[8]。各硬件模塊的功能描述如下：STM32F103C8T6微控制器（核心控制器）：作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)處理所有的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。它執(zhí)行程序代碼，管理各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交流，以及控制智能垃圾桶的各項(xiàng)操作。電源管理：1）電池充電管理：確保鋰電池安全、有效地充電，同時(shí)保護(hù)電池避免過充或過放。2）USB充電：通過USB接口為智能垃圾桶充電，提供方便的電源接入方式。3）5V到3.3V電壓調(diào)節(jié)：將輸入電壓降低到微控制器和其他電路所需的3.3V，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通信接口：1）I2C：一種串行通信協(xié)議，用于連接低速外圍設(shè)備到微控制器和其他芯片上，如溫度傳感器或OLED顯示屏。2）USART：通用同步異步收發(fā)傳輸器，用于實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信，如與計(jì)算機(jī)或其他串行設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。擴(kuò)展模塊：1）語音廣播（WT2003S-16S）：用于播放預(yù)錄的聲音或指導(dǎo)信息，提升用戶交互體驗(yàn)，如通過語音提示用戶進(jìn)行垃圾分類。2）紅外溫度感測(cè)：監(jiān)測(cè)和記錄垃圾桶周圍的環(huán)境溫度，用于環(huán)境監(jiān)控或確保電子設(shè)備的工作溫度安全。3）OLED顯示屏：顯示智能垃圾桶的狀態(tài)信息，如填充量、分類指示或溫度等。4）舵機(jī)控制：控制垃圾桶蓋的開合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，如根據(jù)垃圾的類型自動(dòng)打開相應(yīng)的垃圾桶口。用戶交互：1）RGBLED：通過不同的顏色顯示垃圾桶狀態(tài)或提供視覺反饋，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。2）蜂鳴器：發(fā)出聲音信號(hào)以提示用戶操作結(jié)果，如垃圾投放成功或錯(cuò)誤分類。3）觸摸按鈕：提供一個(gè)直觀的交互方式，用于手動(dòng)控制垃圾桶的某些功能，如手動(dòng)開蓋或選擇垃圾類型。2.2核心控制器選型核心控制器在智能設(shè)備中扮演著大腦的角色，負(fù)責(zé)處理所有的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。它執(zhí)行程序代碼，管理各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交流，以及控制設(shè)備的各項(xiàng)操作。在智能垃圾桶項(xiàng)目中，核心控制器負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)（如距離傳感器、溫度傳感器等），處理用戶輸入（通過觸摸按鈕等），控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如舵機(jī)控制垃圾桶蓋的開合），以及與外部設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)通信（通過Wi-Fi、藍(lán)牙等模塊）。STM32F103C8T6是STMicroelectronics（意法半導(dǎo)體）生產(chǎn)的基于ARMCortex-M3核心的微控制器，屬于STM32系列中的中低端產(chǎn)品。它提供了豐富的接口和良好的性能，適用于多種嵌入式應(yīng)用。STM32F103C8T6因其高性價(jià)比、低功耗和強(qiáng)大的功能集（包括多種通信接口、模擬接口和豐富的外設(shè)支持）而受到廣泛的歡迎，成為了眾多DIY項(xiàng)目和商業(yè)產(chǎn)品的首選。Arduino系列（如ArduinoUno）：Arduino是非常適合初學(xué)者和快速原型制作的平臺(tái)，但其處理能力、內(nèi)存和外設(shè)支持通常不如STM32系列，特別是在需要處理復(fù)雜任務(wù)或需要更多I/O端口時(shí)。ESP8266/ESP32：這些芯片以其內(nèi)置的Wi-Fi功能而聞名，非常適合需要網(wǎng)絡(luò)連接的項(xiàng)目。盡管ESP32提供了更高的處理能力和更多的功能，但在某些非網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景中，其功耗和成本可能比STM32系列高。PIC微控制器：PIC是微芯科技（Microchip）的產(chǎn)品，它們?cè)诠I(yè)和商業(yè)應(yīng)用中非常受歡迎。PIC微控制器提供了廣泛的產(chǎn)品線，但其開發(fā)環(huán)境和工具鏈通常不如STM32系列用戶友好。本文選擇STM32F103C8T6作為智能垃圾桶項(xiàng)目的核心控制器，主要基于以下幾點(diǎn)考慮：1）性價(jià)比：STM32F103C8T6提供了良好的處理能力和豐富的功能，同時(shí)保持了較低的成本，適合預(yù)算有限的項(xiàng)目。2）功能豐富：該微控制器支持廣泛的通信協(xié)議和豐富的外設(shè)接口，使得連接各種傳感器和執(zhí)行器變得容易。3）低功耗：STM32系列設(shè)計(jì)了多種低功耗模式，有助于延長(zhǎng)基于電池供電的智能垃圾桶的使用時(shí)間。4）強(qiáng)大的社區(qū)和資源：STM32擁有活躍的開發(fā)者社區(qū)，網(wǎng)絡(luò)上有大量的教程、工具和庫(kù)，這些都大大降低了開發(fā)難度和時(shí)間。2.3電源管理模塊選型在智能垃圾桶項(xiàng)目中，電源管理模塊是至關(guān)重要的組成部分，它確保設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行并延長(zhǎng)電池壽命。合理的電源管理方案可以有效提升設(shè)備的能效和便利性。