基于STM32的智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄1緒論 11.1研究目的及意義 11.2國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀 11.3課題研究的主要內(nèi)容 22系統(tǒng)硬件整體實(shí)現(xiàn) 42.1STM32F103C8T6單片機(jī)簡介 42.2ESP8266WIFI模塊 2.3超聲波測距模塊 52.4舵機(jī)模塊 92.5語音模塊 103系統(tǒng)硬件整體實(shí)現(xiàn) 123.1系統(tǒng)程序總體流程圖 123.2各個(gè)模塊的程序設(shè)計(jì) 133.3ESP8266接入TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái) 154系統(tǒng)調(diào)試 194.1軟件調(diào)試 194.2硬件測試 195結(jié)論與展望 225.1研究結(jié)論 225.2未來展望 22參考文獻(xiàn) 24致謝附錄ESP8266接入Tlink代碼超聲波測距代碼摘要：垃圾分類確實(shí)是現(xiàn)代城市管理中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它對(duì)于資源的有效利用、環(huán)境的保護(hù)以及城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的垃圾桶模式由于管理上的不足，往往導(dǎo)致垃圾難以正確分類，進(jìn)而影響到垃圾處理的效率和環(huán)境衛(wèi)生狀況。針對(duì)傳統(tǒng)垃圾桶模式存在的問題，現(xiàn)代城市管理中可以采取一系列改進(jìn)措施。提出“智能垃圾桶”，它是一種新型的垃圾分類設(shè)備，通過采用單片機(jī)和傳感器等技術(shù)手段，對(duì)垃圾進(jìn)行更好的分類。本文將系統(tǒng)的闡述和分析智能垃圾桶的功能特點(diǎn)以及應(yīng)用前景等方面。介紹智能垃圾桶的研究目的和背景，以此來說明它在城市管理等方面的重要意義，圍繞“基于STM32單片機(jī)的智能垃圾桶“的功能進(jìn)行開發(fā)與研究，在了解當(dāng)今現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)垃圾桶進(jìn)行改進(jìn)，旨在開發(fā)出符合現(xiàn)今需求的智能垃圾桶產(chǎn)品。關(guān)鍵詞:STM32；垃圾分類；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)1緒論1.1研究目的及意義當(dāng)前國家對(duì)城市工作越來越重視，伴隨城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，每個(gè)人每日產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量也在逐步上升，然而許多地區(qū)的垃圾往往只是簡單堆放或者直接掩埋，這使得垃圾無法進(jìn)行分類處理，從而引發(fā)臭氣擴(kuò)散，并且會(huì)進(jìn)一步破壞土壤和地下水的環(huán)境。垃圾分類[1]的目的就是為了將廢棄物分流進(jìn)行處理，利用現(xiàn)有制造能力，回收利用廢棄物。實(shí)行垃圾分類，有效城鄉(xiāng)環(huán)境，進(jìn)行資源回收利用。智能垃圾桶能夠?qū)θ罕娖占袄N類，還能提高垃圾分類的準(zhǔn)確率和效率，減輕垃圾收集和后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)，從而減少清潔工人的工作量，降低垃圾處理的成本。為有效降低垃圾處理的成本，我們引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)使得垃圾處理過程中的各類數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)上傳至云平臺(tái)，為城市垃圾管理者提供了更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。這不僅增強(qiáng)了垃圾管理的效率和準(zhǔn)確性，還進(jìn)一步幫助我們實(shí)現(xiàn)成本的有效控制。1.2國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀垃圾污染問題，無疑是當(dāng)今城市環(huán)境衛(wèi)生領(lǐng)域所面臨的一大重要挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我國自2019年起，已經(jīng)在全國地級(jí)及以上城市全面展開了生活垃圾分類工作。垃圾分類回收不僅有助于實(shí)現(xiàn)垃圾的有效再利用，更是構(gòu)建綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在國外，長久以來一直都有開展垃圾分類收集，不少國家和地方政府也都出臺(tái)了垃圾分類的相關(guān)規(guī)定，并采取了多種措施以促進(jìn)垃圾分類收集工作的開展[11]，垃圾分類收集工作在國外已經(jīng)處于相對(duì)成熟的階段。比如美國和加拿大約有22%的城市已經(jīng)實(shí)施了智能垃圾箱戰(zhàn)略，而全球只有7%的城市實(shí)施了智能垃圾箱戰(zhàn)略[12]。我國從2000年開始，垃圾分類收集工作在北上廣等8個(gè)試點(diǎn)城市全面推行開。時(shí)至今日，盡管這些城市在垃圾分類收集方面取得了顯著成果，但智能化技術(shù)的運(yùn)用卻尚未普及，尚存在較大的發(fā)展空間。利用多種智能化設(shè)施APP，提升垃圾收集效率和精準(zhǔn)度，我國其他城市也在逐步探索智能化垃圾分半收集的方式[6]。隨著一系列政策文件的相繼出臺(tái)，我們可以明確得知，到2020年，全國范圍內(nèi)的46個(gè)重點(diǎn)城市將基本構(gòu)建起生活垃圾分類處理系統(tǒng)。