河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 ix2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)功能要求基該智能分類垃圾箱需實(shí)現(xiàn)以下功能：語(yǔ)音識(shí)別功能：對(duì)著垃圾箱說(shuō)出垃圾名稱，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并打開(kāi)對(duì)應(yīng)類別的垃圾桶蓋。例如用戶說(shuō)"垃圾桶，西瓜皮"，系統(tǒng)播報(bào)"廚余垃圾"并打開(kāi)相應(yīng)垃圾桶；丟完垃圾后，垃圾桶蓋延時(shí)一段時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉。手動(dòng)開(kāi)關(guān)功能：通過(guò)物理按鍵控制各垃圾桶的開(kāi)啟與關(guān)閉，方便用戶在語(yǔ)音識(shí)別不便的情況下使用。垃圾溢滿報(bào)警功能：每個(gè)垃圾桶配備垃圾滿檢測(cè)傳感器，當(dāng)垃圾達(dá)到預(yù)設(shè)高度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提醒及時(shí)清理。光控照明功能：內(nèi)置環(huán)境光線傳感器，在光線不足時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟照明LED，方便夜間使用。WiFi遠(yuǎn)程控制功能：通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制垃圾桶開(kāi)關(guān)，接收垃圾溢滿提示信息，提升用戶體驗(yàn)。太陽(yáng)能供電功能：采用太陽(yáng)能電池板供電，配合蓄電池存儲(chǔ)能量，實(shí)現(xiàn)自給自足運(yùn)行。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)硬件上包含了六個(gè)主要部分，分別是主控制單元、電源管理單元、舵機(jī)控制單元、傳感器單元、通信單元以及人機(jī)交互單元，它們通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與主控制器進(jìn)行連接，各功能模塊的獨(dú)立性相對(duì)較強(qiáng)，軟件方面則采取分層設(shè)計(jì)形式，底層驅(qū)動(dòng)層、功能模塊層與應(yīng)用控制層這三個(gè)層次被包括在內(nèi)。主控制單元擔(dān)負(fù)整體協(xié)調(diào)與決策任務(wù)，實(shí)現(xiàn)各功能模塊間的信息交換工作，電源管理單元將太陽(yáng)能電池板收集的能量加以轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)并處理分配，語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果得到分析后系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也被保證，人機(jī)交互單元展現(xiàn)出語(yǔ)音、按鍵與WiFi等多樣化的交互方式來(lái)應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的要求，傳感器數(shù)據(jù)在此流程中被接收，同時(shí)舵機(jī)動(dòng)作也處于受控狀態(tài)，各部分功能逐步展現(xiàn)。垃圾分類方案采用四分類模式，廚余垃圾、可回收物、有害垃圾以及其他垃圾各自對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的垃圾桶，這種方式使得可靠性得到了提升，系統(tǒng)運(yùn)用單向開(kāi)合結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度由此降低，舵機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行掌控，在這一過(guò)程中國(guó)內(nèi)主流分類標(biāo)準(zhǔn)得以遵循。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對(duì)比2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STC89C52STC89C52是8051系列單片機(jī)中一型，適用于簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)景，具備32個(gè)I/O口、3個(gè)定時(shí)器和1個(gè)UART串口，入門難度不大，主頻最高可達(dá)40MHz，且僅4KBFlash存儲(chǔ)空間，價(jià)格也較低，這類芯片CPU架構(gòu)為8位，RAM為128字節(jié)，電路設(shè)計(jì)不復(fù)雜，程序開(kāi)發(fā)環(huán)境較成熟，低功耗特性較突出，使用C語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言做功能開(kāi)發(fā)時(shí)資料較豐富，電源電壓范圍3.0V到5.5V，但對(duì)高速數(shù)據(jù)流處理能力較局限，同時(shí)語(yǔ)音識(shí)別數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量需求很難支撐，功能擴(kuò)展限制也相當(dāng)突出，多個(gè)通信模塊的并連接口也困難，芯片處理能力本顯單薄，硬件外設(shè)PWM、ADC功能完全沒(méi)有，只能憑借軟件模擬或者增設(shè)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行補(bǔ)救，內(nèi)存空間小的缺陷也難以避免，數(shù)量上僅32個(gè)I/O口也較限制算法復(fù)雜性，且串口數(shù)量太少影響系統(tǒng)集成便利性。方案二：STM32F103STM32F103以ARMCortex-M3為處理核心，硬件資源豐富，輕松實(shí)現(xiàn)外設(shè)連接，通信接口通道可達(dá)18個(gè)，集成3個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)高級(jí)定時(shí)器以及2個(gè)基本定時(shí)器，內(nèi)部12位ADC轉(zhuǎn)換器讓模擬量采集便捷。在32位RISC架構(gòu)下配有20KBSRAM，主頻至高72MHz，控制舵機(jī)時(shí)多路PWM輸出極為輕松，具備64KBFlash存儲(chǔ)空間，存在3個(gè)USART接口、2個(gè)SPI接口與2個(gè)I2C接口，GPIO口有37個(gè)，系統(tǒng)可靠性提升。電源管理方面突出，調(diào)試功能強(qiáng)大，適用于太陽(yáng)能供電，Keil、IAR等主流工具支持，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高，STM32生態(tài)系統(tǒng)完善，各類外設(shè)連接需求可滿足，開(kāi)發(fā)環(huán)境成熟。RTC與看門狗被集成，STM32F103具備多種低功耗模式，支持DMA傳輸，開(kāi)發(fā)難度降低，問(wèn)題解決便捷，雖價(jià)格比STC系列略高，綜合性能價(jià)格比不錯(cuò)，資料豐富，CPU負(fù)擔(dān)減輕，社區(qū)活躍，庫(kù)函數(shù)支持全面。方案三：ESP32樂(lè)鑫科技推出的ESP32微控制器，集成度相當(dāng)高，其設(shè)計(jì)中包括雙核TensilicaLX6處理器、WiFi和藍(lán)牙功能模塊，主頻可以達(dá)到240MHz，520KBSRAM與4MBFlash內(nèi)置，且低功耗模式支持多種形式，ESP32在資源外設(shè)的堆砌中，包含18個(gè)ADC通道、2個(gè)DAC、3個(gè)UART、2個(gè)I2C、4個(gè)SPI以及16個(gè)PWM通道，硬件連接的網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，WiFi模塊的內(nèi)置設(shè)計(jì)，無(wú)需額外通信模塊的增加，各種功能模塊的實(shí)現(xiàn)盡可能地提高了硬件設(shè)計(jì)的集成性，優(yōu)勢(shì)也因?yàn)槎喾N功能內(nèi)置的處理結(jié)構(gòu)愈加實(shí)現(xiàn)。ESP32可適配Arduino、ESP-IDF等多種開(kāi)發(fā)環(huán)境，其開(kāi)發(fā)難度保持在中等，活躍的社區(qū)和豐富資料為用戶助力，長(zhǎng)期使用電池供電的場(chǎng)景下，ESP32可能不太適合，因?yàn)槠鋀iFi開(kāi)啟后功耗可達(dá)到300mA以上，項(xiàng)目規(guī)模適中時(shí)，過(guò)于復(fù)雜的系統(tǒng)增加學(xué)習(xí)難度，開(kāi)發(fā)效率可能降低。表2-1三種單片機(jī)方案對(duì)比參數(shù)STC89C52STM32F103ESP32架構(gòu)8位32位ARMCortex-M332位TensilicaLX6雙核主頻最高40MHz最高72MHz最高240MHzFlash4KB64KB4MBRAM128B20KB520KBGPIO數(shù)量32個(gè)37個(gè)34個(gè)定時(shí)器3個(gè)6個(gè)4個(gè)通信接口1個(gè)UART3個(gè)UART、2個(gè)SPI、2個(gè)I2C3個(gè)UART、2個(gè)I2C、4個(gè)SPIPWM通道無(wú)(需軟件模擬)多路硬件PWM16個(gè)PWM通道ADC無(wú)12位ADC，多通道12位ADC，18通道內(nèi)置無(wú)線功能無(wú)無(wú)WiFi+藍(lán)牙低功耗模式支持多種模式支持多種模式支持工作電壓3.0V-5.5V2.0V-3.6V2.3V-3.6V價(jià)格(元)約5-10約15-25約25-40資料豐富度豐富非常豐富豐富開(kāi)發(fā)工具KeilC51KeilMDK、IARArduinoIDE、ESP-IDFSTM32F103在對(duì)比STC89C52與ESP32后，被最終選定為項(xiàng)目控制器，存儲(chǔ)空間的充裕讓復(fù)雜算法可以實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目包含多路舵機(jī)控制、語(yǔ)音識(shí)別數(shù)據(jù)處理、WiFi模塊連接和模擬信號(hào)采集等多任務(wù)需求，接口資源與計(jì)算能力的豐富性變成必要，多個(gè)USART接口使語(yǔ)音模塊和WiFi模塊的連接同時(shí)進(jìn)行，STM32F103提供豐富的定時(shí)器資源，為舵機(jī)精確控制提供保障。ESP32雖然內(nèi)置WiFi功能，但其高功耗與高價(jià)格在太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中不為最佳選擇。STC89C52的低廉價(jià)格可做一選擇，但其處理能力和外設(shè)資源不足以應(yīng)對(duì)本項(xiàng)目的需求。2.3.2溫濕度檢測(cè)模塊的選擇方案一：DHT11溫濕度傳感技術(shù)研究DHT11溫濕度傳感器借助電阻式濕度感應(yīng)原理，同時(shí)配備NTC溫度測(cè)量組件，待機(jī)電流可低至60μA，單總線形式輸出數(shù)字信號(hào)，采集速度偏緩慢，其整體成本極低且經(jīng)濟(jì)性較為出眾，單體采樣周期達(dá)到1秒，適合對(duì)成本敏感的場(chǎng)合。溫度測(cè)量區(qū)間設(shè)定為0~50℃，精度控制在±2℃；濕度測(cè)量覆蓋20%~90%RH區(qū)間，精度維持在±5%RH范圍內(nèi)，溫度與濕度兩路測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)，測(cè)量過(guò)程中電流大致維持在1.5mA，供電電壓支持3.3V至5.5V，單價(jià)通常不高于5元。接口設(shè)計(jì)能夠直接連接單片機(jī)，電路操作簡(jiǎn)易，溫度誤差為±2℃，在精密控制場(chǎng)景中表現(xiàn)不理想。數(shù)據(jù)讀取依賴時(shí)序控制，代碼編寫量不大，程序容易達(dá)成，接口資源可被節(jié)省，供電要求苛刻，但不必借助其他額外元件，這一特質(zhì)降低電路復(fù)雜度，使用單總線通信協(xié)議。響應(yīng)速度略緩，DHT11測(cè)量精度較低，每秒更新一次數(shù)據(jù)，一個(gè)GPIO接口可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，工作電壓波動(dòng)易使讀數(shù)不穩(wěn)定，無(wú)法完成快速變動(dòng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)任務(wù)。方案二：SHT11溫濕度傳感技術(shù)研究SHT11溫濕度傳感器使用電容式濕度元件與能隙式溫度元件進(jìn)行測(cè)量，待機(jī)電流僅300nA，其濕度測(cè)量范圍為0至100%RH，內(nèi)置14位ADC與信號(hào)處理電路后，測(cè)量時(shí)電流大約為1mA。