以下是電源管理模塊的選型考慮及推薦方案1）電池充電管理：為鋰電池提供穩(wěn)定安全的充電方案，包括過充保護(hù)、過放保護(hù)、溫度監(jiān)控等。2）電壓調(diào)節(jié)：將不同的輸入電壓轉(zhuǎn)換為微控制器和其他電路所需的穩(wěn)定電壓（通常為3.3V或5V）。3）功耗管理：在設(shè)備的不同工作狀態(tài)下調(diào)整能耗，如睡眠模式下降低功耗。在選型方面我們要考慮以下幾個(gè)方面1）電池類型與容量：選擇電源管理模塊前，需要確定電池類型（如鋰離子、鋰聚合物等）和容量，這將影響到充電管理方案的選擇。2）輸入/輸出電壓范圍：確保電源管理模塊支持所需的輸入輸出電壓范圍，以兼容各種電源和負(fù)載需求。3）充電電流和放電電流：根據(jù)電池的規(guī)格和設(shè)備的功耗，選擇合適的充電和放電電流，以優(yōu)化充電時(shí)間和延長(zhǎng)電池壽命。4）功耗與效率：低功耗和高效率的電源管理模塊有助于減少能源浪費(fèi)，延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。針對(duì)本文智能垃圾桶的研究，推薦的方案為電池充電管理IC：TP4056是一款常用的鋰電池充電管理芯片，具有內(nèi)置的過充電保護(hù)、過放電保護(hù)和溫度監(jiān)控功能，非常適合小型便攜設(shè)備。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，可以考慮使用BQ系列芯片，如BQ24193，它支持更廣泛的輸入電壓范圍和更高的充電電流，且集成了USB兼容的充電器功能。而電壓調(diào)節(jié)器選擇AMS1117，它是一款提供3.3V或5V輸出的低壓降線性穩(wěn)壓器，適用于功耗相對(duì)較低的應(yīng)用。對(duì)于需要更高效率的場(chǎng)合，可以選擇MP1584等開關(guān)穩(wěn)壓器，它們?cè)谵D(zhuǎn)換較高輸入電壓到低輸出電壓時(shí)具有更高的效率。功耗管理策略的話則可以在軟件層面實(shí)現(xiàn)功耗管理，例如使用STM32的低功耗模式，如睡眠模式（SleepMode）和待機(jī)模式（StandbyMode）。此外，通過智能地控制外設(shè)的電源，只在需要時(shí)供電，也是一種有效的節(jié)能手段。因此選擇適合的電源管理模塊對(duì)于保證智能垃圾桶項(xiàng)目的穩(wěn)定運(yùn)行和延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。通過綜合考慮電池類型、電源需求、以及功耗管理策略，可以設(shè)計(jì)出既高效又經(jīng)濟(jì)的電源管理方案。在本項(xiàng)目中，結(jié)合使用了TP4056和AMS1117作為充電管理和電壓調(diào)節(jié)的核心方案，不僅確保了電源的穩(wěn)定和安全，也優(yōu)化了整體的功耗。此外，通過軟件對(duì)STM32微控制器進(jìn)行低功耗編程，進(jìn)一步降低了設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下的能耗，使得智能垃圾桶能在無外接電源的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，滿足了環(huán)保和用戶體驗(yàn)的雙重需求。在電源管理方案的選型過程中，重視每個(gè)模塊的能效和整體系統(tǒng)的能源利用效率是關(guān)鍵。通過精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)既環(huán)保又高效的智能垃圾桶，為用戶提供便利的同時(shí)，也為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。2.4通信接口模塊選型在設(shè)計(jì)智能垃圾桶時(shí)，考慮到內(nèi)部和外部通信需求的多樣性，我們?cè)u(píng)估了幾種通信接口方案，包括Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、I2C和USART。每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。Wi-Fi和藍(lán)牙主要適用于遠(yuǎn)程通信和短距離通信，而Zigbee適合于創(chuàng)建低功耗的局域網(wǎng)。對(duì)于垃圾桶內(nèi)部的組件通信，如傳感器數(shù)據(jù)的收集和處理，我們最終選擇了I2C和USART這兩種接口。我們選擇I2C的原因主要是其簡(jiǎn)單性和高效性。I2C接口僅需要兩條線（數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線），就可以連接多個(gè)從設(shè)備，如溫度傳感器和濕度傳感器，這大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和降低了成本。此外，I2C支持多個(gè)速率等級(jí)，為我們提供了靈活的數(shù)據(jù)傳輸選項(xiàng)。同時(shí)，我們也選擇了USART作為另一個(gè)通信接口，因?yàn)樗峁┝送胶彤惒酵ㄐ拍Ｊ降撵`活性。在需要與外部設(shè)備（如PC或更大的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換時(shí)，USART的高數(shù)據(jù)傳輸率成為了關(guān)鍵考慮因素。此外，其廣泛的設(shè)備兼容性意味著我們可以輕松地將智能垃圾桶集成到現(xiàn)有的管理系統(tǒng)中，無需擔(dān)心兼容性問題。綜合考慮，I2C和USART的結(jié)合不僅滿足了我們對(duì)內(nèi)部組件低速通信的需求，也保證了與外部設(shè)備高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。這樣的選擇使智能垃圾桶設(shè)計(jì)既高效又經(jīng)濟(jì)，確保了設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和易用性。2.5拓展模塊選型為了豐富智能垃圾桶的功能性和提升用戶體驗(yàn)，我們精心選擇了幾種擴(kuò)展模塊，包括語音廣播模塊（WT2003S-16S）、紅外溫度感測(cè)器、OLED顯示屏和舵機(jī)控制。