進(jìn)一步展望至2025年，全國地級(jí)及以上城市亦將基本完成生活垃圾分類處理系統(tǒng)的建設(shè)，從而推動(dòng)城市環(huán)境衛(wèi)生的持續(xù)優(yōu)化。從這些數(shù)據(jù)可以看出，在垃圾分類制度的進(jìn)一步落實(shí)的背景，垃圾桶行業(yè)在未來5~7年內(nèi)將展現(xiàn)迅速上升趨勢，以往通過混合收運(yùn)的垃圾處理方式將變革，并且人口密集度高的區(qū)域的前置分類投放環(huán)節(jié)市場需求將急速增長。1.3課題研究的主要內(nèi)容現(xiàn)下，中國的生活垃圾數(shù)量持續(xù)上升，為垃圾分類產(chǎn)業(yè)提供了巨大的市場，國家政策的落實(shí)和技術(shù)的發(fā)展，也為之奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此背景下，本次課題選用STM32F103C8T6為主控，主要功能的實(shí)現(xiàn)如下。垃圾桶內(nèi)的垃圾量檢測是確保垃圾及時(shí)處理的重要環(huán)節(jié)。我們采用超聲波模塊測距的原理，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)垃圾桶內(nèi)垃圾量的實(shí)時(shí)檢測。一旦垃圾量達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值，相應(yīng)的指示燈會(huì)立即亮起，為用戶提供明確的清理提示，確保垃圾得到及時(shí)有效的處理。遠(yuǎn)程檢測和管理。通過WIFIESP8266模塊將垃圾桶垃圾量的信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)Tlink云平臺(tái)[8]，方便工作人員遠(yuǎn)距離的查看數(shù)據(jù)。語音提示功能。通過語音ASR-PRO模塊，采集并識(shí)別語音信息[2，7，10]，對(duì)不知道垃圾為哪一類的人提供幫助，辨別垃圾類別。按鍵控制垃圾桶開關(guān)。在考慮到聾啞人使用語音識(shí)別進(jìn)行垃圾分類不方便的情況下，為保證衛(wèi)生，采取按鍵控制垃圾桶開關(guān)。智能垃圾桶系統(tǒng)整體框架如圖1.1所示。圖1.1整體框架圖2系統(tǒng)硬件整體實(shí)現(xiàn)2.1STM32F103C8T6單片機(jī)簡介STM32F103C8T6是一款采用ARMCortex-M3內(nèi)核的微控制器，它憑借其出色的性能和穩(wěn)定性，廣泛適用于各類嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，成為眾多開發(fā)者的優(yōu)選之一。這款微控制器屬于ST公司微控制器中的STM32系列，這一系列是市場上廣泛使用的一種型號(hào)。其最小系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)核心組件構(gòu)成：首先是微控制器STM32F103C8T6芯片，作為系統(tǒng)的核心部件，它集成了強(qiáng)大的ARMCortex-M3內(nèi)核、高效的閃存、快速的SRAM以及豐富的外設(shè)接口，為整個(gè)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。它的引腳需要連接到其他電路板上的元器件，如晶振、電源電路、外設(shè)電路等。晶振。為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，通常使用8MHz的晶振。晶振需要連接到芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳上，并且需要加上兩個(gè)30pF的電容。電源電路。包括穩(wěn)壓器、電容、電感等，用于將輸入的電源電壓穩(wěn)定為芯片需要的電壓。STM32F103C8T6芯片通常需要3.3V的電壓輸入。外設(shè)電路如LED指示燈、按鍵等，用于擴(kuò)展芯片的功能。這些外設(shè)需要連接到芯片的GPIO引腳上，并且需要添加相關(guān)的電阻、電容等元器件進(jìn)行保護(hù)和控制。調(diào)試接口方面，通常我們采用SWD或JTAG接口，這些接口的作用在于連接調(diào)試器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的燒錄和調(diào)試工作，確保程序能夠正確無誤地運(yùn)行。STM32F103C8T6這款芯片有48個(gè)引腳，其原理圖如圖2.1所示。圖2.1.1STM32F103C8T6原理圖STM32系列單片機(jī)深受眾多工程師的喜愛與推崇。它以其出色的性價(jià)比與強(qiáng)大的功能贏得了市場的廣泛認(rèn)可。這款單片機(jī)搭載了專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用量身打造的ARMCortex-M內(nèi)核，為各種嵌入式應(yīng)用提供了強(qiáng)大的動(dòng)力與支持。此次方案選型STM32F103C8T6作為主控是由于相對(duì)于其他單片機(jī)，比如51單片機(jī)，STM32F103C8T6的主要優(yōu)勢為：強(qiáng)大的功能：STM32最高工作頻率可達(dá)72MHz，提供了高性能的處理能力，性能通常是51單片機(jī)的3-30倍，能夠處理復(fù)雜的任務(wù)。豐富的外設(shè)：多外設(shè)便于使用于多種應(yīng)用，而51單片機(jī)外設(shè)通常比較簡單，功能有限。內(nèi)存大、功耗小：STM32通常有更大的FLASH和RAM內(nèi)存，51單片機(jī)內(nèi)存較小，在功耗方面，STM32一般是優(yōu)于51單片機(jī)。兩者之間STM32更適合處理大量數(shù)據(jù)或復(fù)雜程序。開發(fā)方式：STM32比起51有更成熟的開發(fā)工具，比如各種IDE，調(diào)試器，仿真器。而且STM32可以進(jìn)行模塊化的編程方式，51更多的是依賴C語言編程。此次設(shè)計(jì)中以STM32為主控設(shè)計(jì)的基本電路圖如圖2.1.2所示。圖2.1.2電路圖通過杜邦線將STM32F103C8T6的I/O引腳與各個(gè)模塊的不同引腳進(jìn)行連接（引腳表1所示），高低電平、模擬信號(hào)的輸出輸入等，作用于模塊。