溫度測(cè)量范圍為-40至+125℃，溫度分辨率可實(shí)現(xiàn)0.01℃，濕度分辨率也達(dá)到0.05%RH，精度顯示為±3%RH與±0.4℃，供電電壓范圍在2.4V到5.5V之間，通信采用I2C協(xié)議。發(fā)出測(cè)量命令到數(shù)據(jù)讀取僅耗費(fèi)320ms，結(jié)果穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集速率較高，適合精密測(cè)量環(huán)境。內(nèi)置校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償使得代碼量變得龐大，系統(tǒng)成本被推高，通信可靠性在這種情況下得以維持，全量程中的穩(wěn)定測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)，上拉電阻的存在不可缺少。在具備較強(qiáng)抗干擾性能的同時(shí)，需要完成完整的I2C協(xié)議棧，由于應(yīng)用了I2C通信協(xié)議，程序呈現(xiàn)出較復(fù)雜的形態(tài)，電路設(shè)計(jì)方面的難度也跟著上升，SHT11的成本處于高位，單價(jià)相當(dāng)于DHT11的五倍左右，接口電路看起來(lái)有一定程度的復(fù)雜性。方案三：BME280溫濕壓傳感器Bosch開(kāi)發(fā)的BME280傳感器，集成溫濕度與氣壓測(cè)量功能，達(dá)到高精度和低功耗的目標(biāo)，使用I2C/SPI數(shù)字通信接口，工作電壓為1.8V-3.6V，可支持超低功耗模式，在具體測(cè)量中，溫度測(cè)量范圍是-40~85℃，達(dá)到±0.5℃的精度；濕度方面，0-100%RH的測(cè)量范圍，其絕對(duì)精度為±3%RH；氣壓部分，測(cè)量范圍為300-1100hPa，精度控制在±1hPa。BME280數(shù)據(jù)更新率可達(dá)到25Hz，采樣迅速且數(shù)據(jù)可靠性較高，傳感器尺寸為2.5×2.5mm，集成化特征使它適合空間受限的應(yīng)用，價(jià)格偏高約在20元，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高，PCB布局要求也高，且通信時(shí)序控制需要精確的I2C/SPI。表2-2三種溫濕度傳感器方案比較參數(shù)DHT11SHT11BME280溫度測(cè)量范圍0~50℃-40~125℃-40~85℃溫度精度±2℃±0.4℃±0.5℃濕度測(cè)量范圍20~95%RH0~100%RH0~100%RH濕度精度±5%RH±3%RH±3%RH氣壓測(cè)量無(wú)無(wú)300~1100hPa通信接口單總線I2CI2C/SPI供電電壓3.3~5.5V2.4~5.5V1.8~3.6V工作電流1.5mA1mA0.35mA待機(jī)電流60μA300nA0.1μA響應(yīng)時(shí)間1秒320ms<1ms價(jià)格(元)約5約25約20體積較大中等小抗干擾性較弱強(qiáng)很強(qiáng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性一般良好優(yōu)秀綜合項(xiàng)目需求后可看出，高精度測(cè)量并非項(xiàng)目必需，因此溫濕度檢測(cè)模塊選中DHT11，這一模塊在簡(jiǎn)單接口與低成本特性下顯得較為貼合，經(jīng)濟(jì)性恰好滿足要求，SHT11性能優(yōu)越且低功耗，適合太陽(yáng)能供電，節(jié)省接口資源，但智能垃圾箱對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)僅要求環(huán)境級(jí)別，其精度需求較低，反而有些過(guò)剩，與成本效益的原則不完全相符。單總線通信僅占用一個(gè)GPIO端口也納入考慮，雖然BME280包含氣壓傳感功能，但對(duì)垃圾箱系統(tǒng)而言此類功能顯得意義不大，反而開(kāi)發(fā)復(fù)雜度和成本增加。2.3.3通信模塊的選型方案一：中移物聯(lián)網(wǎng)ML307R4G模塊研究中移物聯(lián)網(wǎng)推出了ML307R4G模塊，這是4G通信模塊，尺寸控制在31mm×28mm×4.4mm，下行速率最高可達(dá)10Mbps，上行速率最高為5Mbps，支持多樣化的AT指令集。主控制器借助UART接口與它通信，工作電壓范圍為3.3V到4.3V，在全國(guó)都能運(yùn)行，兼容LTECat.1技術(shù)，信號(hào)穩(wěn)定性較為突出，單個(gè)模塊成本大致80元左右。內(nèi)置GPS定位功能保障通信質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣闊，WiFi信號(hào)限制較弱，室外和WiFi不易覆蓋處適合部署，不過(guò)配置過(guò)程較復(fù)雜的這一問(wèn)題存在，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)峰值電流可達(dá)700mA，對(duì)電源要求偏高，功耗處于特定的標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)發(fā)難度為中等時(shí)可達(dá)成地理位置追蹤目的，出色的抗干擾能力使得直接連接互聯(lián)網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)，這離不開(kāi)設(shè)計(jì)完善的AT指令集的作用，SIM卡資費(fèi)方面長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本有一定程度的增長(zhǎng)，TCP/IP協(xié)議棧被支持后待機(jī)電流差不多7mA，整體上價(jià)格略顯昂貴，網(wǎng)關(guān)設(shè)備無(wú)需額外配置。方案二：樂(lè)鑫科技ESP8266WiFi模塊研究樂(lè)鑫科技的ESP8266WiFi模塊在低成本W(wǎng)iFi通信領(lǐng)域中成為高性價(jià)比的可選擇產(chǎn)品，接入形式多樣，單個(gè)價(jià)格在10元左右，可支撐IEEE802.11b/g/n協(xié)議，不依賴外部設(shè)備運(yùn)行程序，其工作電壓設(shè)定在3.0V~3.6V范圍內(nèi)，不僅可連接現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)，還自行搭建熱點(diǎn)，整體體積控制在24.8mm×14.3mm×3mm以內(nèi)。模塊集成片上SRAM與Flash，嵌入32位低功耗CPU，高度集成化顯著，模塊通過(guò)UART接口與主控設(shè)備交互操作，工作頻段鎖定為2.4GHz，性能可靠，功能優(yōu)勢(shì)明顯，滿足不同的場(chǎng)景需求，實(shí)用性和靈活性強(qiáng)，低廉的價(jià)格增添了吸引力。低功耗特征顯著，環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性影響較明顯，支持太陽(yáng)能供電系統(tǒng)與OTA固件升級(jí)，覆蓋半徑約50米為典型值，信號(hào)強(qiáng)度受墻體阻隔顯著降低，安全性存在隱患，遠(yuǎn)程維護(hù)便利性被體現(xiàn)，應(yīng)用場(chǎng)景局限性較顯著。WiFi覆蓋范圍受限，配置過(guò)程簡(jiǎn)易，需預(yù)先完成連接參數(shù)配置，休眠模式電流低至10μA，數(shù)據(jù)發(fā)送峰值電流約為170mA，AT指令簡(jiǎn)易使用，開(kāi)發(fā)友好性可被識(shí)別，外部WiFi網(wǎng)絡(luò)依賴性體現(xiàn)出來(lái)，企業(yè)級(jí)安全防護(hù)措施完全不見(jiàn)。方案三：NRF24L01無(wú)線通信模塊NRF24L01為低功耗無(wú)線收發(fā)芯片，工作在2.4GHzISM頻段，電壓為1.9V至3.6V，發(fā)射功率達(dá)到6dBm時(shí)，其電流約為9mA；接收時(shí)，電流為15mA；待機(jī)模式下電流低至900nA。通信中，它借助SPI接口與微控制器傳輸數(shù)據(jù)，速率可達(dá)2Mbps，在開(kāi)闊環(huán)境下，其通信距離約為100米，支持多頻道通信，最多可達(dá)125個(gè)，多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信也包含在支持的通信模式中，內(nèi)置CRC校驗(yàn)與自動(dòng)重發(fā)機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性提高了相當(dāng)?shù)膶哟巍Ｐ酒捏w積為4×4mm，外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格約在5元至8元，它不支持標(biāo)準(zhǔn)WiFi協(xié)議，需要發(fā)送端與接收端配對(duì)使用，同時(shí)不能與手機(jī)等設(shè)備直接通信，開(kāi)發(fā)難度較大，通信距離受環(huán)境影響，且可靠性不如WiFi和4G模塊，這些特征在具體使用中需要進(jìn)行相關(guān)評(píng)估和應(yīng)對(duì)。表2-3三種通信模塊方案對(duì)比參數(shù)ML307R4G模塊ESP8266WiFi模塊NRF24L01無(wú)線模塊通信標(biāo)準(zhǔn)LTECat.1IEEE802.11b/g/n專有2.4GHz協(xié)議傳輸速率下行10Mbps/上行5Mbps最高72.2Mbps最高2Mbps通信距離信號(hào)覆蓋全國(guó)50-100米(無(wú)障礙)100米(無(wú)障礙)工作電壓3.3V-4.3V3.0V-3.6V1.9V-3.6V峰值電流700mA170mA15mA待機(jī)電流7mA10μA900nA接口類型UARTUARTSPI體積(mm)31×28×4.424.8×14.3×315×29(模塊)價(jià)格(元)約80約10約5-8手機(jī)互通性支持支持不支持通信穩(wěn)定性很高中等中等適用場(chǎng)景遠(yuǎn)距離、穩(wěn)定通信場(chǎng)景局域網(wǎng)或熱點(diǎn)場(chǎng)景點(diǎn)對(duì)點(diǎn)低功耗場(chǎng)景長(zhǎng)期成本高(需SIM卡套餐)低低開(kāi)發(fā)難度中等低高項(xiàng)目特點(diǎn)的綜合分析，是為了系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，ML307R覆蓋范圍更廣，垃圾箱也并非常移動(dòng)的。ESP8266成了通信模塊的選擇，智能垃圾箱通常設(shè)置在室內(nèi)或固定位置，這一選擇與項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)目標(biāo)相符，成本低廉，連接配置流程簡(jiǎn)化，低功耗設(shè)計(jì)剛好滿足太陽(yáng)能供電要求，流量花費(fèi)不用考慮，覆蓋范圍的優(yōu)勢(shì)此時(shí)不太明顯，降低長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本、提升用戶使用體驗(yàn)有幫助，WiFi覆蓋通常不成問(wèn)題，成本效益與應(yīng)用場(chǎng)景就被納入了考慮，NRF24L01功耗更低，但無(wú)法直接與手機(jī)通信，不符合遠(yuǎn)程控制的需求，不予采用。2.3.4舵機(jī)模塊的選型方案一：SG90舵機(jī)SG90為微型伺服舵機(jī)，重9克，體積22.2×11.8×31mm，這令它在空間受限的場(chǎng)景中使用相當(dāng)適合，旋轉(zhuǎn)范圍0°至180°，轉(zhuǎn)速可達(dá)0.1秒/60°，扭矩約1.8kg·cm，這可以完成輕量級(jí)垃圾桶蓋開(kāi)關(guān)控制。電壓范圍4.8V至6V時(shí)可進(jìn)行相關(guān)任務(wù)，電流空載下約100mA，堵轉(zhuǎn)約650mA，采用三線接口標(biāo)準(zhǔn)形式，電源、地、信號(hào)，借助PWM信號(hào)控制，頻率50Hz時(shí)脈寬1ms至2ms對(duì)應(yīng)0°至180°旋轉(zhuǎn)角度，SG90體積小、重量輕、價(jià)格低廉約10元、控制不復(fù)雜，這是它的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)存在精度一般、扭矩小和壽命短缺陷，高頻率大扭矩的應(yīng)用場(chǎng)景不適合使用它。方案二：MG995舵機(jī)MG995為金屬齒輪舵機(jī)，質(zhì)量達(dá)到55克，體積為40.7×19.7×42.9mm，金屬齒輪傳動(dòng)的采用，使旋轉(zhuǎn)范圍控制在0°-180°，轉(zhuǎn)速可達(dá)到0.17秒/60°，扭矩為13kg·cm，遠(yuǎn)高于SG90。該產(chǎn)品工作電壓在4.8V-7.2V，工作電流空載時(shí)約250mA，堵轉(zhuǎn)時(shí)可達(dá)到2.5A，接口形式為標(biāo)準(zhǔn)三線接口，使用PWM控制信號(hào)，MG995的扭矩大、精度強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)，適合大扭矩場(chǎng)景，缺點(diǎn)為體積與重量大、功耗高、價(jià)格偏高(約35元)，對(duì)電源質(zhì)量要求高且啟動(dòng)瞬間電流沖擊較大。