這些模塊的集成不僅使得垃圾桶更加智能化，而且增加了與用戶互動(dòng)的多樣性。語音廣播模塊（WT2003S-16S）：該模塊的選用是基于提升用戶交互體驗(yàn)的考慮。通過預(yù)錄制的語音提示，如“請(qǐng)投放可回收物品”或“感謝您的合作”，智能垃圾桶能夠引導(dǎo)用戶進(jìn)行正確的垃圾分類。此外，語音反饋也可以在用戶操作正確或錯(cuò)誤時(shí)給予即時(shí)反饋，從而提升用戶滿意度和參與感。這種人性化的交互方式不僅使得垃圾分類變得更加簡(jiǎn)單直觀，而且通過減少閱讀需求，對(duì)于老年人和小孩等用戶群體尤其友好。紅外溫度感測(cè)器：紅外溫度感測(cè)器的引入旨在增強(qiáng)智能垃圾桶的安全監(jiān)控能力。通過不斷監(jiān)測(cè)垃圾桶內(nèi)部的溫度，這個(gè)模塊能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常升溫情況，預(yù)防火災(zāi)等安全事故的發(fā)生。一旦檢測(cè)到溫度異常，系統(tǒng)可以自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警程序，并通過無線網(wǎng)絡(luò)通知管理人員進(jìn)行處理。這項(xiàng)功能對(duì)于處置易燃垃圾、確保公共安全具有重要意義。OLED顯示屏：OLED顯示屏的選用是為了提高用戶界面的互動(dòng)性和信息透明度。通過顯示屏，用戶可以輕松獲取垃圾桶的狀態(tài)信息，如當(dāng)前垃圾分類指示、滿載警告以及環(huán)保小貼士等。高對(duì)比度和低功耗的特性使OLED顯示屏在戶外環(huán)境下也能提供清晰可見的信息顯示。這不僅提高了用戶操作的便捷性，也有助于提升整個(gè)社區(qū)的垃圾分類意識(shí)和效率。舵機(jī)控制：舵機(jī)控制模塊用于實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)開合蓋功能，極大地提升了使用便捷性和衛(wèi)生條件。用戶無需直接觸摸垃圾桶，即可通過近距離動(dòng)作觸發(fā)蓋子的自動(dòng)開合，這在防止交叉污染和保持手部衛(wèi)生方面尤其重要。此外，自動(dòng)開合功能還能有效防止垃圾散落和異味擴(kuò)散，為公共環(huán)境的清潔和整潔做出貢獻(xiàn)。綜上所述，這些擴(kuò)展模塊的集成不僅提升了智能垃圾桶的實(shí)用功能，而且優(yōu)化了用戶體驗(yàn)，使垃圾分類和處理過程更加高效、安全和友好。通過這種設(shè)計(jì)思路，我們致力于推動(dòng)智能垃圾桶成為城市智能環(huán)保設(shè)施的一個(gè)重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。2.6用戶交互模塊選型在設(shè)計(jì)智能垃圾桶的用戶交互模塊時(shí)，我們精心選定了RGBLED、蜂鳴器和觸摸按鈕這三種組件，旨在通過直觀和多感官的方式增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。這些交互模塊的集成既考慮了操作的便利性，也注重了用戶交互的趣味性和信息傳遞的有效性。RGBLED：RGBLED的選擇基于其能夠提供豐富的顏色表達(dá)和強(qiáng)烈的視覺反饋。通過不同顏色的閃爍或變化，智能垃圾桶可以向用戶傳達(dá)不同的信息，例如不同顏色代表不同的垃圾分類指引，或者通過顏色變化來表示垃圾桶的滿載狀態(tài)。這種直觀的顏色反饋不僅使得用戶能夠迅速識(shí)別所需的操作，而且增加了交互過程的趣味性，從而提升用戶的參與度和滿意度。蜂鳴器：蜂鳴器的應(yīng)用主要是為了提供聽覺反饋，以增強(qiáng)用戶的操作確認(rèn)感。當(dāng)用戶完成特定的動(dòng)作，如投放垃圾或按下觸摸按鈕時(shí)，蜂鳴器發(fā)出的聲音可以立即告知用戶操作已被成功識(shí)別。此外，通過調(diào)整蜂鳴器的音調(diào)和節(jié)奏，可以傳遞更多種類的信息，如不同的警告音表示垃圾桶即將滿載或者垃圾分類錯(cuò)誤。這種聽覺反饋是與視覺反饋（如RGBLED顯示）相輔相成的，共同提升了用戶體驗(yàn)。觸摸按鈕：觸摸按鈕作為用戶輸入的主要方式，它的選擇考慮到了現(xiàn)代交互設(shè)計(jì)的趨勢(shì)和用戶的操作便捷性。與傳統(tǒng)的物理按鈕相比，觸摸按鈕提供了更為平滑和現(xiàn)代化的交互體驗(yàn)。它不僅能減少物理磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，而且能夠通過觸控感應(yīng)提供更精準(zhǔn)的用戶操作反饋。觸摸按鈕可以被配置為完成多種任務(wù)，如開啟語音指導(dǎo)、切換垃圾分類指示，或激活自動(dòng)蓋開功能，從而使用戶交互更為簡(jiǎn)潔和直觀。通過這三種用戶交互模塊的綜合應(yīng)用，智能垃圾桶不僅能提供豐富的操作反饋和指導(dǎo)，還能以更加人性化和互動(dòng)的方式吸引用戶參與垃圾分類。這種多感官的交互設(shè)計(jì)不僅提高了用戶的使用滿意度，而且通過提升垃圾分類的正確率，進(jìn)一步促進(jìn)了環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。3硬件設(shè)計(jì)3.1STM32硬件電路設(shè)計(jì)在如圖3-1電路圖中，STM32F103C8T6微控制器的最小系統(tǒng)部分包括了為微控制器提供基本功能所需的核心電路元件。這通常包括電源連接、時(shí)鐘源、復(fù)位電路、調(diào)試接口以及基本的輸入輸出配置。圖3-1系統(tǒng)電路電源部分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，由一個(gè)簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓二極管和濾波電容組成，確保微控制器獲得穩(wěn)定的3.3V電源。穩(wěn)壓二極管用于防止反向供電，而電阻和濾波電容則用于平滑電源輸入，防止電壓波動(dòng)影響微控制器的性能。VBAT引腳的連接表明設(shè)計(jì)中考慮了實(shí)時(shí)時(shí)鐘或備份寄存器的持續(xù)供電。