦，或者發(fā)生干澀內(nèi)外桶旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，同時(shí)也對內(nèi)桶的位置起進(jìn)一步定位作用。

圖3 固定盤、轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)架

2.2 開合蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4（a）為智能垃圾桶開蓋時(shí)的狀態(tài)，圖4（b）為閉合時(shí)的狀態(tài)，需要投放垃圾時(shí)，語音識別模塊會根據(jù)語音內(nèi)容，驅(qū)動桶蓋電機(jī)3 將垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 將重疊在垃圾桶蓋2 上方，如圖4（a）所示，同時(shí)語音識別模塊驅(qū)動內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將備投垃圾類型的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)至圖4（a）中扇形缺口的正下方，完成智能垃圾桶開蓋和轉(zhuǎn)桶動作。投放結(jié)束后，內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)復(fù)位，同時(shí)桶蓋電機(jī)3 將驅(qū)動垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，智能垃圾桶恢復(fù)合蓋狀態(tài)，如圖4（b）所示。該智能垃圾桶采用旋轉(zhuǎn)式開合蓋結(jié)構(gòu)，不僅需要的工作扭矩比翻轉(zhuǎn)式開合蓋小，而且垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 設(shè)計(jì)面積大于四分之一垃圾桶蓋2 的面積，能有效完整地覆蓋扇形開口，有效防止垃圾異味擴(kuò)散到環(huán)境中，避免了對家庭環(huán)境的影響。

圖4 開蓋合蓋

2.3 垃圾體積檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能檢測內(nèi)桶垃圾堆放狀況，如圖5 垃圾體積檢測結(jié)構(gòu)所示，在垃圾桶蓋缺口的正下方，垃圾袋固定盤2 和內(nèi)桶1 之間設(shè)置紅外光電傳感器，作為體積檢測平面，紅外發(fā)射端3 安裝在垃圾袋固定盤2 上，紅外接收端4 安裝在內(nèi)桶1 外壁上，當(dāng)某個(gè)內(nèi)桶垃圾堆放超過體積檢測平面時(shí)，光電傳感器發(fā)送信號給控制中心，控制中心則傳遞信號給蜂鳴器，蜂鳴器報(bào)警提示使用者更換垃圾袋。

圖5 垃圾體積檢測結(jié)構(gòu)

2.4 內(nèi)桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 為內(nèi)桶零件三維模型，由于垃圾桶外桶設(shè)計(jì)為圓柱形，在此基礎(chǔ)上，為了使內(nèi)桶盡量擁有較大的容量來堆積更多的垃圾，因此將內(nèi)桶設(shè)計(jì)成扇形結(jié)構(gòu)，且在內(nèi)桶兩直角邊設(shè)計(jì)了兩個(gè)向內(nèi)側(cè)凹半圓槽，主要目的是為了清洗時(shí)把內(nèi)桶取出來，可借助兩個(gè)半圓槽快速取出，增加智能垃圾桶的使用便捷性。

圖6 內(nèi)桶零件三維模型

3 智能垃圾桶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件選擇

本設(shè)計(jì)采用Arduino UNO R3 為智能分類的系統(tǒng)核心，由紅外光電傳感器、電源電路、驅(qū)動模塊、語音模塊構(gòu)成智能分類控制系統(tǒng)，其工作流程如圖7 所示。首先對使用者發(fā)出的語音進(jìn)行識別判斷，獲知垃圾類別，再驅(qū)動相應(yīng)的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)到垃圾投放口，接著垃圾桶蓋旋轉(zhuǎn)打開，使用者投放垃圾，完成投入垃圾后紅外光電傳感器進(jìn)行紅外檢測，判別垃圾堆放高度，按需發(fā)出警報(bào)提示使用者更換垃圾袋，最后桶蓋旋轉(zhuǎn)關(guān)閉。