方案三：DS3218數(shù)字舵機(jī)DS3218為一高精度數(shù)字舵機(jī)，使用全金屬齒輪與數(shù)字控制電路，重60克，尺寸40×20×40.5mm，轉(zhuǎn)動(dòng)角度在0°-270°，轉(zhuǎn)速為0.16秒/60°，扭矩可達(dá)到20kg·cm。它工作時(shí)電壓要求4.8V-6.8V，空載電流約300mA，堵轉(zhuǎn)時(shí)電流可達(dá)3A，借助數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)后，其控制精度、響應(yīng)、死區(qū)和抗干擾能力等都存在高精度和更小死區(qū)、更迅速的反應(yīng)和更強(qiáng)的抗干擾能力。其在結(jié)構(gòu)與壽命等優(yōu)點(diǎn)包含精度大、控制精確并保持高扭矩和長(zhǎng)的使用年限，其體積重量偏大，價(jià)格也更高且功耗大，對(duì)供電系統(tǒng)要求高，缺點(diǎn)就顯示在這些特征中。表2-4三種舵機(jī)方案對(duì)比參數(shù)SG90舵機(jī)MG995舵機(jī)DS3218數(shù)字舵機(jī)類型微型塑料齒輪標(biāo)準(zhǔn)金屬齒輪數(shù)字控制金屬齒輪尺寸(mm)22.2×11.8×3140.7×19.7×42.940×20×40.5重量(g)95560旋轉(zhuǎn)角度0°-180°0°-180°0°-270°轉(zhuǎn)速(秒/60°)6扭矩(kg·cm)1.81320工作電壓(V)4.8-64.8-7.24.8-6.8空載電流(mA)100250300堵轉(zhuǎn)電流(A)0.652.53控制方式PWMPWMPWM精度一般較高高使用壽命較短長(zhǎng)很長(zhǎng)價(jià)格(元)約10約35約70抗干擾能力一般較好很好啟動(dòng)電流沖擊小大大適用場(chǎng)景輕載輕頻應(yīng)用中等負(fù)載應(yīng)用高精度重載應(yīng)用綜合項(xiàng)目需求特點(diǎn)，最終選用SG90舵機(jī)作為垃圾桶蓋開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，MG995與DS3218性能雖然更優(yōu)，但存在扭矩過(guò)剩、體積過(guò)大、功耗過(guò)高且價(jià)格昂貴的缺陷，這與本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念不相符。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電容濾波電路將考慮增加，SG90啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊對(duì)系統(tǒng)的影響可借助它減輕。2.3.5語(yǔ)音識(shí)別模塊的選型方案一：HLK-V20語(yǔ)音識(shí)別模塊研究海凌科推出HLK-V20獨(dú)立語(yǔ)音識(shí)別模塊，包含高性能MCU與專用DSP處理器，可處理語(yǔ)音的識(shí)別與播報(bào)任務(wù)，該模塊支持最多50組指令詞匯，每組詞組可具備7個(gè)識(shí)別詞，安靜環(huán)境的識(shí)別率可達(dá)到95%以上。通信接口為UART，波特率9600bps，工作電壓為5V，工作電流約60mA，同時(shí)集成了麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)與語(yǔ)音處理單元，體積為37×47mm，通過(guò)串口發(fā)送AT指令即可進(jìn)行控制，模塊具備命令詞自定義、易于集成、高識(shí)別率、離線識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是存在價(jià)格偏高約70元，對(duì)固定詞匯識(shí)別的使用存在噪音敏感和自然語(yǔ)言處理的不支持。方案二：LD3320非特定人語(yǔ)音識(shí)別模塊研究LD3320模塊基于芯片級(jí)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，可支持非特定人識(shí)別，使用時(shí)無(wú)需訓(xùn)練，存儲(chǔ)約50個(gè)中文詞條，識(shí)別率在90%左右。主控制器通過(guò)SPI接口與模塊通信，工作電壓為3.3V-5V，電流約40mA，模塊尺寸為30×30mm，相對(duì)緊湊。其優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度快，200ms內(nèi)完成響應(yīng)，抗噪聲能力較強(qiáng)且支持中文識(shí)別，其詞匯量有限、調(diào)試較復(fù)雜、價(jià)格中等，約50元，同時(shí)不支持語(yǔ)音播報(bào)功能，存在部分缺陷。方案三：XFS5152CE語(yǔ)音合成模塊研究XFS5152CE模塊專注于語(yǔ)音合成任務(wù)，語(yǔ)音播報(bào)功能相當(dāng)突出，模塊支持多種語(yǔ)言的文本到語(yǔ)音轉(zhuǎn)換，包含中文和英文，音質(zhì)表現(xiàn)出清晰與自然的特征。通信形式通過(guò)UART接口完成，工作電壓在3.3V到5V的參數(shù)下，工作電流約30mA，模塊的體積為23×20mm，成本中等，價(jià)格在40元的量度，可調(diào)節(jié)多種音效與播放參數(shù)，模塊不支持語(yǔ)音識(shí)別功能，需要與識(shí)別模塊并配合使用，這提高了系統(tǒng)復(fù)雜性與成本。表2-5三種語(yǔ)音模塊方案對(duì)比參數(shù)HLK-V20語(yǔ)音模塊LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊XFS5152CE語(yǔ)音合成模塊功能語(yǔ)音識(shí)別+語(yǔ)音播報(bào)語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)音合成播報(bào)識(shí)別方式固定詞匯識(shí)別非特定人識(shí)別不支持識(shí)別識(shí)別詞匯量50組(每組最多7詞)約50個(gè)詞條不適用識(shí)別準(zhǔn)確率≥95%(安靜環(huán)境)≥90%(安靜環(huán)境)不適用語(yǔ)音播報(bào)支持(固定語(yǔ)音)不支持支持(任意文本)通信接口UARTSPIUART工作電壓5V3.3V-5V3.3V-5V工作電流約60mA約40mA約30mA響應(yīng)速度較快快(≤200ms)不適用抗噪性能一般較好不適用體積(mm)37×4730×3023×20價(jià)格(元)約70約50約40開(kāi)發(fā)難度低中低適用場(chǎng)景固定指令識(shí)別中小型語(yǔ)音控制系統(tǒng)語(yǔ)音提示、播報(bào)系統(tǒng)LD3320在抗噪性能方面存在部分性能的偏強(qiáng)，但語(yǔ)音播報(bào)功能完全不支持；XFS5152CE的語(yǔ)音合成效果達(dá)到相當(dāng)層次，而識(shí)別能力方面不具備支持功能。HLK-V20同時(shí)支持識(shí)別與播報(bào)，成為符合項(xiàng)目需求級(jí)別最可支持的型態(tài)，為最佳選擇。2.3.6紅外傳感器的選型方案一：TCRT5000紅外傳感裝置TCRT5000是常用的反射式光電傳感器，包含紅外發(fā)射二極管與光電晶體管，通過(guò)檢測(cè)物體反射的紅外光來(lái)判斷距離，它具有1-20cm的檢測(cè)距離，工作電壓范圍為3.3V-5V，同時(shí)輸出模擬和數(shù)字兩種模式。該傳感器體積小，為10×5×7mm，價(jià)格僅約3元，使用中可借助板載電位器調(diào)節(jié)檢測(cè)閾值，TCRT5000反應(yīng)速度快，可以對(duì)不同顏色和材質(zhì)物體進(jìn)行檢測(cè)并顯示較好的能力，檢測(cè)距離有限、環(huán)境光線干擾強(qiáng)是它的缺陷，外部影響也容易降低檢測(cè)能力。方案二：GP2Y0A21YK0F紅外測(cè)距傳感器夏普公司生產(chǎn)了GP2Y0A21YK0F，這是一款模擬紅外測(cè)距傳感器，可檢測(cè)10-80cm范圍里的距離，精度相對(duì)較高，它輸出的電壓和距離非線性相關(guān)，借助查表或公式可轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離。該傳感器工作電壓在4.5V-5.5V，工作電流約30mA，體積為29.5×13×13.5mm，GP2Y0A21YK0F測(cè)量距離遠(yuǎn)且精度高，抗環(huán)境光干擾能力強(qiáng)，這些是它存在測(cè)量距離遠(yuǎn)、精度高、抗環(huán)境光干擾能力強(qiáng)等；缺點(diǎn)為價(jià)格偏高(約35元)、需ADC轉(zhuǎn)換，處理復(fù)雜，功耗也略高。方案三：HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器研究HC-SR04傳感器基于超聲波原理完成距離測(cè)量，檢測(cè)范圍在2-400cm，精度可達(dá)到3mm，超聲波的發(fā)射與接收反射信號(hào)是計(jì)算距離的依據(jù)，物體顏色和透明度對(duì)它不干擾。工作電壓為5V，電流約15mA，體積為45×20×15mm，通過(guò)觸發(fā)與回波信號(hào)時(shí)間差計(jì)算距離，對(duì)時(shí)序控制要求精確，優(yōu)點(diǎn)顯示在測(cè)量范圍較大、精度高且光線不影響；缺點(diǎn)是體積偏大，表面特性影響結(jié)果，松軟材料吸收超聲波可能降低測(cè)量精度，也容易受到聲學(xué)干擾。表2-6三種距離傳感器方案比較參數(shù)TCRT5000紅外傳感器GP2Y0A21YK0F紅外傳感器HC-SR04超聲波傳感器檢測(cè)原理反射式紅外三角測(cè)量紅外超聲波回波檢測(cè)距離1-20cm10-80cm2-400cm精度一般較高高(±3mm)輸出方式數(shù)字/模擬模擬時(shí)間差工作電壓3.3V-5V4.5V-5.5V5V工作電流約20mA約30mA約15mA響應(yīng)時(shí)間快(<10ms)中(約38ms)慢(>60ms)環(huán)境光影響大中無(wú)對(duì)物體顏色敏感度高中低體積(mm)10×5×729.5×13×13.545×20×15價(jià)格(元)約3約35約8接口復(fù)雜度低中中處理復(fù)雜度低中高抗干擾能力中高中綜合分析后，本項(xiàng)目選用TCRT5000紅外傳感器用于垃圾溢滿檢測(cè)。2.3.7太陽(yáng)能供電模塊選型方案一：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池板與CN3791充電管理方案單晶硅太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%-22%，在光照條件優(yōu)良時(shí)發(fā)電效率較高，與CN3791太陽(yáng)能充電管理芯片配合后，可以對(duì)鋰電池進(jìn)行MPPT充電，使能量利用效率實(shí)現(xiàn)提高。CN3791芯片支持4.5V-28V工作電壓，可管理10W以下功率的充電功能，且具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫保護(hù)的內(nèi)置模塊，該方案在效率、充電時(shí)長(zhǎng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性等特征中具有優(yōu)點(diǎn)，成本高、復(fù)雜度增加與對(duì)光照條件的高要求是缺陷(10W單晶硅面板約60元，CN3791模塊約25元)。方案二：多晶硅太陽(yáng)能電池板與TP4056充電管理集成方案多晶硅太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%-18%的水平，且成本低于單晶硅，同時(shí)抗弱光性能也較好，與TP4056充電管理芯片搭配后，可對(duì)鋰電池進(jìn)行線性充電管理。TP4056的電壓工作在4.0V-8.0V之間，支持最大1A充電電流，存在充電狀態(tài)指示和保護(hù)功能，5W多晶硅面板約40元，TP4056模塊約5元，該方案成本適中，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單并可靠性較好，線性充電方式下，充電效率較低，能量利用率不高，且無(wú)MPPT功能，這說(shuō)明缺陷同樣存在。方案三：柔性薄膜太陽(yáng)能電池板與SPV1040充電管理集成方案柔性薄膜太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率約在10%-15%，表現(xiàn)較低，但質(zhì)量輕、可彎曲且弱光性能表現(xiàn)不弱，與SPV1040低功耗升壓型MPPT控制器配合，可使小功率系統(tǒng)的充電效率達(dá)到高效。SPV1040支持寬輸入電壓，自動(dòng)調(diào)整工作點(diǎn)并內(nèi)置MPPT算法，優(yōu)點(diǎn)顯示為輕量化、安裝靈活和在弱光下表現(xiàn)好；但缺點(diǎn)也存在：效率低、價(jià)格高，輸出功率有限，例如5W柔性面板約80元，SPV1040模塊約35元。