表1STM32F103C8T6引腳對(duì)應(yīng)表類型詳細(xì)引腳備注WIFI-PA9TX舵機(jī)廚余PA0-有害PA1-可回收PA2-其他PA3-按鍵廚余PB12低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)有害PB13低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)可回收PB14低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)其他PB15低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)超聲波廚余PA4TRIGPA5ECHO有害PA11TRIGPA8ECHO可回收PA12TRIGPA7ECHO其他PA10TRIGPA6ECHO2.2ESP8266WIFI模塊ESP8266是一個(gè)功能強(qiáng)大且實(shí)用的模塊，尤其適用于需要無線連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景。選擇它作為數(shù)據(jù)傳輸功能的模塊，不僅因?yàn)槌杀镜汀r(jià)格在10塊左右，相對(duì)于其他的無線通信模塊，性價(jià)比高，而且還迷你便攜。還因?yàn)樗囊韵聝?yōu)點(diǎn)。高速數(shù)據(jù)傳輸：STM32F1與ESP8266WIFI模塊之間的有效傳輸速度以及最高無線傳輸速率都非常可觀，這保證了數(shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確地傳輸，滿足各種應(yīng)用場景的需求。AT指令配置：用戶可以通過串口發(fā)送AT指令去配置和使用ESP8266模塊，這大大簡化了模塊的集成和使用過程。性能穩(wěn)定：寬廣的工作溫度范圍，使得能在各種操作環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，這對(duì)于需要長時(shí)間運(yùn)行或工作在惡劣環(huán)境下的設(shè)備來說是非常重要的。低功耗：ESP8266的低功耗特性使其非常適用于電池供電的設(shè)備。待機(jī)狀態(tài)下的低功耗消耗有助于延長設(shè)備的整體使用壽命，降低維護(hù)成本。高度集成：模塊的高度集成化設(shè)計(jì)減少了外部電路的需求，降低了PCB空間占用，使得整體解決方案更加緊湊和高效。ESP8266結(jié)合STM32F1等微控制器，可以構(gòu)建出功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。ESP8266原理圖如圖2.2所示。圖2.2ESP8266原理圖如圖在此次設(shè)計(jì)中，通過WIFIESP8266模塊與Tlink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用TCP協(xié)議通信，將超聲波測距模塊所采集到的距離數(shù)據(jù)，通過WIFIESP8266模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)。方便工作人員遠(yuǎn)程查看垃圾桶填充情況，及時(shí)進(jìn)行處理，也方便進(jìn)行工作的規(guī)劃。2.3超聲波測距模塊超聲波具有良好的方向性和穿透能力，在多方面有廣泛的應(yīng)用，可以用來測距離和速度、消毒殺菌、清洗等。相對(duì)于其他的測距方式，超聲波測距的原理簡單。容易操作，計(jì)算簡單，并且在實(shí)際應(yīng)用中的測量精度也能滿足要求。S超聲波傳感器模塊上常配備兩個(gè)超聲波元器件，一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)射超聲波信號(hào)，另一個(gè)則負(fù)責(zé)接收返回的超聲波信號(hào)。在模塊的電路板上，你可以看到四個(gè)引腳，它們分別標(biāo)識(shí)為：VCC（代表正極，用于供電）、Trig（代表觸發(fā)，用于啟動(dòng)超聲波的發(fā)射）、Echo（代表回應(yīng)，用于接收超聲波反射回來的信號(hào)）、以及GND（代表接地，用于連接地線）。這些引腳共同協(xié)作，使得超聲波傳感器能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行距離測量。主要參數(shù)：（如表2所示）表2主要參數(shù)表工作電壓工作電流感測距離精度5V15mA2-400cm可達(dá)0.2cm超聲波測距的原理是基于聲波的傳播與反射特性。首先，發(fā)射端會(huì)發(fā)出一束超聲波，并同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。隨著超聲波在介質(zhì)中的傳播，一旦遇到障礙物，由于聲波具有反射性質(zhì)，超聲波會(huì)被反射回來。當(dāng)接收端接收到反射回來的超聲波時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。通過記錄的時(shí)間與已知的聲波傳輸速度，我們可以精確地計(jì)算出超聲波發(fā)射端與障礙物之間的距離。這種方法不僅簡單有效，而且在許多實(shí)際應(yīng)用中都展現(xiàn)出了高度的準(zhǔn)確性和可靠性。距離公式：(1)超聲波時(shí)序圖如圖2.3所示。圖2.3超聲波時(shí)序圖故本項(xiàng)目使用HC-SR04超聲波模塊實(shí)現(xiàn)測距功能。具體實(shí)現(xiàn)方法可參考以下步驟：將模塊安裝在垃圾桶內(nèi)部，用于測量垃圾桶的高度或垃圾填充情況。對(duì)模塊進(jìn)行代碼編寫，得出距離數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際的垃圾桶高度設(shè)置一定的閾值（本次采用的是小型垃圾桶模擬實(shí)際垃圾桶，由于距離小，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差），當(dāng)垃圾的高度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)觸發(fā)垃圾桶的清理提醒。