時(shí)鐘源是由一個(gè)32.768kHz的低頻晶振提供的，這種晶振通常用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）應(yīng)用，因?yàn)樗峁┝俗銐虻木炔⑶夜姆浅５?，適合于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的嵌入式應(yīng)用。復(fù)位電路包括一個(gè)拉高電阻和一個(gè)復(fù)位按鈕，這確保了在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)能夠手動(dòng)重啟微控制器。同時(shí)，NRST引腳的外部接口允許通過編程器或其他外部源來控制復(fù)位操作，這在開發(fā)和調(diào)試期間是非常有用的。調(diào)試接口是通過SWD（SerialWireDebug）實(shí)現(xiàn)的，這是STM32微控制器常用的一種調(diào)試方式，它只需要兩根線（SWDIO和SWCLK），即可實(shí)現(xiàn)代碼下載和調(diào)試功能。這種接口使得硬件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。在這個(gè)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所有必要的元件都被緊湊地布局，旨在確保微控制器能夠穩(wěn)定運(yùn)行其基本功能，同時(shí)為未來可能的擴(kuò)展留出了接口和空間。這樣的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶控制邏輯的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，確保了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。3.2電源管理電路設(shè)計(jì)圖3-2中所示為智能垃圾桶系統(tǒng)的電源管理部分的設(shè)計(jì)。它主要包括充電電路、電池保護(hù)電路、升壓轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器模塊。圖3-2電源管理電路電路的左側(cè)部分是USB接口和充電管理電路，包括微型USB接口和TC4056A充電管理芯片。TC4056A負(fù)責(zé)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，并通過相關(guān)的指示燈接口提供充電狀態(tài)反饋。其中R2、R4、C1以及R5構(gòu)成了充電電路的輔助組件，它們確保了電池在安全的環(huán)境下充電，同時(shí)TEMP引腳通過R5連接至地，意味著未使用溫度監(jiān)控功能。電路中間部分為電池保護(hù)和輸出，使用了SI2301P型號(hào)的MOSFET來防止電池過放電。D6和R33組合起來提供了過壓保護(hù)。J6為電源輸出接口，電流通過電感L1進(jìn)入升壓轉(zhuǎn)換器SWPA4020S4R7MT。右側(cè)部分顯示了一個(gè)穩(wěn)壓模塊，由ME6211C33M5GLDO穩(wěn)壓器構(gòu)成，該穩(wěn)壓器將升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓穩(wěn)定在+3.3V，供微控制器和其他低壓電子組件使用。此外，通過一系列電阻和電容實(shí)現(xiàn)了電路的去耦和濾波。整個(gè)設(shè)計(jì)是一套完整的電源解決方案，從USB接口輸入到電池充電、電池保護(hù)、電壓升壓，最后通過穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的電壓供整個(gè)系統(tǒng)使用。這個(gè)設(shè)計(jì)非常適合便攜式設(shè)備，其中考慮了充電安全、電池壽命以及電源穩(wěn)定性等多個(gè)方面。此外，本文為OLED顯示屏模塊包含了一個(gè)P-ChannelMOSFET（Q3SI2301）作為開關(guān)，控制顯示屏的電源。如果所示：圖3-3電源管理電路通過這種方式，微控制器可以在需要時(shí)為OLED屏幕供電，從而節(jié)省能量，尤其是在屏幕不需要持續(xù)顯示時(shí)。MOSFET的源極（S）接+3.3V電源，漏極（D）連接至OLED屏幕的電源輸入，柵極（G）通過一個(gè)10kΩ的下拉電阻（R34）接地。這樣，當(dāng)沒有控制信號(hào)時(shí)，MOSFET保持關(guān)閉狀態(tài)，防止OLED屏幕無意中被供電。當(dāng)微控制器的GPIO輸出高電平至柵極，MOSFET導(dǎo)通，屏幕得電。C21是一個(gè)0.1μF的去耦電容，用于平滑電源，以減少由于OLED屏幕電源開關(guān)導(dǎo)致的電源線上的瞬變和噪聲。整體而言，這個(gè)電路設(shè)計(jì)不僅為OLED屏幕提供了穩(wěn)定的電源，還使得電源消耗可以根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。這對(duì)于便攜式和電池供電的設(shè)備來說非常重要，因?yàn)樗梢匝娱L(zhǎng)電池的使用壽命。此外，通過接口J4，可以輕松地連接I2C總線的SCL和SDA線，實(shí)現(xiàn)微控制器與OLED顯示屏的通信。3.3無源蜂鳴器電路設(shè)計(jì)如圖3-4，無源蜂鳴器的電路設(shè)計(jì)包括幾個(gè)關(guān)鍵組件，使其能夠有效地產(chǎn)生聲音提示。圖3-4蜂鳴器模塊電路接收+3.3V電源供電，這是微控制器常用的邏輯電平，便于與微控制器的GPIO口直接接駁。一個(gè)二極管（1N4148）被用作保護(hù)元件，以防止電壓逆轉(zhuǎn)可能對(duì)微控制器造成損害。蜂鳴器通過一個(gè)NPN型晶體管（S8050）控制，晶體管基極通過一個(gè)1.2kΩ的電阻接到微控制器的控制引腳。當(dāng)微控制器輸出高電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通，蜂鳴器得到電流驅(qū)動(dòng)而發(fā)聲。為了確保晶體管在無控制信號(hào)時(shí)關(guān)閉，基極還通過一個(gè)10kΩ的電阻接地。