表2-7三種太陽(yáng)能供電方案的對(duì)比分析參數(shù)單晶硅+CN3791多晶硅+TP4056柔性薄膜+SPV1040電池板類型單晶硅多晶硅柔性薄膜轉(zhuǎn)換效率17%-22%15%-18%10%-15%充電控制器CN3791(MPPT)TP4056(線性)SPV1040(MPPT)輸入電壓范圍4.5V-28V4.0V-8.0V0.3V-5.5V最大充電電流2A1A0.5AMPPT功能支持不支持支持保護(hù)功能過(guò)充/過(guò)放/短路/溫度過(guò)充/短路過(guò)充/過(guò)放系統(tǒng)復(fù)雜度高低中弱光表現(xiàn)一般較好很好重量重中等輕安裝靈活性低中高價(jià)格(元)約85(10W系統(tǒng))約45(5W系統(tǒng))約115(5W系統(tǒng))使用壽命長(zhǎng)(>20年)中(15-20年)短(10-15年)適用場(chǎng)景高效率需求場(chǎng)景成本敏感場(chǎng)景輕量化柔性安裝場(chǎng)景本項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景與需求都要求綜合考量，選擇多晶硅太陽(yáng)能電池板與TP4056充電管理方案的搭配，主要因素包含多晶硅電池板的綜合輸出性與TP4056方案在充電控制中應(yīng)對(duì)不同時(shí)段的充電特征，同時(shí)，電池板的多晶結(jié)構(gòu)形式在各種應(yīng)用場(chǎng)景下顯示了對(duì)強(qiáng)、中、偏多級(jí)別太陽(yáng)能的可處理性，這些考量為方案選擇的依據(jù)：?jiǎn)尉Ч枧cCN3791的方案效率偏高，柔性薄膜和SPV1040的方案安裝更靈活，但多晶硅與TP4056的方案在成本控制與系統(tǒng)復(fù)雜性調(diào)整下，更符合實(shí)際需求，垃圾箱擺放位置和光照條件將對(duì)太陽(yáng)能板的尺寸、角度進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到最佳發(fā)電效果，實(shí)際應(yīng)用中各種條件的評(píng)估與調(diào)整不言可落，具體調(diào)整都需依據(jù)安裝位置和光照條件的特征。2.3.8顯示模塊的選型方案一：OLED顯示屏幕SSD1306控制芯片驅(qū)動(dòng)的單色OLED顯示屏，為128×64像素的顯示模塊，自發(fā)光技術(shù)令對(duì)比度和視角都達(dá)到相當(dāng)層次，同時(shí)無(wú)需背光源也降低對(duì)其他元器件的電源要求。它支持I2C或SPI通信接口，電壓在3.3V或5V時(shí)工作電流約20mA，模塊體積僅27×27mm，重量輕且顯示效果清晰，在任何光照條件下均可良好工作，顯示效果的高對(duì)比度、響應(yīng)迅速與低功耗是強(qiáng)點(diǎn)，略為偏高價(jià)格約15元、小顯示面積與驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性稍強(qiáng)也并存在具體使用與評(píng)估階段。方案二：LCD1602顯示屏LCD1602字符液晶顯示模塊基于HD44780控制器，可顯示16列×2行字符，工作電壓為5V，使用并行或I2C接口通信(需借助轉(zhuǎn)接板)，工作電流約2mA，顯示屏尺寸為80×36mm，價(jià)格約8元，足夠清晰地顯示簡(jiǎn)單文字信息，成本低、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、功耗低是它優(yōu)點(diǎn)，只能顯示字符不能顯示圖形，對(duì)比度受視角與環(huán)境光影響較大，且在并行模式下占用I/O口多是它缺點(diǎn)。方案三：TFT彩色液晶顯示屏TFT彩色液晶顯示屏，分辨率為128×160像素，可支持65K色彩顯示，采用SPI接口進(jìn)行通信，工作電壓為3.3V，電流約在20-50mA。顯示屏尺寸為50×35mm，圖形與文字顯示都可支持，色彩豐富，顯示效果好、支持圖片、界面美觀是優(yōu)點(diǎn)，功耗較高、價(jià)格高約25元、驅(qū)動(dòng)復(fù)雜且需要額外存儲(chǔ)空間存放圖片資源是缺點(diǎn)。表2-8三種顯示模塊方案對(duì)比參數(shù)0.96英寸OLED1602LCD1.8英寸TFT顯示類型單色OLED字符LCD彩色TFT分辨率128×64像素16字符×2行128×160像素顯示內(nèi)容文字+圖形僅文字文字+圖形+圖片接口類型I2C/SPI并行/I2CSPI工作電壓3.3V/5V5V3.3V工作電流約20mA約2mA20-50mA尺寸(mm)27×2780×3650×35自發(fā)光是否(需背光)否(需背光)對(duì)比度很高中等高可視角度寬窄中等驅(qū)動(dòng)復(fù)雜度中低高資源占用中等低高價(jià)格(元)約15約8約25抗環(huán)境光干擾強(qiáng)弱中適用場(chǎng)景小尺寸圖文顯示簡(jiǎn)單信息顯示豐富圖形界面顯示綜合項(xiàng)目需求與顯示模塊的特征，本設(shè)計(jì)選擇0.96英寸OLED顯示屏作為交互界面，具體因素為：項(xiàng)目需求與顯示模塊特點(diǎn)的綜合分析，使OLED顯示屏的使用在本設(shè)計(jì)中顯得依據(jù)性與可解釋性并重。0.96英寸的OLED顯示屏在顯示模塊中，可作為用戶與產(chǎn)品交互界面的落點(diǎn)，這些具體分析和特點(diǎn)考慮與選擇并行為選擇的依據(jù)：LCD1602價(jià)格雖然更低，但僅可顯示文字內(nèi)容；1.8英寸TFT顯示效果達(dá)到更佳層次，功耗與驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性也同時(shí)增加。0.96英寸OLED在功能、性能與成本中取得了平衡點(diǎn)，對(duì)本項(xiàng)目的應(yīng)用需求更顯示了高匹配性。2.4本章小結(jié)本章詳細(xì)闡述了智能分類垃圾箱的功能需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括語(yǔ)音識(shí)別、手動(dòng)開(kāi)關(guān)、垃圾溢滿報(bào)警、光控照明、WiFi遠(yuǎn)程控制及太陽(yáng)能供電六大核心功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為控制、電源管理、舵機(jī)控制、傳感器、通信及人機(jī)交互等單元。通過(guò)對(duì)單片機(jī)、溫濕度檢測(cè)模塊、通信模塊、舵機(jī)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、紅外傳感器、太陽(yáng)能供電模塊和顯示模塊等多種方案的對(duì)比分析，最終選擇了STM32F103單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、ESP8266無(wú)線模塊、SG90舵機(jī)、HLK-V20語(yǔ)音模塊、TCRT5000紅外傳感器、多晶硅太陽(yáng)能電池板與TP4056充電管理方案以及OLED顯示模塊作為最優(yōu)組合，綜合考慮了系統(tǒng)性能、功耗、成本及實(shí)用性因素。5系統(tǒng)的測(cè)試3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103單片機(jī)STM32F103單片機(jī)在系統(tǒng)中作為核心控制部分，其計(jì)算能力強(qiáng)得以顯現(xiàn)，復(fù)雜控制邏輯與臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)得以實(shí)現(xiàn)，它擁有32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，各模塊工作由它協(xié)調(diào)，傳感器數(shù)據(jù)處理依賴于它，控制算法的執(zhí)行也靠它。它內(nèi)部集成了64KBFlash程序存儲(chǔ)器和20KBSRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用ARMCortex-M3架構(gòu)，硬件功能便因此實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)把AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片作為電源供應(yīng)元件，電源紋波被過(guò)濾，芯片可穩(wěn)定工作，在電源輸入端添加了470μF電解電容，可靠啟動(dòng)得以保障，RC電路使上電自動(dòng)復(fù)位功能實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘系統(tǒng)采用了一顆8MHz的外部晶振，搭配內(nèi)部PLL倍頻電路，RTC功能對(duì)振蕩回路的穩(wěn)定運(yùn)行要求必須得到保障，22pF的陶瓷電容接入晶振兩端，同時(shí)另外配置32.768KHz低速晶振后，STM32F103的主頻達(dá)到72MHz，37個(gè)可編程I/O口依據(jù)具體功能劃分使用：PA6、PA7、PB0、PB1配置為TIM3定時(shí)器PWM輸出，控制四路舵機(jī)PA2、PA3：配置為USART2以連接ESP8266WiFi模塊PB10、PB11：配置為USART3，連接HLK-V20語(yǔ)音識(shí)別模塊PB6、PB7：配置為I2C接口以連接OLED顯示屏PB12、PB13、PB14、PB15配置為GPIO輸入，連接四路紅外檢測(cè)模塊PA8：連接光線傳感器模塊PC14：控制蜂鳴器輸出其余GPIO口用于LED指示燈和按鍵輸入等功能表3-1STM32F103引腳功能分配表引腳名稱功能配置連接模塊功能描述PA0GPIO_InputKEY11號(hào)垃圾桶按鍵輸入PA1GPIO_InputKEY22號(hào)垃圾桶按鍵輸入PA2USART2_TXESP8266WiFi通信發(fā)送PA3USART2_RXESP8266WiFi通信接收PA4GPIO_InputKEY33號(hào)垃圾桶按鍵輸入PA5GPIO_InputKEY44號(hào)垃圾桶按鍵輸入PA6TIM3_CH1舵機(jī)4PWM控制4號(hào)垃圾桶PA7TIM3_CH2舵機(jī)3PWM控制3號(hào)垃圾桶PA8GPIO_InputGX-5光敏傳感器輸入PA9USART1_TXDEBUG調(diào)試串口發(fā)送PA10USART1_RXDEBUG調(diào)試串口接收PB0TIM3_CH3舵機(jī)2PWM控制2號(hào)垃圾桶PB1TIM3_CH4舵機(jī)1PWM控制1號(hào)垃圾桶PB6I2C1_SCLOLEDI2C時(shí)鐘線PB7I2C1_SDAOLEDI2C數(shù)據(jù)線PB10USART3_TXHLK-V20語(yǔ)音模塊通信發(fā)送PB11USART3_RXHLK-V20語(yǔ)音模塊通信接收PB12GPIO_InputTCRT5000_11號(hào)垃圾桶溢滿檢測(cè)PB13GPIO_InputTCRT5000_22號(hào)垃圾桶溢滿檢測(cè)PB14GPIO_InputTCRT5000_33號(hào)垃圾桶溢滿檢測(cè)PB15GPIO_InputTCRT5000_44號(hào)垃圾桶溢滿檢測(cè)PC13GPIO_OutputLED_SYS系統(tǒng)運(yùn)行指示燈PC14GPIO_OutputBUZZER蜂鳴器報(bào)警輸出PC15GPIO_OutputLED_POWER電源指示燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用最小化形式，核心控制部分使用STM32F103C8T6芯片，通過(guò)母線結(jié)構(gòu)與外圍功能模塊完成互聯(lián)，電源系統(tǒng)由AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片提供3.3V的穩(wěn)定輸出，輸入端接入5V電，供電來(lái)自太陽(yáng)能系統(tǒng)，濾波處理中，在AMS1117輸入端與輸出端分別接入470μF電解電容，抑制噪聲存在并確?？刂破麟娫丛诠ぷ鲿r(shí)保持穩(wěn)定。圖3.1STM32F103單片機(jī)接線情況3.2OLED顯示模塊本系統(tǒng)采用0.96英寸OLED顯示模塊作為視覺(jué)輸出的接口，OLED顯示模塊的電路連接較簡(jiǎn)單，四根信號(hào)線就可完成連接，VCC連著3.3V電源，在電路設(shè)計(jì)時(shí)4.7kΩ電阻被集成到VCC里，SDA接至PB7引腳也就是I2C數(shù)據(jù)線，信號(hào)質(zhì)量由它保障，SCL需連接STM32的PB6引腳即I2C時(shí)鐘線，I2C總線工作少不了上拉電阻，GND自然是與系統(tǒng)地相連，這些連接方式有著特定要求與作用。SSD1306被選作OLED控制芯片，通信速率設(shè)定為100KHz，頁(yè)尋址模式成為系統(tǒng)特征之一，這種設(shè)計(jì)為文字和圖形混顯提供了便利性，設(shè)備地址設(shè)置成了0x78，I2C協(xié)議應(yīng)用于通信過(guò)程中，顯示區(qū)域劃分為了8頁(yè)，多種顯示模式均能實(shí)現(xiàn)支持，內(nèi)置的8K字節(jié)GDDRAM圖形顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)維持了通信穩(wěn)定性，每一頁(yè)由8行像素構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用分層架構(gòu)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，高層函數(shù)完成字符以及字符串和數(shù)字的顯示功能，底層函數(shù)則負(fù)責(zé)I2C通信與基礎(chǔ)命令的發(fā)送工作，同時(shí)還兼容多種字體大小的處理需求，中層函數(shù)被用來(lái)提供點(diǎn)、線或者矩形之類基本圖形繪制的能力，借此應(yīng)對(duì)各種顯示需求的變化，初始化流程包括清屏動(dòng)作和對(duì)比度調(diào)節(jié)操作等任務(wù)全都包含在內(nèi)。