當(dāng)工作人員收到提醒后，前往對(duì)應(yīng)垃圾桶進(jìn)行處理。（本次采用一組垃圾桶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可類比多組）清理后，填充情況將發(fā)生變化隨之的提醒功能也重置。這樣能保證垃圾處理得到更好的規(guī)劃處理，維護(hù)環(huán)境衛(wèi)生。2.4舵機(jī)模塊舵機(jī)比起普通的電機(jī)，可以通過位置反饋器和控制電路精確控制其運(yùn)動(dòng)的位置和速度，精度高，響應(yīng)速度快而可以通過控制信號(hào)控制，普通電機(jī)控制精度和響應(yīng)速度相對(duì)較低，選擇角度則取決于設(shè)計(jì)與應(yīng)用，在本方案設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)精確的響應(yīng)和速度控制，我們選擇了SG90舵機(jī)作為核心驅(qū)動(dòng)器。SG90舵機(jī)實(shí)物圖如圖2.4所示。圖2.4SG90舵機(jī)實(shí)物圖SG90舵機(jī)模塊內(nèi)部集成了精細(xì)的控制電路，它能夠接收來自信號(hào)線的控制信號(hào)，并巧妙地通過調(diào)制芯片將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流偏置電壓。隨后，模塊內(nèi)部的基準(zhǔn)電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有固定周期（20ms）和寬度（1.5ms）的基準(zhǔn)信號(hào)。這一基準(zhǔn)信號(hào)會(huì)與直流偏置電壓以及電位器電壓進(jìn)行比較，通過比較產(chǎn)生的差異，最終生成輸出電壓差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的精準(zhǔn)控制。這個(gè)電壓差控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，正負(fù)電壓差分別對(duì)應(yīng)舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)。整個(gè)工作過程中，控制信號(hào)起到了關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)舵機(jī)的精確控制。2.5語音模塊ASR-PRO是一款專注于中文語音識(shí)別與語音合成的先進(jìn)模塊。它具備出色的功能，能夠?qū)⒂脩舻恼Z音輸入精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換成文字形式，同時(shí)，借助先進(jìn)的AI語音合成技術(shù)，它還能將文字內(nèi)容轉(zhuǎn)化為自然流暢的語音輸出。不僅如此，ASR-PRO還支持多語種語音識(shí)別，并適應(yīng)多種場景應(yīng)用，為用戶提供更加便捷、高效的語音交互體驗(yàn)。其關(guān)鍵技術(shù)包括:語音信號(hào)處理、語音識(shí)別、語義理解和語音合成等。ASR-PRO具有高準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)識(shí)別能力。相對(duì)常用的LD3320，ASR-PRO模塊在價(jià)格和識(shí)別精度上都有一定的優(yōu)勢,并且ASR-PRO可以通過天問black進(jìn)行圖形化編程，操作簡單。所以選用ASR-PRO模塊。ASR-PRO的MCU原理圖如圖2.5.1所示。圖2.5.1ASR-PRO的MCU原理圖通過天問Block軟件修改語音模型（喚醒詞、命令詞及回復(fù)詞），實(shí)現(xiàn)智能的語音對(duì)話功能，可以自定義詞條識(shí)別物的添加來進(jìn)行識(shí)別物的添加。在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)置喚醒詞喚醒模式，需要用戶先喊“扔垃圾”喚醒語音模塊，讓模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，再喊對(duì)應(yīng)的命令詞（比如香蕉皮），模塊識(shí)別命令詞，通過語音識(shí)別模塊的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行判斷，給相應(yīng)的舵機(jī)引腳輸出低電平，舵機(jī)對(duì)應(yīng)引腳如表3所示，播報(bào)垃圾的所屬類別和垃圾桶打開狀態(tài)。語音識(shí)別詞條如圖2.5.2所示。圖2.5.2語音識(shí)別詞條圖表3ASRPRO引腳對(duì)應(yīng)表類型詳細(xì)引腳備注舵機(jī)廚余PA6低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)有害PA5低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)可回收PA3低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)其他PA2低電平垃圾桶蓋開，高電平垃圾桶蓋關(guān)3系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)程序總體流程通電后，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，并在OLED顯示屏上顯示反饋信息，在知道垃圾類別的情況下，可以通過操作相應(yīng)按鍵來控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)垃圾桶的開啟閉合，或者通過喚醒語音模塊，進(jìn)行關(guān)鍵字對(duì)比，通過識(shí)別結(jié)果進(jìn)行判斷，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)打開相應(yīng)的垃圾桶。