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效，能夠確保微控制器通過GPIO口以最小的功耗控制蜂鳴器發(fā)聲，為用戶提供操作反饋或警報(bào)。3.4紅外測(cè)溫電路設(shè)計(jì)圖3-5紅外測(cè)溫模塊根據(jù)圖3-5，紅外測(cè)溫傳感器的電路設(shè)計(jì)主要通過一個(gè)P-ChannelMOSFET（型號(hào)SI2301）來控制傳感器的電源。這個(gè)設(shè)計(jì)使得微控制器能夠通過GPIO口來控制傳感器的上電和斷電，從而節(jié)省能源并延長(zhǎng)傳感器的使用壽命，尤其是在傳感器不需要持續(xù)工作的場(chǎng)景中。+3.3V的電源連接到MOSFET的源極（S），傳感器的電源輸入連接到漏極（D）。MOSFET的柵極（G）通過一個(gè)10KΩ的電阻接地，確保在沒有控制信號(hào)的情況下傳感器處于斷電狀態(tài)。當(dāng)微控制器輸出低電平到柵極時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，傳感器得到電源供應(yīng)。此外，為了抑制由于電源開關(guān)導(dǎo)致的噪聲和干擾，電路中還包括了一個(gè)0.1uF的去耦電容器（C22）。接口J5預(yù)留了傳感器所需的數(shù)據(jù)線——I2C的SCL和SDA，以及傳感器的電源和地線，這提供了傳感器與微控制器之間通信所需的所有連接。整個(gè)電路設(shè)計(jì)考慮了操作的便捷性、能效和抗干擾能力，以確保傳感器能夠可靠地收集溫度數(shù)據(jù)。3.5三色燈電路設(shè)計(jì)RGBLED電路是用于提供視覺反饋的用戶交互組件。這個(gè)簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)使您能夠控制一個(gè)三色LED的紅、綠、藍(lán)三個(gè)發(fā)光二極管，以生成不同的顏色。該電路的結(jié)構(gòu)如下：圖3-6三色燈電路電路中每個(gè)LED都通過一個(gè)限流電阻連接到+3.3V電源。紅色LED通過1.2kΩ電阻（R15）、綠色LED通過2.2kΩ電阻（R18）連接，藍(lán)色LED也通過一個(gè)1.2kΩ電阻（R19）。這些電阻的值根據(jù)各自LED的正向電壓和預(yù)期的電流來選擇，以確保LED不會(huì)過驅(qū)動(dòng)同時(shí)提供足夠的亮度。微控制器的GPIO引腳可以連接到RGBLED的每個(gè)陰極。通過編程控制各個(gè)GPIO引腳的輸出，其可以獨(dú)立地開啟或關(guān)閉每個(gè)顏色，或者組合它們來創(chuàng)造不同的顏色。例如，同時(shí)開啟紅色和綠色LED可能會(huì)產(chǎn)生黃色，而開啟所有三種顏色的LED則可以產(chǎn)生白色光。此電路的設(shè)計(jì)允許智能垃圾桶以色彩的方式傳達(dá)狀態(tài)信息，如告知用戶垃圾分類的類型，或者表示桶已滿或空。通過簡(jiǎn)單地改變輸出到各個(gè)LED的PWM信號(hào)，還可以調(diào)整每種顏色的亮度，以此來產(chǎn)生更多顏色的變化和混合。這樣的視覺反饋不僅增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，也使得垃圾桶的狀態(tài)顯示直觀且易于理解。3.6功能按鍵電路設(shè)計(jì)采用的功能按鍵電路結(jié)構(gòu)如圖所示：圖3-7功能按鍵模塊它包含了四個(gè)獨(dú)立的按鍵（K1,K2,K3,K4），每個(gè)按鍵都使用了一個(gè)10kΩ的上拉電阻（R8,R9,R12,R17）和一個(gè)0.1uF的去耦電容（C5,C6,C8,C10）。當(dāng)按鍵未被按下時(shí)，由于上拉電阻的作用，相應(yīng)的輸入引腳會(huì)被拉高至+3.3V。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，輸入引腳會(huì)被接地，產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)。這種設(shè)計(jì)模式是數(shù)字電路中的常見做法，旨在穩(wěn)定信號(hào)并防止由于電路噪聲導(dǎo)致的誤操作。去耦電容用于穩(wěn)定輸入信號(hào)并過濾掉可能在按鈕被按下時(shí)產(chǎn)生的任何電壓尖峰，這是由機(jī)械開關(guān)的接觸跳動(dòng)（抖動(dòng)）造成的。這個(gè)功能按鍵模塊的設(shè)計(jì)允許用戶與智能垃圾桶交互，如選擇垃圾類型或激活某些功能。上拉電阻和去耦電容的集成確保了按鈕按下時(shí)信號(hào)的準(zhǔn)確和可靠讀取。此外，這個(gè)模塊也方便了后續(xù)的硬件抗干擾能力增強(qiáng)和軟件去抖動(dòng)處理。3.7電源濾波電路設(shè)計(jì)采用的電源濾波電路結(jié)構(gòu)如圖所示：在智能垃圾桶設(shè)計(jì)的電源濾波部分，STM32F103C8T6微控制器的電源引腳（VDD和VSS）周圍部署了多個(gè)去耦電容（C11,C12,C13,C14,C15），每個(gè)電容值為0.1uF。這些電容的主要作用是濾除電源線上的高頻噪聲，確保微控制器的穩(wěn)定運(yùn)行。微控制器的VBAT引腳也通過一個(gè)0.1uF電容（C11）進(jìn)行去耦。VBAT是微控制器的電池輸入引腳，用于保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘和后備寄存器的運(yùn)行。去耦電容在此處也有助于防止電源噪聲干擾這些敏感的功能。在實(shí)踐中，這種去耦電容的布局有助于降低由于供電系統(tǒng)的瞬態(tài)變化或鄰近電路的電磁干擾造成的電壓波動(dòng)。每個(gè)電源引腳旁邊放置去耦電容是良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，特別是對(duì)于微處理器和其他高速數(shù)字電路，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)植侩娫葱枨笞鞒隹焖夙憫?yīng)，減少可能導(dǎo)致性能下降或意外重置的干擾。