OLED顯示模塊的初始化配置參數(shù)如下：表3-2OLED顯示模塊初始化參數(shù)表參數(shù)名稱參數(shù)值功能描述對(duì)比度0xCF設(shè)置顯示對(duì)比度顯示方向0xA1設(shè)置段重映射模式COM掃描方向0xC8設(shè)置COM輸出掃描方向復(fù)用比率0x3F設(shè)置復(fù)用比例(1/64)顯示偏移0x00設(shè)置顯示偏移量時(shí)鐘分頻0x80設(shè)置顯示時(shí)鐘分頻比預(yù)充電周期0xF1設(shè)置預(yù)充電周期COM引腳配置0x12設(shè)置COM引腳硬件配置VCOMH0x40設(shè)置VCOMH調(diào)節(jié)電壓充電泵0x14啟用充電泵顯示開(kāi)/關(guān)0xAF開(kāi)啟顯示OLED顯示的內(nèi)容包含系統(tǒng)狀態(tài)信息、垃圾分類指引以及垃圾滿載檢測(cè)告警等內(nèi)容，在語(yǔ)音識(shí)別的同時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域顯示出警示符號(hào)和文字提醒信息，屏幕上呈現(xiàn)出識(shí)別結(jié)果與相對(duì)應(yīng)的垃圾分類詳情，界面顯得清晰直觀，當(dāng)檢測(cè)到垃圾滿載狀況時(shí)，類似開(kāi)關(guān)情況和滿載狀態(tài)之類的項(xiàng)目，就被主界面用來(lái)展示四個(gè)垃圾桶此時(shí)的狀態(tài)，從而為用戶提供正確投放的輔助信息。圖3.2OLED模塊實(shí)際接線圖3.3HLK-V20語(yǔ)音模塊HLK-V20語(yǔ)音模塊在系統(tǒng)用戶交互中屬于核心部分，其功能包含語(yǔ)音識(shí)別與播報(bào)，電路處理時(shí)，模塊內(nèi)部的穩(wěn)壓電路完成電壓轉(zhuǎn)換，以滿足核心芯片的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。通信波特率被設(shè)定為9600bps后，模塊連接到揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路，RXD連接STM32的PB10引腳即USART3_TX，TXD則連向PB11引腳即USART3_RX，使用串口方式負(fù)責(zé)通信過(guò)程，HLK-V20模塊的SP+、SP-端用于音頻輸出，且需要5V供電才能正常工作。模塊有命令詞識(shí)別和自由對(duì)話這兩種模式，每組可最多包含7個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)，在垃圾分類場(chǎng)景下能夠滿足這些要求，且識(shí)別精準(zhǔn)度較為可信賴。系統(tǒng)采用命令詞識(shí)別模式，相關(guān)詞匯中包含"垃圾桶"、"西瓜皮"、"易拉罐"和"電池"等常見(jiàn)垃圾名稱，在安靜環(huán)境的識(shí)別率可以達(dá)到95%以上，該模塊能夠存儲(chǔ)50組命令詞并預(yù)先設(shè)好了與垃圾分類相關(guān)的部分。語(yǔ)音播報(bào)功能的完成需特定指令發(fā)送，系統(tǒng)中的Specify_Musi_Play()函數(shù)對(duì)語(yǔ)音播報(bào)進(jìn)行控制。預(yù)置分類提示語(yǔ)音可播放，“廚余垃圾”“可回收物”“有害垃圾”“其他垃圾”，狀態(tài)提示語(yǔ)音例如“請(qǐng)及時(shí)清運(yùn)”同樣可實(shí)現(xiàn)，用于播放“垃圾已滿”的內(nèi)容也包含在內(nèi)，不同語(yǔ)音內(nèi)容參數(shù)相對(duì)應(yīng)。語(yǔ)音模塊的指令詞設(shè)置如下表所示：表3-3HLK-V20語(yǔ)音模塊指令詞配置表指令組主關(guān)鍵詞次關(guān)鍵詞識(shí)別動(dòng)作播報(bào)內(nèi)容組1垃圾桶西瓜皮、香蕉皮、剩飯、菜葉打開(kāi)1號(hào)桶"廚余垃圾"組2垃圾桶易拉罐、塑料瓶、紙箱、報(bào)紙打開(kāi)2號(hào)桶"可回收物"組3垃圾桶電池、燈管、藥品、油漆打開(kāi)3號(hào)桶"有害垃圾"組4垃圾桶煙頭、塵土、貝殼、衛(wèi)生紙打開(kāi)4號(hào)桶"其他垃圾"組5垃圾桶關(guān)閉、完成關(guān)閉當(dāng)前桶"謝謝使用"組6垃圾桶狀態(tài)、查詢檢查滿載狀態(tài)播報(bào)垃圾狀態(tài)組7垃圾桶開(kāi)燈、關(guān)燈控制照明LED"已開(kāi)啟照明"/"已關(guān)閉照明"圖3.3HLK-V20語(yǔ)音模塊3.4ESP8266無(wú)線模塊ESP8266無(wú)線模塊賦予系統(tǒng)WiFi通信功能，32位微處理器和WiFi收發(fā)器集成之后，遠(yuǎn)程控制以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能才能夠達(dá)成，ESP8266的RXD引腳與STM32的PA2引腳（USART2_TX）相連，供電需求為3.3V，防干擾措施不可忽視，瞬時(shí)電流變化需妥善管理，TXD則連接至PA3引腳（USART2_RX），波特率設(shè)置為115200bps，工作電流峰值可能達(dá)到500mA，電路整體設(shè)計(jì)將干擾抑制與運(yùn)行穩(wěn)定性作為重點(diǎn)考量?jī)?nèi)容，元件參數(shù)選擇過(guò)程也圍繞這些需求進(jìn)行調(diào)整及處理操作。ESP8266被配置為AP+Station混合模式（AT+CWMODE=2），監(jiān)聽(tīng)端口設(shè)置為8080，隨即進(jìn)入等待客戶端連接的狀態(tài)，用戶通過(guò)手機(jī)APP可連接垃圾箱的WiFi熱點(diǎn)，也可接入局域網(wǎng)內(nèi)的垃圾箱，獨(dú)立熱點(diǎn)還能被創(chuàng)建出來(lái)以方便手機(jī)直接連接，然后是TCP服務(wù)器模式的配置（AT+CIPSERVER=1,8080），系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)一方面完成現(xiàn)有WiFi網(wǎng)絡(luò)的連接任務(wù)，另一方面還肩負(fù)起發(fā)送控制指令用于遠(yuǎn)程操作的責(zé)任，模塊初始化靠的是AT指令。通信協(xié)議設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔且高效，調(diào)試與擴(kuò)展顯得頗為便利，狀態(tài)信息借助反向通知機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)，這里頭有些內(nèi)容需要進(jìn)一步清理，比如說(shuō)"1#Garbagefull,pleasecheck!"代表的就是1號(hào)垃圾桶滿了這種狀態(tài)，而"1#"用于表達(dá)打開(kāi)1號(hào)垃圾桶時(shí)的情況，在以ASCII字符格式來(lái)表述的時(shí)候，要是垃圾滿了或者其他狀態(tài)發(fā)生了變動(dòng)，那么"2#"就代表著關(guān)閉1號(hào)垃圾桶的意思，控制命令采用"命令號(hào)+#"的格式，當(dāng)相關(guān)狀況出現(xiàn)之際，系統(tǒng)會(huì)自行朝已連接的客戶端發(fā)出通知消息。ESP8266模塊的配置參數(shù)和AT指令序列如下：表3-4ESP8266WiFi模塊配置參數(shù)表參數(shù)項(xiàng)配置值功能描述工作模式AP+Station混合模式(2)既可作熱點(diǎn)也可接入網(wǎng)絡(luò)WiFi熱點(diǎn)名"SmartGarbage_xxxx"垃圾箱專用熱點(diǎn)名熱點(diǎn)密碼"12345678"熱點(diǎn)接入密碼通道號(hào)11WiFi通信通道安全類型WPA2_PSK熱點(diǎn)安全模式可見(jiàn)性1(可見(jiàn))熱點(diǎn)可被發(fā)現(xiàn)最大連接數(shù)4最多支持4臺(tái)設(shè)備連接DHCP啟用自動(dòng)分配IP地址熱點(diǎn)IP熱點(diǎn)模式下的IP地址TCP端口8080數(shù)據(jù)通信端口波特率115200bps與STM32通信速率休眠模式輕度睡眠不使用時(shí)進(jìn)入低功耗模式圖3.4ESP8266無(wú)線模塊3.5TCRT5000紅外模塊TCRT5000紅外模塊作為系統(tǒng)垃圾滿檢測(cè)功能的核心傳感部件被采用，四組TCRT500傳感器在系統(tǒng)里做了配置，當(dāng)垃圾堆積到預(yù)設(shè)高度時(shí)警報(bào)會(huì)被觸發(fā)，垃圾桶內(nèi)部垃圾高度的監(jiān)測(cè)工作由其完成，分別裝在了四個(gè)垃圾桶上部位置。TCRT5000紅外模塊的VCC連至5V電源，其中有一個(gè)模擬輸出端NC在本設(shè)計(jì)中未被使用，數(shù)字輸出端則分別接到STM32的PB12、PB13、PB14、PB15這四個(gè)GPIO引腳上，OUT連著單片機(jī)GPIO，GND和系統(tǒng)地相接，被設(shè)置成上拉輸入模式，TCRT5000模塊由5V進(jìn)行供電。每個(gè)TCRT5000模塊內(nèi)部都有比較器電路，檢測(cè)閾值由可調(diào)電位器設(shè)定，調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)選在垃圾達(dá)到預(yù)期滿載高度的時(shí)候，這樣的設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)不同顏色與材質(zhì)的垃圾，其檢測(cè)距離被限定于1cm至20cm之間，垃圾桶的設(shè)計(jì)把傳感器的安裝位置定在距離桶底約30cm處，電位器調(diào)節(jié)至輸出端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后，LED指示燈便會(huì)點(diǎn)亮，檢測(cè)的可靠性因此提升，垃圾堆積高度一旦超出這個(gè)數(shù)值就被視作滿載。表3-5TCRT5000模塊參數(shù)配置參數(shù)項(xiàng)配置值功能描述工作電壓5V模塊供電電壓數(shù)字輸出閾值可調(diào)(通過(guò)電位器)檢測(cè)距離閾值設(shè)置檢測(cè)距離約12cm垃圾滿載判定距離響應(yīng)時(shí)間<10ms信號(hào)響應(yīng)速度發(fā)射波長(zhǎng)940nm紅外發(fā)射波長(zhǎng)安裝位置距桶底30cm模塊固定位置輸出電平低電平有效檢測(cè)到物體輸出低電平干擾抑制10nF去耦電容減少電源噪聲干擾采樣方式多次采樣取平均提高檢測(cè)可靠性圖3.5TCRT5000紅外模塊3.6SG90舵機(jī)模塊SG90舵機(jī)在本系統(tǒng)中作為執(zhí)行部件，任務(wù)是控制垃圾桶蓋的開(kāi)合，系統(tǒng)一共設(shè)置了四個(gè)SG90舵機(jī)，SG90屬于微型伺服舵機(jī)，重量被控制在僅僅9克，轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到0.1秒完成60度轉(zhuǎn)動(dòng)，精確定位也因此得以實(shí)現(xiàn)，其工作電壓被設(shè)定在4.8V到6V之間，扭矩為1.8kg·cm，內(nèi)部集成有直流電機(jī)以及減速齒輪組，還有位置反饋電位器和控制電路也被整合其中，旋轉(zhuǎn)角度借助PWM信號(hào)進(jìn)行控制，尺寸方面為22.2×11.8×31mm，各項(xiàng)參數(shù)一同對(duì)其性能特點(diǎn)與適用范圍做出了定義。電路的連接采用標(biāo)準(zhǔn)三線制方式，棕色線的作用是連接系統(tǒng)地，電源設(shè)計(jì)時(shí)則需要特別注意舵機(jī)啟動(dòng)瞬間電流突然增大的現(xiàn)象，為防止這種電壓波動(dòng)影響到系統(tǒng)的其他部分，紅色線被指定為5V電源的接線，并且在電源線路中額外加入了大容量電解電容，其用意是為了吸收電流尖峰，四個(gè)舵機(jī)的控制信號(hào)分別連接的是PA6、PA7、PB0和PB1引腳，而這幾個(gè)引腳剛好對(duì)應(yīng)TIM3定時(shí)器的四個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制的目標(biāo)，橙色線的任務(wù)則是與STM32的PWM輸出引腳相連，整體電路布局顯得既緊湊合理又透出些許復(fù)雜交錯(cuò)的氣息。PWM信號(hào)的規(guī)格為周期20ms（頻率50Hz），垃圾桶蓋關(guān)閉時(shí)對(duì)應(yīng)的舵機(jī)位置是0度（PWM值1500），范圍覆蓋了從0度到180度的所有位置，脈沖寬度被限定在1ms到2ms之間動(dòng)態(tài)變化，從而滿足系統(tǒng)內(nèi)角度控制的功能所需，預(yù)分頻值選定為23，自動(dòng)重裝值則設(shè)定為59999，借助TIM_SetCompare函數(shù)對(duì)脈沖寬度加以調(diào)整以完成精準(zhǔn)的50HzPWM輸出任務(wù)，在開(kāi)啟狀態(tài)下對(duì)應(yīng)到90度位置（PWM值4500）。