通過超聲波檢測垃圾桶填充情況，將所得數(shù)據(jù)通過WIFI將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋Link云平臺(tái)上，當(dāng)數(shù)據(jù)超過一定值將發(fā)送預(yù)警推送通知，方便遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看垃圾桶情況并進(jìn)行及時(shí)處理。若沒有注意應(yīng)用端的信息，當(dāng)垃圾桶滿溢時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈亮，提醒周圍的工作人員該及時(shí)處理，提高效率。系統(tǒng)程序總體流程圖如圖3.1所示。圖3.1程序總體流程圖3.2各個(gè)模塊的程序設(shè)計(jì)超聲波模塊：初始化GPIO端口，用于連接超聲波傳感器。初始化中斷服務(wù)程序是確保系統(tǒng)能夠正確響應(yīng)外部事件的關(guān)鍵步驟。首先，我們需要對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，為其設(shè)置合適的預(yù)分頻值和計(jì)數(shù)模式，以滿足特定應(yīng)用的需求。接下來，配置ECHO引腳為上升沿觸發(fā)中斷，并啟動(dòng)該中斷，以便在ECHO信號(hào)上升時(shí)能夠迅速響應(yīng)。一旦系統(tǒng)檢測到上升沿中斷，立即啟動(dòng)定時(shí)器，并開始計(jì)時(shí)。隨后，我們需要重新配置ECHO引腳為下降沿觸發(fā)中斷，以檢測ECHO信號(hào)的下降沿。最后，系統(tǒng)等待下降沿中斷的觸發(fā)，以便進(jìn)行后續(xù)的處理和操作。當(dāng)ECHO引腳檢測到下降沿時(shí)，讀取定時(shí)器的當(dāng)前數(shù)值，停止計(jì)時(shí)器，使用計(jì)數(shù)值計(jì)算當(dāng)前超聲波傳播的時(shí)間，通過時(shí)間計(jì)算距離，清理并重置中斷和定時(shí)器狀態(tài)，為下一次測量做準(zhǔn)備,退出ISR。超聲波測距流程圖如圖3.2.1所示。圖3.2.1超聲波測距程序流程圖按鍵：按下不同的按鍵，相對(duì)于的垃圾桶蓋就會(huì)打開，實(shí)現(xiàn)零接觸垃圾桶，進(jìn)一步的保證衛(wèi)生。按鍵掃描程序邏輯：判斷按鍵有無被按下，沒有返回0，有則返回相應(yīng)的值。按鍵程序邏輯如圖3.2.2所示。圖3.2.2按鍵程序邏輯圖舵機(jī)設(shè)計(jì)：智能垃圾桶需要開關(guān)桶蓋時(shí)，輸入CCR的值和給定的ARR值共同決定占空比。占空比公式：通過輸出一個(gè)所得出的占空比值的PWM脈沖信號(hào)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)旋轉(zhuǎn)程序流程圖如圖3.2.3所示。圖3.2.3舵機(jī)旋轉(zhuǎn)程序流程圖語音模塊：基于天問block編寫ASRPRO語音芯片實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別、GPIO輸出功能。語音識(shí)別程序在初始化之后播報(bào)語音使用操作提示，之后進(jìn)入休眠，可使用預(yù)設(shè)的喚醒詞進(jìn)行喚醒，在一定時(shí)間內(nèi)沒有接收到語音識(shí)別信息后進(jìn)入休眠狀態(tài)或接收信息并做出識(shí)別，通過設(shè)定命令詞和回復(fù)語音實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)語音對(duì)話，識(shí)別關(guān)鍵字相應(yīng)的引腳輸出低電平并進(jìn)行語音回復(fù)，之后播報(bào)預(yù)設(shè)的退出語音。語音識(shí)別流程圖如圖3.2.4所示。圖3.2.4ASRPRO語音識(shí)別流程圖3.3ESP8266接入TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，作為一個(gè)開放且無需付費(fèi)的設(shè)備連接平臺(tái)，無疑極大地推動(dòng)了設(shè)備連接與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的便捷性。該平臺(tái)憑借其出色的功能和特性，為用戶提供了諸多便利。以下的幾點(diǎn)是TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)和功能：設(shè)備連接與云端集成：TLink平臺(tái)支持多種聯(lián)網(wǎng)方式，無論是通過Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、LoRa等無線通信技術(shù)，還是有線連接方式，都能輕松將設(shè)備接入云端。平臺(tái)提供了設(shè)備接入的SDK和API，使得設(shè)備制造商和開發(fā)者能夠快速地集成設(shè)備到TLink平臺(tái)。實(shí)時(shí)監(jiān)管與設(shè)備管理：一旦設(shè)備連接到TLink平臺(tái)，用戶就可以實(shí)時(shí)監(jiān)管設(shè)備的狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)以及任何異常情況。平臺(tái)提供了設(shè)備管理的功能，包括設(shè)備的遠(yuǎn)程配置、更新、控制以及故障診斷等。設(shè)備分組與靈活管理：用戶可以根據(jù)需要，將設(shè)備按照不同的維度（如地理位置、設(shè)備類型、業(yè)務(wù)場景等）進(jìn)行分組管理。分組管理使得用戶可以更方便地對(duì)一組設(shè)備執(zhí)行統(tǒng)一的操作或查看數(shù)據(jù)，提高了管理效率。運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控：TLink平臺(tái)可以實(shí)時(shí)收集并展示設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。用戶可以通過圖表、表格等多種方式查看數(shù)據(jù)，便于對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析。