圖3-8電源濾波模塊4軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要圍繞一款智能垃圾桶控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主程序流程如下所示：圖4-1主程序流程代碼4-1IntMain代碼intmain(void){HAL_Init();//復(fù)位所有外設(shè)，初始化Flash接口和系統(tǒng)滴答定時(shí)器SystemClock_Config();//配置系統(tǒng)時(shí)鐘GENERAL_TIMx_Init();//通用定時(shí)器初始化并配置PWM輸出功能MX_USARTx_Init();//初始化串口并配置串口中斷優(yōu)先級(jí)GPIO_AUDIO_Init();//初始化語音模塊引腳LED_GPIO_Init();//初始化板載LED引腳HAL_TIM_Base_Start_IT(&htimx2);//在中斷模式下啟動(dòng)定時(shí)器2//啟動(dòng)通道PWM輸出HAL_TIM_PWM_Start(&htimx3,TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_PWM_Start(&htimx3,TIM_CHANNEL_2);HAL_TIM_PWM_Start(&htimx3,TIM_CHANNEL_3);HAL_TIM_PWM_Start(&htimx3,TIM_CHANNEL_4);//設(shè)置舵機(jī)1-4初始角度為0°__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx3,TIM_CHANNEL_1,50);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx3,TIM_CHANNEL_2,50);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx3,TIM_CHANNEL_3,50);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx3,TIM_CHANNEL_4,50);//初始化舵機(jī)1-4的狀態(tài)標(biāo)志Rubbish_01_ActCode=RUBBISH_IDLE;Rubbish_02_ActCode=RUBBISH_IDLE;Rubbish_03_ActCode=RUBBISH_IDLE;Rubbish_04_ActCode=RUBBISH_IDLE;//使能接收，進(jìn)入中斷回調(diào)函數(shù)HAL_UART_Receive_IT(&husart1,&aRxBuffer[0],1);HAL_UART_Receive_IT(&husart2,&aRxBuffer[1],1);HAL_UART_Receive_IT(&husart3,&aRxBuffer[2],1);//設(shè)定語音模塊播放音量等級(jí)為20VolumeSetting(20);//無限循環(huán)while(1){Speech_Recognition();//語音識(shí)別Servo_OpenAndClose();//伺服（舵機(jī)）01-04開蓋&合蓋動(dòng)作}}在主函數(shù)中，以下步驟被執(zhí)行：系統(tǒng)初始化(HAL_Init)：這個(gè)調(diào)用初始化了HAL庫(kù)，設(shè)置了系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)組，使能了系統(tǒng)和外設(shè)的時(shí)鐘，并初始化了內(nèi)部Flash。系統(tǒng)時(shí)鐘配置(SystemClock_Config)：這個(gè)函數(shù)配置了系統(tǒng)時(shí)鐘源，包括外部振蕩器和PLL（相位鎖定環(huán)），設(shè)置了CPU（系統(tǒng)時(shí)鐘）、AHB、APB1和APB2的時(shí)鐘頻率。定時(shí)器初始化(GENERAL_TIMx_Init)：初始化通用定時(shí)器，并設(shè)置為PWM輸出，通常用于控制舵機(jī)。串口初始化(MX_USARTx_Init)：初始化串口，用于與外部設(shè)備（可能是電腦或其他模塊）的通信。GPIO初始化：包括語音模塊引腳的初始化（GPIO_AUDIO_Init）和板載LED引腳的初始化（LED_GPIO_Init）。定時(shí)器啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)定時(shí)器，并配置為中斷模式，這允許程序以一定周期運(yùn)行中斷服務(wù)例程。PWM輸出啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)四個(gè)通道的PWM輸出，通常用于控制舵機(jī)。舵機(jī)初始位置設(shè)置：將所有舵機(jī)設(shè)置到初始位置（角度為0°）。舵機(jī)狀態(tài)初始化：設(shè)置所有舵機(jī)的狀態(tài)標(biāo)志為`RUBBISH4.2語音指令和控制伺服機(jī)構(gòu)（舵機(jī)）程序設(shè)計(jì)代碼4-2Speech_Recognition代碼voidSpeech_Recognition(void){if(F_Voice_WakeUp)//語音識(shí)別模塊"貓頭鷹"喚醒成功{//超時(shí)處理：語音模塊喚醒后，10秒內(nèi)沒有收到其他指令if(timer_count>=10000UL)//10秒超時(shí){timer_count=0;F_Voice_WakeUp=0;aRxBuffer[0]=0;//清零接收緩存LED_ALL_OFF();//關(guān)閉所有指示燈}//垃圾分類處理switch(aRxBuffer[0]){case1://垃圾類別01-可回收垃圾{Rubbish_01_ActCode=RUBBISH_OPEN_START;//可回收垃圾開蓋F_Voice_WakeUp=0;servo_01_count=0;LED_ONLY_G_ON();//RGB綠燈亮PlayByFileIndex(1);//語音播報(bào)1：可回收垃圾break;}case2://垃圾類別02-廚余垃圾{Rubbish_02_ActCode=RUBBISH_OPEN_START;//廚余垃圾開蓋F_Voice_WakeUp=0;servo_02_count