而定時(shí)器的相關(guān)配置經(jīng)由調(diào)用TIM3_PWM_Init(59999,23)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。表3-6SG90舵機(jī)控制參數(shù)配置參數(shù)項(xiàng)配置值功能描述PWM頻率50Hz(20ms周期)舵機(jī)控制信號(hào)頻率定時(shí)器TIM3產(chǎn)生PWM的定時(shí)器預(yù)分頻系數(shù)23定時(shí)器分頻系數(shù)自動(dòng)重裝值59999定時(shí)器周期設(shè)置閉合位置PWM1500(0°)垃圾桶蓋關(guān)閉位置開(kāi)啟位置PWM4500(90°)垃圾桶蓋打開(kāi)位置執(zhí)行時(shí)間300ms舵機(jī)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉延時(shí)5秒垃圾投放后自動(dòng)關(guān)閉時(shí)間同步控制不允許禁止多個(gè)舵機(jī)同時(shí)動(dòng)作啟動(dòng)電流補(bǔ)償470μF電容吸收啟動(dòng)電流沖擊圖3.6舵機(jī)模塊實(shí)際接線圖3.7GX-5光線檢測(cè)模塊GX-5光線模塊讓系統(tǒng)具備了檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度的能力，電阻分壓電路把光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的過(guò)程發(fā)生，光照強(qiáng)度變了電阻值也跟著發(fā)生變化的情況出現(xiàn)，這一信號(hào)被比較器處理之后數(shù)字信號(hào)就被輸出了出來(lái)，這個(gè)數(shù)字信號(hào)用于光控照明功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程里，此模塊依據(jù)的是光敏電阻原理。GX-5以光敏電阻作為感光元件，光敏電阻阻值降低時(shí)比較器輸出高電平，光線不足時(shí)則輸出低電平，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍在400到700nm之內(nèi)，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)PA8引腳電平狀態(tài)判定環(huán)境光強(qiáng)，阻值增大現(xiàn)象存在，可見(jiàn)光譜被覆蓋，光照范圍位于10至1000勒克斯之間，光線不充足時(shí)LED5（照明燈）就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮起來(lái)，在光線充足的狀況下。光照強(qiáng)度總是在不斷波動(dòng)，為了防止照明頻繁切換，瞬時(shí)波動(dòng)的影響需要被有效過(guò)濾掉，環(huán)境光強(qiáng)的變化要是沒(méi)有持續(xù)超過(guò)2秒就不會(huì)觸發(fā)照明狀態(tài)的切換，柔和的光照效果就這樣慢慢地呈現(xiàn)出來(lái)，系統(tǒng)也因此具備了延時(shí)判斷的能力，在光線逐步變?nèi)醯臅r(shí)候亮度會(huì)被調(diào)整得漸漸升高，用戶的體驗(yàn)感就在這樣的過(guò)程中提升，至于照明LED方面，它采用了PWM調(diào)光方式，這般處理之后各個(gè)要素在實(shí)際運(yùn)行里既緊密交融又各自發(fā)揮出功能。表3-7GX-5光線檢測(cè)模塊參數(shù)配置參數(shù)項(xiàng)配置值功能描述工作電壓5V模塊供電電壓輸出方式數(shù)字輸出高/低電平輸出響應(yīng)波長(zhǎng)400-700nm可見(jiàn)光范圍檢測(cè)閾值可調(diào)(通過(guò)電位器)光強(qiáng)閾值設(shè)置光強(qiáng)范圍10-1000勒克斯可檢測(cè)的光照強(qiáng)度范圍響應(yīng)時(shí)間<100ms光照變化響應(yīng)時(shí)間防抖時(shí)間2秒防止照明頻繁切換的延時(shí)安裝位置垃圾箱頂部外側(cè)接收外部環(huán)境光照明控制低電平觸發(fā)光線不足時(shí)輸出低電平圖3.7GX-5光線檢測(cè)模塊3.8太陽(yáng)能電源管理模塊太陽(yáng)能電源管理模塊是系統(tǒng)正常運(yùn)行的能量來(lái)源，采用多晶硅太陽(yáng)能電池板結(jié)合TP4056鋰電池充電管理芯片和電源管理電路構(gòu)成完整的供電系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用了5W/12V多晶硅太陽(yáng)能電池板，尺寸為25×20cm，轉(zhuǎn)換效率約16%，具有良好的弱光發(fā)電特性。表3-8太陽(yáng)能電源系統(tǒng)參數(shù)配置參數(shù)項(xiàng)配置值功能描述太陽(yáng)能板類型多晶硅太陽(yáng)能電池板類型板功率5W峰值發(fā)電功率開(kāi)路電壓12V無(wú)負(fù)載時(shí)的電壓工作電壓9V最大功率點(diǎn)電壓工作電流550mA最大功率點(diǎn)電流充電控制器TP4056鋰電池充電管理芯片充電電流1A最大充電電流電池類型18650鋰電池×2電能存儲(chǔ)裝置電池容量6000mAh總儲(chǔ)能容量轉(zhuǎn)換電路LM2596雙路降壓穩(wěn)壓(5V和3.3V)系統(tǒng)待機(jī)功耗約25mA系統(tǒng)空閑狀態(tài)功耗系統(tǒng)工作功耗約120-350mA系統(tǒng)工作狀態(tài)功耗充滿電池時(shí)運(yùn)行時(shí)間>72小時(shí)無(wú)陽(yáng)光情況下的續(xù)航時(shí)間太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)考慮了以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：太陽(yáng)能電池板與充電控制電路：太陽(yáng)能電池板輸出電壓通過(guò)肖特基二極管防止反向電流，然后連接到TP4056充電管理模塊。TP4056具有恒流/恒壓充電特性，支持過(guò)充、過(guò)放和短路保護(hù)，充電電流設(shè)置為1A。為提高太陽(yáng)能能量采集效率，在電路中加入了簡(jiǎn)易的MPPT功能，使用LM358運(yùn)算放大器和MOSFET組成的最大功率點(diǎn)追蹤電路，提高弱光條件下的充電效率。電池管理與保護(hù)電路：系統(tǒng)采用兩節(jié)18650鋰電池并聯(lián)配置，總?cè)萘考s6000mAh。電池組配備過(guò)充保護(hù)(4.2V)、過(guò)放保護(hù)(3.0V)和過(guò)流保護(hù)(3A)電路，確保電池使用安全。電池電量檢測(cè)通過(guò)電阻分壓和STM32內(nèi)置ADC實(shí)現(xiàn)，軟件中加入了電量計(jì)算算法，可準(zhǔn)確顯示剩余電量。電源轉(zhuǎn)換與分配電路：電池輸出電壓通過(guò)LM2596降壓模塊轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的5V和3.3V兩路電源。5V電源為舵機(jī)、語(yǔ)音模塊等供電，3.3V為STM32、WiFi模塊等供電。電源轉(zhuǎn)換效率約85%，最大輸出電流3A，滿足系統(tǒng)峰值需求。電路中加入LC濾波電路，減少紋波，提高電源質(zhì)量。低功耗管理電路：系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多級(jí)低功耗管理策略。WiFi模塊和語(yǔ)音模塊在非使用狀態(tài)通過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電源隔離，顯著降低待機(jī)功耗。STM32主控在系統(tǒng)空閑時(shí)進(jìn)入停止模式，僅保留關(guān)鍵喚醒源工作，功耗降至最低。系統(tǒng)總體待機(jī)功耗控制在25mA以下，滿足長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)需求。防反接與過(guò)流保護(hù)：設(shè)計(jì)中加入多重保護(hù)機(jī)制，包括電源反接保護(hù)二極管、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管過(guò)壓保護(hù)等，確保系統(tǒng)在各種異常情況下的安全運(yùn)行。太陽(yáng)能電源系統(tǒng)的安裝位置在垃圾箱頂部，略微傾斜(約15°)，以獲得最佳光照條件。電池和電源管理電路置于垃圾箱后部的密封腔體內(nèi)，防水防塵設(shè)計(jì)達(dá)到IP54級(jí)別，確保在室外環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。3.9本章小結(jié)本章深入探討了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以STM32F103單片機(jī)為核心，詳細(xì)說(shuō)明了各功能模塊的電路連接與參數(shù)配置。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)引腳功能分配、OLED顯示模塊的初始化參數(shù)、HLK-V20語(yǔ)音模塊的指令詞配置、ESP8266無(wú)線模塊的通信協(xié)議設(shè)計(jì)、TCRT5000紅外模塊的檢測(cè)原理、SG90舵機(jī)的PWM控制參數(shù)、GX-5光線檢測(cè)模塊的工作機(jī)制以及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考量。通過(guò)圖表和實(shí)際接線圖展示了硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，確保了各模塊間的無(wú)縫集成。本章的硬件設(shè)計(jì)既保證了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，又兼顧了低功耗、穩(wěn)定性和可靠性的要求，為軟件開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹Keil5這款集成開(kāi)發(fā)環(huán)境出自ARMKeila公司之手，是面向ARMCortex-M系列微控制器而推出的，本項(xiàng)目軟件開(kāi)發(fā)所需求的完整解決方案被其提供出來(lái)，對(duì)于C/C++還有匯編語(yǔ)言編程也能給予支持，編輯器之類、編譯器以及調(diào)試器等多種工具被納入到這個(gè)軟件里面，在針對(duì)STM32系列芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)的工作里顯得尤為合適。Keil5采用模塊化設(shè)計(jì)方式，μVision提供的項(xiàng)目管理界面直觀清晰，核心部分涵蓋μVisionIDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、ARMC/C++編譯器、匯編器、鏈接器和庫(kù)管理器等組件，程序測(cè)試與排錯(cuò)因此顯得方便許多，調(diào)試功能既多樣又強(qiáng)大，編碼效率就這樣被提升起來(lái)，斷點(diǎn)設(shè)定、變量監(jiān)視、內(nèi)存查看以及單步執(zhí)行等操作現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，代碼編輯器語(yǔ)法高亮、自動(dòng)補(bǔ)全及代碼折疊等功能也得到支持。在STM32開(kāi)發(fā)中底層驅(qū)動(dòng)被中間件以及應(yīng)用邏輯分離，Keil5將STM32F1xx標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)（StdPeriph_Driver）集成起來(lái)之后，硬件抽象層接口便得以提供，代碼的可維護(hù)性與可重用性也因此提升，底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)看起來(lái)更加簡(jiǎn)化，項(xiàng)目按分層結(jié)構(gòu)對(duì)代碼進(jìn)行組織安排，GPIO、定時(shí)器、中斷、DMA還有通信接口等各類外設(shè)均在庫(kù)函數(shù)覆蓋范圍之內(nèi)，開(kāi)發(fā)工作量大幅縮減，各種功能的達(dá)成仿佛融入這種模塊化布局之中。Keil5的許可證分為評(píng)估版與專業(yè)版，代碼安全和版本追蹤能力在多次迭代開(kāi)發(fā)中被提供保障，評(píng)估版代碼大小被限制在32KB以內(nèi)，并未超出本項(xiàng)目需求范圍，在開(kāi)發(fā)過(guò)程里源代碼借助版本控制工具Git被管理。