歷史數(shù)據(jù)查詢與分析：平臺(tái)存儲(chǔ)了設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，用戶可以隨時(shí)查詢過去的數(shù)據(jù)，用于分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢、故障模式等。歷史數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行、預(yù)測維護(hù)以及制定業(yè)務(wù)策略都具有重要意義。通過ESP8266連接Tlink，在設(shè)備連接圖中，超聲波傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過處理會(huì)以百分比的形式呈現(xiàn)出來，以此表示垃圾桶垃圾程度。并且將每一類的垃圾桶進(jìn)行區(qū)分，圖形化界面讓用戶更方便觀察。設(shè)備連接如圖3.3所示。圖3.3.1設(shè)備連接圖TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還提供觸發(fā)器功能，在觸發(fā)器中對(duì)設(shè)備及傳感器設(shè)定觸發(fā)條件，滿足條件時(shí)發(fā)出警告。觸發(fā)器如圖3.3.1所示。圖3.3.2觸發(fā)器圖Tlink鏈接協(xié)議如圖3.3.3所示。圖3.3.3鏈接協(xié)議圖STM32通過ESP8266與Tlink平臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)被連接遠(yuǎn)程服務(wù)器的流程為：設(shè)置手機(jī)熱點(diǎn)，電腦連接熱點(diǎn)保證可以正常上網(wǎng)。設(shè)置ESP8266連接手機(jī)熱點(diǎn)，查看Tlink平臺(tái)設(shè)備的序列號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手TCP協(xié)議連接Tlink平臺(tái)，查看收發(fā)指令。將超聲波數(shù)據(jù)發(fā)送到Tlink平臺(tái)。Tlink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)備鏈接協(xié)議（TCP協(xié)議）設(shè)置，按照設(shè)定的協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，而傳感器的數(shù)值將呈現(xiàn)為百分比，數(shù)據(jù)通過計(jì)算出的超聲波測距數(shù)值與設(shè)置數(shù)據(jù)（垃圾桶高度）進(jìn)行相減得到。計(jì)算公式：(2)連接過程：通過手機(jī)開啟熱點(diǎn)，電腦連接手機(jī)熱點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手TCPClient協(xié)議連接遠(yuǎn)程主機(jī)地址(Tlink的ip地址為：32端口8647)發(fā)送設(shè)備的序列號(hào)與設(shè)備進(jìn)行連接。操作如圖3.3.4所示。圖3.3.4操作圖4系統(tǒng)調(diào)試4.1軟件測試任何運(yùn)行的系統(tǒng)都會(huì)存在缺陷，而進(jìn)行軟件測試能夠高效發(fā)現(xiàn)軟件中存在的缺陷和不足，及時(shí)修復(fù)bug，并且可以測試程序的各種功能是否滿足需求。此次所采用的集成開發(fā)環(huán)境是keil5，采用模塊化編寫程序，在寫的過程中多次進(jìn)行編譯運(yùn)行，以便于及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改。Keil5調(diào)試如圖4.1所示。圖4.1keil5調(diào)試圖4.2硬件測試模塊之間的連接。檢查電路設(shè)計(jì)圖無誤后，開始按照電路設(shè)計(jì)圖，選用面包板和杜邦線進(jìn)行模塊與主控板之間的連接。硬件連接如圖4.2.1所示。圖4.2.1硬件連接圖通電觀察。需要連接電源和ST-LINK下載器（采用16路舵機(jī)和ST供電），觀察通電后的情況，上電測試發(fā)現(xiàn)，由于使用的是面包板以及負(fù)載的模塊較多，會(huì)出現(xiàn)電流不穩(wěn)定或并聯(lián)分流舵機(jī)供電不足的問題，后續(xù)將考慮打板。可能會(huì)出現(xiàn)供電不足導(dǎo)致喇叭不能正常運(yùn)行的情況，建議更換一個(gè)功率小的喇叭。上電測試如圖4.2.2所示。圖4.2.2上電測試圖功能測試。對(duì)硬件功能進(jìn)行測試，測試按鍵按下是否有相應(yīng)反應(yīng)，手動(dòng)在超聲波面前進(jìn)行遮擋的時(shí)候，Tlink平臺(tái)的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，由于語音的識(shí)別庫是手動(dòng)輸入，所以當(dāng)說出沒有考慮到的物品時(shí)程序沒有做出反應(yīng)，可以在天問black項(xiàng)目里進(jìn)行添加，接通電源后，獨(dú)自測試普通話是否能識(shí)別關(guān)鍵字，在安靜環(huán)境下測試的準(zhǔn)確率高達(dá)98%。在測試中，發(fā)現(xiàn)Tlink設(shè)備顯示連接但是并無傳感器數(shù)據(jù)的顯示，這時(shí)候連接ch340（黑線接負(fù)級(jí)，白線TXD接在WIFI的旁邊），使用sscom5串口調(diào)試助手，波特率默認(rèn)115200，出現(xiàn)亂碼則需調(diào)到9600，在查看信息中發(fā)送手機(jī)熱點(diǎn)給出的回復(fù)顯示ESP8266并沒有連接到手機(jī)熱點(diǎn)。考證發(fā)現(xiàn)手機(jī)頻段過高，默認(rèn)設(shè)置的是5GHz，而ESP8266只支持2.4GHz頻段，所以無法搜索到5GHz的熱點(diǎn)。解決方法是將手機(jī)熱點(diǎn)的頻段改為2.4GHz（如使用蘋果xp版本以上，需要開啟最大兼容性）。sscom5調(diào)試如圖4.2.3所示。