=0;LED_ONLY_G_ON();//RGB綠燈亮PlayByFileIndex(2);//語音播報(bào)2：廚余垃圾break;}case3://垃圾類別03-有害垃圾{Rubbish_03_ActCode=RUBBISH_OPEN_START;//有害垃圾開蓋F_Voice_WakeUp=0;servo_03_count=0;LED_ONLY_G_ON();//RGB綠燈亮PlayByFileIndex(3);//語音播報(bào)3：有害垃圾break;}case4://垃圾類別04-其他垃圾{Rubbish_04_ActCode=RUBBISH_OPEN_START;//其他垃圾開蓋F_Voice_WakeUp=0;servo_04_count=0;LED_ONLY_G_ON();//RGB綠燈亮PlayByFileIndex(4);//語音播報(bào)4：其他垃圾break;}default:break;}}else//語音識(shí)別模塊"貓頭鷹"未喚醒{if(aRxBuffer[0]==0xFE)//語音模塊喚醒關(guān)鍵詞-貓頭鷹{F_Voice_WakeUp=1;timer_count=0;LED_ONLY_R_ON();//RGB紅燈亮PlayByFileIndex(5);//語音播報(bào)5：主人請(qǐng)吩咐}}}這段代碼是智能垃圾桶語音識(shí)別功能的核心。整個(gè)函數(shù)的邏輯可以概括如下：檢查是否接收到了語音模塊的喚醒信號(hào)（"貓頭鷹"關(guān)鍵詞）。如果已經(jīng)喚醒，程序?qū)z查是否在10秒內(nèi)接收到垃圾分類的指令（可回收、廚余、有害或其他）。如果10秒內(nèi)沒有指令，它會(huì)重置計(jì)時(shí)器和喚醒標(biāo)志，并關(guān)閉所有指示燈。如果接收到分類指令，它會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的開蓋過程，并通過語音播報(bào)確認(rèn)垃圾類型。如果沒有喚醒，程序?qū)⒌却龁拘研盘?hào)。接收到喚醒信號(hào)時(shí)，將設(shè)置喚醒標(biāo)志，重置計(jì)時(shí)器，并通過紅色LED和語音播報(bào)來提示用戶已準(zhǔn)備接收指令。為了將這個(gè)流程反映到您的流程圖上，可以設(shè)計(jì)一個(gè)流程圖，其中包含：初始狀態(tài)檢查（檢查是否喚醒）。如果已喚醒，檢查10秒超時(shí)，并根據(jù)接收的指令執(zhí)行開蓋動(dòng)作。如果未喚醒，等待接收喚醒信號(hào)。4.3控制舵機(jī)進(jìn)行動(dòng)作程序設(shè)計(jì)代碼4-2Servo_OpenAndClose代碼voidServo_OpenAndClose(void){//這里定義了一些靜態(tài)變量，用來控制舵機(jī)的逐步運(yùn)動(dòng)staticuint8_tservo_01_add=0;//...省略其他舵機(jī)變量定義...//以下是對(duì)第一個(gè)舵機(jī)（servo_01）的控制邏輯if(Rubbish_01_ActCode==RUBBISH_OPEN_START)//開始開蓋{//省略中間邏輯...}elseif(Rubbish_01_ActCode==RUBBISH_OPEN_FINISH)//開蓋完成，準(zhǔn)備合蓋{//省略中間邏輯...}elseif(Rubbish_01_ActCode==RUBBISH_CLOSE_START)//開始合蓋{//省略中間邏輯...}//...省略其他舵機(jī)控制邏輯...}這個(gè)函數(shù)包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：靜態(tài)變量初始化：函數(shù)使用靜態(tài)變量來記錄舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，以保持其狀態(tài)直到下一次函數(shù)調(diào)用。開蓋控制邏輯：通過判斷舵機(jī)的狀態(tài)代碼，如果是RUBBISH_OPEN_START，則開始執(zhí)行開蓋動(dòng)作。通過逐漸增加servo_01_add的值，調(diào)整舵機(jī)的角度，實(shí)現(xiàn)平緩的開蓋效果。開蓋完成和合蓋準(zhǔn)備：一旦舵機(jī)打開到指定角度，狀態(tài)代碼變?yōu)镽UBBISH_OPEN_FINISH。此時(shí)，程序可能會(huì)執(zhí)行一段延時(shí)（如5秒），等待用戶丟棄垃圾。合蓋控制邏輯：合蓋動(dòng)作的啟動(dòng)由狀態(tài)代碼RUBBISH_CLOSE_START觸發(fā)。與開蓋相反，合蓋時(shí)會(huì)逐漸減小servo_01_add的值，直到舵機(jī)蓋子關(guān)閉。LED控制：在舵機(jī)開蓋或合蓋動(dòng)作期間，會(huì)有LED燈的相關(guān)控制，例如開蓋時(shí)點(diǎn)亮，合蓋時(shí)熄滅。每個(gè)舵機(jī)都有類似的控制邏輯，通過維護(hù)不同的狀態(tài)代碼和計(jì)時(shí)變量，以確保它們可以獨(dú)立操作，同時(shí)還能提供同步控制的可能性。這個(gè)函數(shù)的設(shè)計(jì)使得垃圾桶的蓋子可以根據(jù)語音指令獨(dú)立地進(jìn)行開合操作，并且動(dòng)作平緩，用戶體驗(yàn)良好。由于代碼省略了具體的參數(shù)和細(xì)節(jié)，實(shí)際情況下，需要根據(jù)舵機(jī)的特性和垃圾桶的具體設(shè)計(jì)來調(diào)整延時(shí)和角度設(shè)置，以達(dá)到最佳效果。5總結(jié)在本文中，我們探討了智能垃圾桶設(shè)計(jì)的重要性與其在當(dāng)代社會(huì)中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。通過深入分析了智能垃圾桶的設(shè)計(jì)過程，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、用戶交互設(shè)計(jì)等方面，我們不僅體現(xiàn)了智能技術(shù)如何促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和提高生活質(zhì)量，還展示了智能垃圾桶如何成為智慧城市不可或缺的一部分。