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖系統(tǒng)的主流程圖如圖4.2所示，主程序采用了順序執(zhí)行和循環(huán)檢測(cè)相結(jié)合的形式，內(nèi)容涉及時(shí)鐘配置、外設(shè)初始化以及變量初始化等方面，初始化完成后就進(jìn)入了無(wú)限循環(huán)階段，蜂鳴器發(fā)聲、LED燈閃爍、發(fā)送通知等任務(wù)都被涵蓋其中，系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行由此得到了保證，滿載時(shí)報(bào)警流程會(huì)被觸發(fā)，啟動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，在循環(huán)中垃圾滿檢測(cè)、光線檢測(cè)、WiFi通信數(shù)據(jù)解析的任務(wù)被承擔(dān)起來(lái)，不斷地對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)各類事件加以處理，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明效果，垃圾桶開(kāi)關(guān)的操作得以執(zhí)行，WiFi數(shù)據(jù)接受遠(yuǎn)程控制指令并完成解析處理的功能，受環(huán)境光強(qiáng)度影響，光線檢測(cè)能夠?qū)φ彰鱈ED進(jìn)行控制以應(yīng)對(duì)外部各種事件，主循環(huán)借助標(biāo)志位和計(jì)數(shù)器協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊開(kāi)展工作，而垃圾滿檢測(cè)邏輯通過(guò)讀取四路紅外傳感器狀態(tài)來(lái)達(dá)成目的。4.2.2按鍵子程序流程介紹圖4.3按鍵控制程序流程圖按鍵控制函數(shù)流程圖如圖4.3所示，按鍵子程序的目標(biāo)在于檢測(cè)用戶按鍵輸入并給出對(duì)應(yīng)動(dòng)作，有效按鍵被捕捉之后，并非馬上觸發(fā)操作，而是需要結(jié)合垃圾桶當(dāng)前狀態(tài)判斷是要執(zhí)行開(kāi)蓋還是關(guān)蓋的流程，這一流程由定時(shí)器中斷來(lái)引發(fā)初始步驟，按鍵事件處理依賴狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)完成，掃描周期被設(shè)定成10ms一次，首先便是獲取四個(gè)按鍵GPIO的狀態(tài)值，若此時(shí)舵機(jī)回到關(guān)閉位置，則表明正處于手動(dòng)開(kāi)啟狀態(tài)之中，長(zhǎng)按功能同樣在此程序考量范圍內(nèi)，開(kāi)蓋過(guò)程中需要設(shè)置一個(gè)特定標(biāo)志位flag_sd且賦值為1，包括起始、按下確認(rèn)乃至后續(xù)長(zhǎng)按的情形均包含在內(nèi)，以此保證系統(tǒng)能快速反應(yīng)從而達(dá)成某些特殊控制任務(wù)，像驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到特定的開(kāi)蓋角度等，同時(shí)還融入去抖算法以解決機(jī)械抖動(dòng)干擾正常運(yùn)行的問(wèn)題，在整個(gè)按鍵事件設(shè)計(jì)中采取了非阻塞式方式從而避免影響其他功能實(shí)現(xiàn)，到關(guān)蓋時(shí)則完成對(duì)應(yīng)的標(biāo)志清除工作。4.2.3語(yǔ)音子程序流程介紹圖4.4語(yǔ)音子程序流程圖語(yǔ)音子程序承擔(dān)語(yǔ)音識(shí)別和播報(bào)功能的處理工作，解析HLK-V20模塊返回的識(shí)別結(jié)果時(shí)需要用到幀格式與校驗(yàn)和來(lái)做有效性驗(yàn)證，串口接收中斷觸發(fā)的時(shí)候，例如提示“廚余垃圾”這類信息會(huì)立即轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的垃圾類型，語(yǔ)音播報(bào)功能依靠Specify_Musi_Play()函數(shù)來(lái)達(dá)成目標(biāo)，此時(shí)command3設(shè)定為5，快速響應(yīng)語(yǔ)音指令這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中有所展現(xiàn)，核心驅(qū)動(dòng)手段依托于串口中斷方式完成，交互體驗(yàn)優(yōu)化的理念則貫穿設(shè)計(jì)之中，提取出命令詞代碼之后用來(lái)啟動(dòng)1號(hào)垃圾桶的開(kāi)蓋操作。當(dāng)檢測(cè)到如“易拉罐”這種可回收物或者類似“西瓜皮”的廚益垃圾時(shí)，系統(tǒng)向控制模塊發(fā)送具體的指令進(jìn)行預(yù)設(shè)語(yǔ)音的播放工作，從而推動(dòng)2號(hào)垃圾桶完成開(kāi)蓋操作，程序完成緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀取后調(diào)整command3值為4，以確保反饋準(zhǔn)確性維持在高水準(zhǔn)上，經(jīng)多層次校驗(yàn)的所有相關(guān)控制命令最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)流程需求的精準(zhǔn)符合性匹配效果落到實(shí)處方案里。4.2.4無(wú)線子程序流程無(wú)線子程序主要負(fù)責(zé)ESP8266WiFi模塊的初始化和通信數(shù)據(jù)處理。程序首先對(duì)ESP8266進(jìn)行初始化配置，設(shè)置為AP+Station混合模式，啟動(dòng)TCP服務(wù)器并監(jiān)聽(tīng)8080端口。在主循環(huán)中，程序不斷檢查是否接收到來(lái)自手機(jī)APP的控制命令，如接收到則進(jìn)行解析并執(zhí)行相應(yīng)控制操作，如打開(kāi)或關(guān)閉垃圾桶、控制LED照明等。同時(shí)，程序會(huì)定期檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，包括垃圾滿載狀態(tài)、電池電量等，當(dāng)狀態(tài)變化需要通知用戶時(shí)，會(huì)通過(guò)WiFi模塊向已連接的客戶端發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)。無(wú)線子程序采用非阻塞式設(shè)計(jì)，確保通信功能不會(huì)影響系統(tǒng)其他功能的正常運(yùn)行。圖4.5無(wú)線子程序流程圖4.2.5顯示子子程序流程顯示子程序負(fù)責(zé)OLED顯示屏的初始化和信息更新。程序首先進(jìn)行OLED模塊初始化設(shè)置，包括設(shè)置對(duì)比度、顯示方向、時(shí)鐘分頻等參數(shù)，然后清屏并顯示系統(tǒng)主界面。在主循環(huán)中，程序持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)變化，包括四個(gè)垃圾桶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和滿載狀態(tài)，一旦狀態(tài)發(fā)生變化，即時(shí)更新顯示內(nèi)容。當(dāng)有語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果時(shí)，程序會(huì)在屏幕上顯示識(shí)別的垃圾類型和對(duì)應(yīng)的分類提示。垃圾溢滿檢測(cè)觸發(fā)后，程序會(huì)在屏幕上顯示警告信息，提醒用戶及時(shí)清理。此外，程序還會(huì)定期更新電池狀態(tài)顯示，提供太陽(yáng)能系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋。顯示子程序采用分區(qū)顯示策略，合理利用128×64像素的顯示空間，確保信息布局清晰直觀。圖4.6顯示子程序流程圖4.2.6溫濕度檢測(cè)子程序流程溫濕度檢測(cè)子程序負(fù)責(zé)監(jiān)控垃圾箱周圍環(huán)境的溫濕度狀況。程序首先對(duì)DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行初始化配置，然后進(jìn)入周期性檢測(cè)流程。根據(jù)設(shè)計(jì)，測(cè)量周期為2秒，這是基于DHT11傳感器的特性所定。當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量周期時(shí)，程序向DHT11發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，然后接收從傳感器返回的數(shù)據(jù)，包括濕度整數(shù)部分、濕度小數(shù)部分、溫度整數(shù)部分、溫度小數(shù)部分和校驗(yàn)和。接收完數(shù)據(jù)后，程序進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如校驗(yàn)成功則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)；如校驗(yàn)失敗，則進(jìn)入錯(cuò)誤處理流程，可能會(huì)重試或等待下一次測(cè)量。數(shù)據(jù)處理后，程序會(huì)更新顯示數(shù)據(jù)，并判斷溫度是否超出預(yù)設(shè)閾值，如超出則觸發(fā)溫度報(bào)警，如垃圾可能發(fā)酵或其他異常情況的預(yù)警。程序采用單總線通信方式與DHT11傳感器交互，確保通信穩(wěn)定可靠。圖4.7溫濕度采集子程序流程圖4.2.7舵機(jī)子程序流程舵機(jī)子程序負(fù)責(zé)控制四個(gè)垃圾桶蓋的開(kāi)合動(dòng)作。首先，程序?qū)IM3定時(shí)器進(jìn)行PWM初始化，設(shè)置頻率為50Hz（周期20ms），這是標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)控制信號(hào)的要求。初始化完成后，所有舵機(jī)歸位到關(guān)閉位置，對(duì)應(yīng)PWM值為1500（脈寬1.5ms）。程序在主循環(huán)中持續(xù)檢測(cè)是否接收到開(kāi)蓋命令，命令可能來(lái)自按鍵輸入、語(yǔ)音識(shí)別或WiFi遠(yuǎn)程控制。收到開(kāi)蓋命令后，程序首先檢查目標(biāo)垃圾桶是否已滿，如已滿則播放提示音并拒絕開(kāi)蓋；如未滿，則控制對(duì)應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)到開(kāi)啟位置，對(duì)應(yīng)PWM值為4500（脈寬2.5ms），旋轉(zhuǎn)角度約為90度。開(kāi)蓋后，程序設(shè)置開(kāi)啟標(biāo)志位和自動(dòng)關(guān)閉定時(shí)器（默認(rèn)5秒）。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)或收到關(guān)閉命令時(shí)，程序控制舵機(jī)返回關(guān)閉位置，并清除開(kāi)啟標(biāo)志位。整個(gè)過(guò)程中，程序通過(guò)限制多個(gè)舵機(jī)同時(shí)運(yùn)行，避免電流過(guò)大影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖4.8舵機(jī)子程序流程圖4.3本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，首先概述了采用Keil5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的原因及其特點(diǎn)，隨后通過(guò)流程圖清晰展示了主程序及各子模塊的運(yùn)行邏輯。主程序采用順序執(zhí)行和循環(huán)檢測(cè)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，初始化完成后進(jìn)入主循環(huán)，不斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并處理各類事件。各子程序包括按鍵控制、語(yǔ)音識(shí)別與播報(bào)、無(wú)線通信、顯示界面更新、溫濕度檢測(cè)及舵機(jī)控制等，均采用模塊化、非阻塞式設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)各功能協(xié)調(diào)運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)充分利用STM32硬件資源，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)并行處理，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和用戶體驗(yàn)。通過(guò)完善的程序架構(gòu)和精細(xì)的功能實(shí)現(xiàn)，軟件系統(tǒng)有效地支持了硬件功能的發(fā)揮。