圖4.2.3sscom5調(diào)試圖5結(jié)論與展望5.1研究結(jié)論本次課題研究，在實(shí)現(xiàn)最基本的通過按鍵控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)垃圾桶打開及閉合的基礎(chǔ)上，通過超聲波模塊進(jìn)行測距來實(shí)現(xiàn)了對(duì)垃圾桶垃圾量程度的檢測，并增加了語音播報(bào)功能，以及通過WIFI傳輸數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看垃圾桶垃圾量數(shù)據(jù)。在盡可能降低成本下保證產(chǎn)品的質(zhì)量，開發(fā)出更符合社會(huì)所需，更好的推動(dòng)城市垃圾管理的建設(shè)。且在此次研究設(shè)計(jì)中，查閱大量相關(guān)單片機(jī)、超聲波測距模塊、語音模塊、舵機(jī)、垃圾分類相關(guān)資料，對(duì)不同型號(hào)的價(jià)格、性能加以對(duì)比，才得以確定將STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心板，進(jìn)行開發(fā)。在開發(fā)過程中，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，打造智能化生活體驗(yàn)，超越傳統(tǒng)垃圾桶，讓大眾生活中隨地可見的垃圾桶變得更加人性化。但研究仍有不足，比如：語音識(shí)別現(xiàn)在還沒有做到對(duì)方言的識(shí)別，這導(dǎo)致了對(duì)于一些群體（如不會(huì)說普通話的老人）不夠智能化。語音識(shí)別詞庫是一人添加，會(huì)導(dǎo)致忽略了很多信息，預(yù)計(jì)在應(yīng)用初期根據(jù)用戶的反饋意見進(jìn)行詞庫信息的更新。在實(shí)際的應(yīng)用場景，還有我沒有注意的地方，這需要在不同的應(yīng)用場景中一一去完善。而對(duì)于方言識(shí)別問題，我認(rèn)為對(duì)于進(jìn)一步推進(jìn)智能化垃圾分類收集，這是一個(gè)局限，突破這一技術(shù)也是接下來課題研究的重要方向。后期會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)語音識(shí)別功能以提高智能垃圾桶的普適性和用戶體驗(yàn)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。5.2未來展望隨著政策的推出，在中國市場，基于STM32單片機(jī)的智能垃圾桶有著廣大的應(yīng)用前景。在基礎(chǔ)功能背景下，可以根據(jù)不同區(qū)域的不同需求，定制滿足不同的應(yīng)用場景。當(dāng)前，我國城市化進(jìn)程速度，伴隨城市化的加快隨之而來的垃圾數(shù)量也在直線上升，如何充分且合理的運(yùn)用科技手段來對(duì)垃圾分類收集，在智能垃圾桶領(lǐng)域，將成為重要發(fā)展方向。隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的不斷加強(qiáng)，自動(dòng)感應(yīng)垃圾桶技術(shù)的發(fā)展越來越快，市場需求也會(huì)越來越多。預(yù)計(jì)到2025年，中國市場規(guī)模達(dá)到51億元，同比增長179.2%。在商業(yè)建筑、公共場所等高人流密集區(qū)域之外，智能分類垃圾桶的應(yīng)用場景正在不斷擴(kuò)大。例如，一些小區(qū)、學(xué)校等具有固定人群的場所也開始逐漸采用智能分類垃圾桶。未來，智能分類垃圾桶有望涉及到更多的場景，例如家庭等。綜上所述，智能垃圾桶的設(shè)計(jì)，具有廣闊的市場和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，針對(duì)國家推進(jìn)垃圾分類收集、保護(hù)環(huán)境有著積極影響。參考文獻(xiàn)[1]什么是垃圾分類？[J].走向世界,2019,(32):41.[2]楊鵬.智能聲控小車[J].少年電腦世界,2023,(09):32-35.[3]徐乾龍,王凌霄,趙志陽,姜懿軒.高精度智能垃圾分類回收系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2023,13(11):72-73+77.[4]侯文晶,武文淼,孫玉婷,劉慶,李玫丹.智能化垃圾分類發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2023,13(12):100-101+106.[5]盧睿潔,周泊龍,韓軍良.單片機(jī)智能環(huán)保垃圾桶設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2020,(10):184-185.[6]張郁媛.城市生活垃圾分類收集智能化應(yīng)用進(jìn)展及對(duì)策研究[J].智能建筑與智慧城市,2023,(09):19-22.[7]鄭冰倩,顏翠翠,劉云斐,周俊龍,田雨.智能語音垃圾分類器設(shè)計(jì)[J].電子制作,2023,31(18):55-58.[8]焦嘉偉,劉華,常若葵.寵物喂養(yǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作,2023,31(21):89-92.[9]李鑫,任琪軒,朱宇.基于STM32單片機(jī)的智能化垃圾桶設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2023,36(06):147-148.[10]Boakye-YiadomAdwoaAgyeiwaa.ResearchofAutomaticSpeechRecognitionoftheAsante-TwiDialectforTranslation[D].導(dǎo)師：MingweiQin.西南科技大學(xué),2020.