此外，智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也反映了科技創(chuàng)新對(duì)解決實(shí)際問題、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。智能垃圾桶項(xiàng)目的核心在于利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、微控制器編程及人機(jī)交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)垃圾的自動(dòng)分類、滿載提示和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。通過整合STM32微控制器、各類傳感器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等硬件組件，以及開發(fā)高效的軟件算法，該項(xiàng)目不僅提高了垃圾分類的準(zhǔn)確性和效率，還通過語音提示、LED顯示等互動(dòng)方式，極大地提升了用戶體驗(yàn)。這些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)展示了智能垃圾桶如何在現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)現(xiàn)技術(shù)與環(huán)境保護(hù)的完美融合，同時(shí)也突出了創(chuàng)新技術(shù)在提升公共衛(wèi)生、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的巨大潛力。從更廣泛的視角來看，智能垃圾桶的研究與開發(fā)不僅僅是技術(shù)創(chuàng)新的體現(xiàn)，它更是對(duì)未來城市生活方式的一種探索與期待。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，智能垃圾桶等智能環(huán)保設(shè)備將在城市管理、環(huán)境保護(hù)和資源回收利用等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。因此，深入研究智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，不僅有助于解決當(dāng)前環(huán)境與資源問題，也為構(gòu)建綠色、智能、可持續(xù)發(fā)展的未來城市提供了重要的技術(shù)支撐和思路啟示?？傊ㄟ^對(duì)智能垃圾桶設(shè)計(jì)項(xiàng)目的回顧和總結(jié)，我們不難發(fā)現(xiàn)，科技創(chuàng)新的真正價(jià)值在于其對(duì)社會(huì)的積極影響。智能垃圾桶項(xiàng)目不僅展現(xiàn)了技術(shù)如何服務(wù)于環(huán)境保護(hù)和提升生活質(zhì)量，更重要的是，它啟發(fā)我們持續(xù)探索和利用科技創(chuàng)新解決社會(huì)問題，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，向著構(gòu)建更加美好的未來前進(jìn)。參考文獻(xiàn)[1]張利芝.疫情致全球塑料垃圾暴增[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2020,21(1):9-12.[2]曹丹丹.新冠疫情背景下完善城市生活垃圾分類的思路探討[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2020,14(5):28-30.[3]葉紫寒,閆小星.基于美學(xué)需求的城市家具與城市空間協(xié)調(diào)關(guān)系研究——以我國(guó)公共垃圾桶設(shè)計(jì)為例[J].美術(shù)教育研究,2020,11(3):95-123.[4]楊葉紅.“城市家具”—城市公共設(shè)施設(shè)計(jì)研究[D].四川:西南交通大學(xué),2007.[5]呂紅.城市公共空間的人性化設(shè)計(jì)[D].天津:天津大學(xué),2004.[6]周馮琦,張文博.垃圾分類領(lǐng)域人工智能應(yīng)用的特征及其優(yōu)化路徑研究[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版),2020,12(7):137-146.[7]朱瑩.智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與研究[D].江蘇:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2019.[8]王科舉,廉小親,安颯,陳彥銘,龔永罡.基于樹莓派和Arduino的智能垃圾桶[J].信息技術(shù)與信息化,2019,9(1):110-114.[9]吳文勇.垃圾分類背景下城市公共垃圾桶視覺設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程,2018,14(3):1-7.[10]李達(dá),包從望,李立業(yè),向云祥,王雙龍.垃圾桶溢滿處理設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2018,12(4):127-128.作者簡(jiǎn)介：凌晶晶（1999-），女，漢族，安徽池州人，安徽建筑大學(xué)[1]張利芝.疫情致全球塑料垃圾暴增[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2020,21(1):9-12.[2]曹丹丹.新冠疫情背景下完善城市生活垃圾分類的思路探討[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2020,14(5):28-30.[3]葉紫寒,閆小星.基于美學(xué)需求的城市家具與城市空間協(xié)調(diào)關(guān)系研究——以我國(guó)公共垃圾桶設(shè)計(jì)為例[J].美術(shù)教育研究,2020,11(3):95-123.[4]楊葉紅.“城市家具”—城市公共設(shè)施設(shè)計(jì)研究[D].四川:西南交