5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟硬件調(diào)試軟硬件調(diào)試環(huán)節(jié)關(guān)鍵至極，關(guān)乎系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，按鍵電路得確認(rèn)檢測(cè)無(wú)誤，舵機(jī)與通信模塊間的連接務(wù)必重點(diǎn)核查，閾值檢測(cè)點(diǎn)需要作出調(diào)整，GPIO控制LED亮滅的功能驗(yàn)證特別重要，要保證ESP8266以及HLK-V20模塊可對(duì)AT指令作出響應(yīng)，逐步實(shí)施單元到整體的調(diào)試方案，短路或者虛焊這類問(wèn)題絕不能存在，必須確認(rèn)妥當(dāng)，USART通信暢通與否需要驗(yàn)證，萬(wàn)用表可用于檢測(cè)各供電點(diǎn)電壓，以防電氣干擾出現(xiàn)，硬件部分的連接也要列入檢查清單，電源系統(tǒng)作為起點(diǎn)拉開(kāi)硬件調(diào)試帷幕，在通信接口調(diào)試工作里構(gòu)建簡(jiǎn)化的收發(fā)測(cè)試程序，紅外傳感器的檢測(cè)距離達(dá)標(biāo)情況也需確認(rèn)，3.3V和5V電源軌維持穩(wěn)定極為必要，紋波測(cè)量結(jié)果應(yīng)顯示不超過(guò)50mV，外設(shè)逐個(gè)接受單獨(dú)測(cè)試。軟件調(diào)試從底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)始，各功能模塊單獨(dú)測(cè)試過(guò)后，邊界條件成為關(guān)注重點(diǎn)，整機(jī)測(cè)試覆蓋各類使用場(chǎng)景，占空比處于可控狀態(tài)，其中涵蓋正常垃圾投放、滿載報(bào)警以及遠(yuǎn)程控制等情況，定時(shí)器測(cè)試程序被編寫出來(lái)以確認(rèn)PWM輸出波形的正確性，在極低光照環(huán)境或者垃圾接近滿載臨界點(diǎn)這些情況下穩(wěn)定性檢測(cè)受到特別重視，GPIO測(cè)試程序得以編寫用以驗(yàn)證引腳控制功能，串口測(cè)試程序同樣被編寫來(lái)驗(yàn)證通信協(xié)議解析邏輯的正確性，示波器用來(lái)測(cè)量顯示PWM頻率為50Hz，模塊間的交互被逐步進(jìn)行整合且得到驗(yàn)證。5.2實(shí)物展示5.2.1溢滿檢測(cè)功能四個(gè)垃圾桶上分別裝有TCRT5000紅外傳感器，對(duì)其反應(yīng)進(jìn)行觀察，當(dāng)垃圾堆積高度超出設(shè)定值時(shí)便觸發(fā)了溢滿檢測(cè)機(jī)制，恢復(fù)正常工作模式是靠對(duì)溢滿狀況持續(xù)監(jiān)測(cè)才得以達(dá)成的，經(jīng)過(guò)調(diào)整后的傳感器對(duì)不同材質(zhì)物品均有不錯(cuò)的識(shí)別能力，WiFi模塊朝已連接手機(jī)發(fā)送提示消息的動(dòng)作會(huì)自行執(zhí)行起來(lái)，將垃圾靠近傳感器檢測(cè)區(qū)域的情形下實(shí)施用于驗(yàn)證不同類型材質(zhì)垃圾檢測(cè)效果的操作。圖5.1溢滿檢測(cè)5.2.2光線檢測(cè)功能測(cè)試時(shí)手動(dòng)把光敏傳感器遮住以此模擬光線變?nèi)醐h(huán)境確保及時(shí)得到照明，系統(tǒng)保持著照明LED的關(guān)閉狀態(tài)，用戶指令能夠正確被執(zhí)行而且設(shè)定的狀態(tài)也能被維持住，在室內(nèi)正常光照的情況下手動(dòng)控制擁有高于自動(dòng)控制的優(yōu)先級(jí)，周圍環(huán)境光強(qiáng)的變化是可以被感知到的，平滑過(guò)渡效果也得以達(dá)成，垃圾箱上面安裝的照明LED會(huì)在光強(qiáng)降低到預(yù)設(shè)閾值之下時(shí)自行點(diǎn)亮，語(yǔ)音命令或者通過(guò)WiFi進(jìn)行遠(yuǎn)程控制可以使用戶強(qiáng)制開(kāi)啟或者關(guān)閉照明功能，反應(yīng)時(shí)間方面的測(cè)試顯示出系統(tǒng)對(duì)光照變化可以作出精準(zhǔn)回應(yīng)。圖5.2光線檢測(cè)功能5.3測(cè)試結(jié)果分析通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各功能模塊的全面測(cè)試，現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行定量與定性分析，評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)際性能與設(shè)計(jì)目標(biāo)的符合程度。5.3.1語(yǔ)音識(shí)別功能測(cè)試分析語(yǔ)音識(shí)別模塊在不同環(huán)境噪聲條件下的測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在安靜環(huán)境（環(huán)境噪聲<50dB）下的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到95.3%，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)（≥95%）。當(dāng)環(huán)境噪聲增加至60-70dB（相當(dāng)于正常交談聲音級(jí)別）時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率略有下降，但仍維持在90%以上。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于"易拉罐"、"電池"等發(fā)音清晰的短詞，識(shí)別成功率更高；而對(duì)于"西瓜皮"等多音節(jié)詞語(yǔ)，在噪聲環(huán)境中識(shí)別率略有降低。這表明HLK-V20語(yǔ)音模塊的性能基本滿足實(shí)際應(yīng)用需求，但在嘈雜環(huán)境中仍有優(yōu)化空間。5.3.2溢滿檢測(cè)功能測(cè)試分析TCRT5000紅外傳感器的溢滿檢測(cè)功能經(jīng)過(guò)100次循環(huán)測(cè)試，整體檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到98.2%，超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)（≥98%）。傳感器對(duì)不同材質(zhì)垃圾的檢測(cè)能力測(cè)試顯示：對(duì)金屬和塑料等高反射材質(zhì)的檢測(cè)準(zhǔn)確率接近100%，對(duì)紙類垃圾的檢測(cè)準(zhǔn)確率為97.5%，對(duì)黑色或深色垃圾袋的檢測(cè)準(zhǔn)確率相對(duì)較低，約為94.8%。檢測(cè)距離穩(wěn)定在12±1cm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，傳感器的檢測(cè)閾值設(shè)置對(duì)準(zhǔn)確率影響顯著，適當(dāng)調(diào)整電位器可以在不同使用環(huán)境中獲得最佳檢測(cè)效果。5.3.3光線檢測(cè)與照明控制測(cè)試分析光控照明功能測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠在10-1000勒克斯的光照范圍內(nèi)準(zhǔn)確感知環(huán)境光線變化，并相應(yīng)調(diào)整LED照明狀態(tài)。光線強(qiáng)度從500勒克斯降至100勒克斯的過(guò)程中，系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間為1.8秒，略低于設(shè)計(jì)目標(biāo)的2秒。系統(tǒng)采用的2秒延時(shí)判斷機(jī)制有效防止了因光線短時(shí)波動(dòng)導(dǎo)致的照明頻繁切換問(wèn)題，提升了用戶體驗(yàn)。遠(yuǎn)程控制測(cè)試表明，手動(dòng)控制命令能夠成功覆蓋自動(dòng)光控邏輯，優(yōu)先級(jí)設(shè)置合理。5.3.4WiFi遠(yuǎn)程控制功能測(cè)試分析ESP8266WiFi模塊的遠(yuǎn)程控制功能測(cè)試顯示，在50米范圍內(nèi)（無(wú)障礙物條件下）通信成功率為100%，平均控制延遲為0.45秒。當(dāng)有墻體阻隔時(shí)，有效控制距離降至約25米，但仍能保持穩(wěn)定通信。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了垃圾桶開(kāi)關(guān)控制、狀態(tài)查詢和報(bào)警信息推送等功能。測(cè)試中使用的自定義通信協(xié)議運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)包平均解析時(shí)間為23ms，滿足實(shí)時(shí)控制需求。5.3.5舵機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試分析舵機(jī)控制測(cè)試結(jié)果表明，SG90舵機(jī)能夠平穩(wěn)控制垃圾桶蓋的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從關(guān)閉到完全打開(kāi)的平均響應(yīng)時(shí)間為1.3秒，優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)的1.5秒。在連續(xù)操作100次測(cè)試中，舵機(jī)定位精度保持在±2°范圍內(nèi)，未出現(xiàn)卡滯或失控現(xiàn)象。啟動(dòng)電流測(cè)試顯示，單個(gè)舵機(jī)啟動(dòng)瞬間電流峰值約為320mA，系統(tǒng)中添加的470μF電解電容有效抑制了電流沖擊對(duì)電源系統(tǒng)的影響，平均電壓降僅為0.2V，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。5.3.6太陽(yáng)能供電系統(tǒng)測(cè)試分析太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下（1000W/m2）充電效率測(cè)試達(dá)到15.8%，接近多晶硅太陽(yáng)能電池板的理論效率（15%-18%）。在環(huán)境溫度25°C條件下，5W太陽(yáng)能板的實(shí)際輸出功率平均為4.78W，滿足系統(tǒng)供電需求。電池充放電測(cè)試表明，滿電狀態(tài)下系統(tǒng)可持續(xù)工作76小時(shí)，超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)的72小時(shí)。弱光條件測(cè)試（200W/m2，相當(dāng)于陰天）下，系統(tǒng)仍能維持基本充電功能，日均充電量約為標(biāo)準(zhǔn)條件的18%。溫度對(duì)充電效率的影響測(cè)試顯示，當(dāng)環(huán)境溫度升高至40°C時(shí)，充電效率下降約8%，這一結(jié)果對(duì)系統(tǒng)在夏季高溫環(huán)境下的使用提供了參考依據(jù)。5.4本章小結(jié)本章詳述了系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程和結(jié)果驗(yàn)證。軟硬件調(diào)試部分采用由單元到整體的測(cè)試策略，首先驗(yàn)證電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，然后逐一測(cè)試各功能模塊，最后進(jìn)行整機(jī)綜合測(cè)試。實(shí)物展示部分重點(diǎn)驗(yàn)證了溢滿檢測(cè)功能和光線檢測(cè)功能的實(shí)際效果。溢滿檢測(cè)測(cè)試表明，TCRT5000紅外傳感器對(duì)不同材質(zhì)垃圾均有良好的識(shí)別能力，能準(zhǔn)確觸發(fā)報(bào)警機(jī)制并發(fā)送通知信息。光線檢測(cè)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)在不同光照條件下的自動(dòng)照明功能，以及手動(dòng)控制的優(yōu)先級(jí)設(shè)定。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，為最終的成果展示和結(jié)論總結(jié)提供了實(shí)證支持。結(jié)論結(jié)論結(jié)論本文完成了一套以STM32為核心的太陽(yáng)能智能分類垃圾箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試與驗(yàn)證，我們得到了以下結(jié)論：實(shí)物測(cè)試表明，本系統(tǒng)成功解決了傳統(tǒng)垃圾分類中的操作繁瑣和分類準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。在語(yǔ)音識(shí)別功能測(cè)試中，系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)垃圾類別的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了95.3%，即使在中等噪聲環(huán)境下（60-70dB）仍能維持90%以上的識(shí)別成功率。垃圾滿溢檢測(cè)功能經(jīng)過(guò)100次循環(huán)測(cè)試，準(zhǔn)確率達(dá)到98.2%，對(duì)不同材質(zhì)（塑料、紙類、金屬、有機(jī)物）的垃圾均有良好的檢測(cè)能力，檢測(cè)距離穩(wěn)定在12±1cm范圍內(nèi)。光控照明功能測(cè)試顯示