曾新紅，謝超強，李維堅

(廣州航海學院電氣工程系，廣州 510725)

我國提倡垃圾分類，建立了資源垃圾分類回收系統(tǒng)。上海于2019年7月1日正式實施了垃圾分類，但還有很多人沒有垃圾分類的概念，分不清楚干、濕垃圾。垃圾分類是實現(xiàn)綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，基于這種情況，設計了一款基于語音識別的智能分類垃圾桶。該設計利用STC11L08XE單片機，結(jié)合高性能語音LD3320語音識別模塊[1]、舵機等，能夠根據(jù)人們的語音提示，自動開合相應的垃圾桶蓋，實現(xiàn)了智能垃圾分類。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要由電源、USB轉(zhuǎn)TTL模塊、單片機、語音識別模塊和舵機組成。以單片機為核心，結(jié)合語音識別模塊，識別人們所說的垃圾處理方式的關鍵詞指令，根據(jù)相應的語音口令來控制相應垃圾桶上的舵機，實現(xiàn)垃圾桶蓋自動開合，從而滿足只需通過語音操控而無須接觸垃圾桶就可實現(xiàn)垃圾分類的要求[1]。該設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure drawing

1.1 USB轉(zhuǎn)TTL模塊

USB轉(zhuǎn)TTL模塊是把電平轉(zhuǎn)換到雙方可識別的信號再進行通信[2]。由于電腦和單片機通信接口的電平邏輯不一樣，本設計需要通過該模塊把USB口的輸出轉(zhuǎn)為單片機可識別的電平。

1.2 單片機模塊

使用的單片機型號為STC11L08XE，單片機基本參數(shù)如下：晶振22.118 4 MHz；波特率9 600 bit/S；工作電壓3.6～2.4 V/2.1 V (3 V 單片機)；工作頻率范圍0～35 MHz，相當于8051的0～420 MHz。利用單片機的P 2口作為PWM脈沖輸出口，P 2口引腳功能分配如表1。

表1 P 2口引腳分配Fig.1 P2 pin distribution

1.3 語音識別模塊

目前，語音識別所采用的方法多為模板匹配法[3]。由于聲音的多樣性，想要語音識別模塊精確得到正確的識別結(jié)果，要對很多聲音和詞語文本進行采集，存到模塊數(shù)據(jù)庫中，建造聲學模型和語言詞典模型，對模塊進行事先訓練。當有聲音信號產(chǎn)生時，模塊會對聲音信號進行接收并分析，通過時域分析或頻域分析后提取聲音信號的特征，與聲學模型和語言詞典模型進行匹配，匹配成功后輸出識別結(jié)果。

使用的語音識別芯片為LD3320芯片，它是一款不需外接存儲器等輔助器件即可實現(xiàn)語音識別、人機對話、聲控等功能的芯片[4]。

1.4 舵機

舵機是帶有位置伺服驅(qū)動器的小型電機，它的轉(zhuǎn)動角度多為0°～180°，轉(zhuǎn)動角度取決于控制信號的PWM信號脈沖寬度[3]，多用于需要角度能夠靈活變化且能保持的控制系統(tǒng)。本設計使用的是SG90型舵機。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)通電后，進行各個模塊的初始化操作。語音識別模塊進入一級口令識別模式，若一級口令識別成功，則進入二級口令匹配狀態(tài)，即進入環(huán)境輸入語音與系統(tǒng)中已設定好的關鍵詞語拼音列表配對模式，配對成功后將進行對應語句的控制操作，驅(qū)動相應的舵機動作，達到用戶設置好的延遲時間后，舵機復位，環(huán)境輸入語音與已定關鍵詞語拼音列表配對模式結(jié)束，回到口令識別模式進行待機。流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設計流程圖Fig.2 Flow chart of system software design

2.1 主程序設計

該設計的主程序先對語音識別模塊和舵機進行初始化，令口令模式進入死循環(huán)等待觸發(fā)，觸發(fā)成功即進行相應口令匹配和舵機控制，動作完成回到死循環(huán)狀態(tài)，等待下一次觸發(fā)。

2.2 語音識別模塊程序設計

為了較好地實現(xiàn)垃圾準確分類，該設計使用了兩級口令模式。設計的一級口令“健康生活”為喚醒功能，二級匹配口令控制分類垃圾桶開蓋功能，對于日常生活中各種垃圾的名稱(即所扔垃圾的名字，如蘋果，紙巾，塑料袋等)，模塊將自動識別口令并與已經(jīng)輸入的關鍵詞進行匹配，匹配成功就會觸發(fā)對舵機的操作，相應分類垃圾桶蓋便會自動打開。為了防止語音干擾，匹配準確，還需要設置一些防干擾詞語，避免相似詞語互相干擾而造成輸出錯誤的情況，確保準確率。

3 系統(tǒng)裝配與調(diào)試

3.1 系統(tǒng)裝配

由于該設計需要控制4個舵機，每個舵機都需要連接一個5 V電壓電源，而模塊只有一個5 V電源接口?？紤]到4個舵機常為單獨動作，可用一個電源，并聯(lián)4個接口，有足夠功率驅(qū)動。將5 V電源口和GND口進行焊接，并聯(lián)出多個5 V電源接口，如圖3所示。

圖3 集成模塊焊接正面圖Fig.3 Front view of integrated module welding

要考慮舵機和垃圾桶之間的連接達到最佳效果，一是需要考慮角度吻合，二是需要將舵機固定在垃圾桶旁且不顯得累贅。經(jīng)研究將舵機安放在垃圾桶的內(nèi)左側(cè)較合適，并在左側(cè)開了小孔讓線路穿出來，背后也開了小孔便于用繩索固定舵機，再用繩索將垃圾桶蓋與舵機工作手臂相連。經(jīng)多次調(diào)試后，確定將舵機轉(zhuǎn)動角度設為180度的效果最佳。舵機與垃圾桶蓋連接圖如圖4所示。

圖4 舵機與垃圾桶蓋連接外部圖Fig.4 External drawing of steering gear and trash can cover connection

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

該系統(tǒng)中用到4個垃圾桶，需要4臺舵機控制，效果大致相同，軟件調(diào)試從一臺舵機調(diào)試開始，再進行4臺舵機的編寫調(diào)試。采用延時函數(shù)來輸出PWM信號到IO口控制舵機。為防止舵機隨意轉(zhuǎn)動，需預先給舵機的轉(zhuǎn)矩設定一個初始角度。使用的單片機的晶振是22.118 4 MHz，所寫的延時函數(shù)應與之匹配。將舵機程序插入語音識別模塊主程序中，將舵機轉(zhuǎn)矩位置初始化程序放在口令識別循環(huán)中的首行位置，可達到較佳效果。單臺舵機調(diào)試完成后，再將4臺舵機控制程序插入到主程序中，達到了理想的結(jié)果。語音識別智能分類垃圾桶設計成品如圖5所示。

圖5 語音識別智能分類垃圾桶成品圖Fig.5 Finished trash cans of speech recognition of intelligent classification

4 結(jié)語

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，該垃圾桶組能準確實現(xiàn)垃圾分類。此款智能分類垃圾桶的設計為人們自覺進行垃圾分類提供了極大的便利，在日常生活中有一定的實用性。