[11]HuhJ-H,ChoiJ-H,SeoK.SmartTrashBinModelDesignandFutureforSmartCity.AppliedSciences.2021;11(11):4810./10.3390/app11114810[12]ZiouziosD,DasygenisM.EffectivenessoftheIoTinRegionalEnergyTransition:TheSmartBinCaseStudy.Recycling.2023;8(1):28./10.3390/recycling8010028附錄WIFI通信的核心代碼：//實(shí)現(xiàn)TCP、UDP通信相關(guān)函數(shù)u8TXBuffer[TXBUFFER_LEN]={0};//網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖u8RXBuffer[RXBUFFER_LEN]={0};//網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)接收緩沖/***功能：初始化ESP8266*參數(shù)：None*返回值：非0連接成功,0失敗*/u8initESP8266(void){ sendString(USART1,"+++");//退出透傳delay_ms(500); sendString(USART1,"AT+RST\r\n");//重啟ESP8266 delay_ms(500); sendString(USART1,"AT+UART=9600,8,1,0,0\r\n"); uart_init(9600);memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);//清空接收緩沖sendString(USART1,"ATE0\r\n");//關(guān)閉回顯if(findStr(RXBuffer,"OK",200)!=0)//設(shè)置不成功{return0;}return1;//設(shè)置成功}/***功能：檢查ESP8266是否正常*參數(shù)：None*返回值：ESP8266返回狀態(tài)*非0ESP8266正常*0ESP8266有問題*/u8checkESP8266(void){memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);//清空接收緩沖sendString(USART1,"AT\r\n");//發(fā)送AT握手指令 if(findStr(RXBuffer,"OK",200)!=0){return1;}else//ESP8266不正常{return0;}}/***功能：連接熱點(diǎn)*參數(shù)：*ssid:熱點(diǎn)名*pwd:熱點(diǎn)密碼*返回值：*非0連接成功,0失敗*說明：*通常連接失敗的原因：*1.WIFI名和密碼不正確*2.連接路由器設(shè)備過多,不能給ESP8266分配IP*/u8connectAP(u8*ssid,u8*pwd){ memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN); sendString(USART1,"AT+CWMODE?\r\n");//查詢此時(shí)WIFI工作模式if(findStr(RXBuffer,"CWMODE:1",200)==0)//如果此時(shí)不是MODE1模式,即不是STATION模式{memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);sendString(USART1,"AT+CWMODE=1\r\n");//設(shè)置為STATION模式}memset(TXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);//清空發(fā)送緩沖memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);//清空接收緩沖 delay_ms(5000); sendString(USART1,"AT+CWJAP=\"fish\",\"20160901\"\r\n");if(findStr(RXBuffer,"OK",800)!=0)//連接成功且分配到IP{ return1; }}/***功能：使用協(xié)議(TCP協(xié)議)連接到服務(wù)器*參數(shù)：*mode:協(xié)議類型"TCP","UDP"*ip:目標(biāo)服務(wù)器IP*port:目標(biāo)是服務(wù)器端口號(hào)*返回值：*非0連接成功,0失敗*說明：*通常連接失敗的原因：*1.遠(yuǎn)程服務(wù)器IP和端口號(hào)有誤*2.未連接AP*3.服務(wù)器端禁止添加(一般不會(huì)發(fā)生)*/u8connectServer(u8*mode,u8*ip,u16port){memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);memset(TXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);sendString(USART1,"AT+CIPSTA=\"\"\r\n");sendString(USART1,"+++");//多次連接需退出透傳delay_ms(500);/*格式化待發(fā)送AT指令*/ sendString(USART1,"AT+CIPSTART=\"TCP\",\"32\",8647\r\n"); delay_ms(500);memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);sendString(USART1,"AT+CIPMODE=1\r\n");//設(shè)置為透傳模式delay_ms(500);memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);sendString(USART1,"AT+CIPSEND\r\n");//開始處于透傳發(fā)送狀態(tài)}/***功能：主動(dòng)和服務(wù)器斷開連接0失敗非0成功*參數(shù)：None*/u8disconnectServer(void){sendString(USART1,"+++");//退出透傳delay_ms(500);memset(RXBuffer,0,RXBUFFER_LEN);sendString(USART1,"AT+CIPCLOSE\r\n");//關(guān)閉鏈接if(findStr(RXBuffer,"CLOSED",200)!=0)//成功和服務(wù)器斷開{