圖7 控制系統(tǒng)工作流程

3.2 主控電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主控電路是采用Arduino UNO R3，以Atmega328P 為基礎(chǔ)的智能語音分類垃圾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的語音識別控制垃圾桶的開啟關(guān)閉，電路輸入電壓為外部供電的7V-12V 直流電源輸入，USB 供電電源電壓為5V，電路原理圖如圖8 所示。

圖8 Arduino UNO R3 電路原理圖

其中電機(jī)和蜂鳴器的接線如圖9 所示，兩個(gè)電機(jī)與Arduino UNO R3 連接，GW600-5 渦輪電機(jī)接引腳8，同時(shí)外接電源；GA12-N20 電機(jī)接引腳9，同時(shí)也外接電源；在程序中以低電平驅(qū)動，以防單片機(jī)驅(qū)動時(shí)，電機(jī)所需的電壓不足。蜂鳴器則連接引腳11，另一引腳連接電源。

圖9 電機(jī)和蜂鳴器接線圖

3.3 語音識別模塊設(shè)計(jì)

本智能垃圾桶LD3320 語音識別模塊由STC11L08XE的主控芯片與LD3320A 的語音識別系統(tǒng)組成，原理圖如圖10 所示，圖10（a）為STC11L08XE 構(gòu)成主控芯片原理圖，圖10（b）為LD3320A 構(gòu)成語音識別系統(tǒng)原理圖。該模塊需要5V 電源以保證供電穩(wěn)定，可識別在2.0m 以內(nèi)的所有普通話，該模塊最多可以識別50 條語音，并可接任意單片機(jī)。其中STC11L08XE 的RXD 與主控電路的TXD 即引腳0 相連，TXD 連接RXD 即引腳1，如圖11 所示。

圖10 語音識別模塊電路原理圖

圖11 語音模塊與主控電路接線

3.4 紅外光電傳感器

本智能垃圾桶采用紅外F3 對射式傳感器，可感應(yīng)2.0-25.0cm 的距離，檢測距離可調(diào)節(jié)，感應(yīng)時(shí)間為2.0 ms，工作電源為4.5V-5.5V，輸出電流100.0mA，具有靈敏度高、使用壽命長的特點(diǎn)，其電路原理如圖12 所示。圖中顯示，左邊為發(fā)射端，引腳1 連接GND，引腳2 連接VCC；右邊為接收端，引腳1 連接VCC，引腳2 連接Arduino UNO R3 圖9 的引腳10。

圖12 紅外F3 對射式傳感器電路圖

3.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本智能垃圾桶通過語音識別控制垃圾桶蓋開閉以及垃圾桶內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)。

首先語音模塊的程序設(shè)計(jì)，設(shè)置四個(gè)指令，分別為干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾、有害垃圾，如下所示：

然后是識別后工作程序，以下程序?yàn)槔稗D(zhuǎn)蓋正下方的內(nèi)桶假設(shè)為干垃圾內(nèi)桶的情況。當(dāng)語音模塊識別出干垃圾時(shí)，內(nèi)桶不動桶蓋旋轉(zhuǎn)，投入垃圾后進(jìn)行紅外檢測，若是檢測到垃圾堆滿則觸發(fā)蜂鳴器，其他保持原狀態(tài)。延時(shí)2 分鐘進(jìn)行再次檢測，如若沒有更換垃圾袋，將一直循環(huán)，若是檢測到內(nèi)桶未滿，垃圾桶蓋就會旋轉(zhuǎn)關(guān)閉。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目研發(fā)的新型智能分類垃圾桶主要由內(nèi)外桶、內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、開合蓋結(jié)構(gòu)、垃圾體積檢測結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。該垃圾桶通過利用語音識別模塊控制垃圾桶蓋開啟關(guān)閉和驅(qū)動內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)垃圾分類投放，利用紅外傳感器檢測垃圾的堆放體積，警示更換垃圾袋，內(nèi)桶分為可回收垃圾、有害垃圾、濕垃圾和干垃圾四類，符合我國的垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)，該新型智能垃圾桶，不僅結(jié)構(gòu)簡單制造成本低，而且使用便捷，適合廣大家庭用戶的推廣使用。