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学生的技术与实现

摘要

随着智慧城市与环保理念的深度融合，传统垃圾处理方式正面临智能化升级需求。当前公共区域垃圾分类依赖人工管理，存在效率低、响应滞后等问题，需通过物联网技术实现垃圾存储状态的实时感知与自动化处理，从而提升资源回收率并降低运维成本。

本系统是以STM32F103C8T6单片机为主控，把整个设计分成几个独立且配合的模块，在硬件上，用ESP8266模块连接WiFi，用ASRPRO模块用来识别语音指令，用TCRT5000红外传感器检测垃圾有没有满，用OLED小屏幕显示设备的状态，还装了两个舵机模拟垃圾桶分别控制可回收和不可回收的桶盖。在软件方面，在Keil环境里用C语言写代码，通过AT指令让WiFi模块连上阿里云服务器，这样数据就能传上去，也能接收手机发来的指令。另外开发了一个手机APP，用户登上去之后，可以绑定自己的设备，随时看垃圾桶的状态，也能远程控制开盖。总之，这套系统从数据采集、处理到远程控制，完成了从数据采集到远程交互的交互功能。

通过对硬件模块选型匹配、底层驱动开发、云端数据交互及APP终端设计的系统性研究，形成一套集语音控制、满溢报警、WiFi联网与远程监控于一体的智能环卫监测方案。本研究为垃圾分类智能化提供了可行的技术路径，对提升垃圾管理效率、降低运维成本、推动绿色低碳公共环境建设具有实际应用价值。

关键词：STM32F103C8T6；APP设计；嵌入式开发；数据采集与处理。

1 绪论

在日常生活中，我发现传统垃圾桶需要手动开盖、分类麻烦、满溢后不能及时提醒，既不卫生也不方便。因此，我希望通过单片机与物联网技术，设计一款能语音控制、自动分类、满溢报警、可远程查看的智能垃圾桶，解决家庭使用中的实际问题。本课题便是在这一思路下，由我独立完成方案设计、硬件选型、程序编写、调试与论文撰写。

本章通过分析研究背景与意义，梳理国内外的研究现状，明确论文的研究目标和结构框架，为后续系统的设计与实现奠定了理论基础。

1.1课题背景与意义

1.1.1 课题背景

随着城市化进程的加速，垃圾产生量与日俱增，传统垃圾桶功能单一，无法满足现代城市对垃圾分类和高效管理的需求。垃圾分类作为环保领域的重要举措，对于资源回收利用、减少环境污染意义重大。然而，目前垃圾分类主要依赖居民的自觉和人工监督，存在分类不准确、管理效率低下等问题。与此同时，单片机、传感器等新兴技术迅速发展，为智能垃圾桶的研发提供了技术支撑。语音识别技术让用户可以通过语音指令控制垃圾桶，方便快捷；传感器技术能够实时监测垃圾桶的满溢状态；无线通信技术则实现了数据的远程传输，使用户可以随时随地了解垃圾桶情况。

1.1.2 研究意义

本系统的实现具有重要现实意义。从社会层面看，有助于推动垃圾分类工作的深入开展，提高资源回收利用率，减少环境污染，促进可持续发展；从用户层面看，为用户提供了更加便捷、高效的垃圾投放和管理方式，提升了用户的使用体验；从技术层面看，本系统的研发整合了多种新兴技术，为智能垃圾桶进一步发展和创新提供了参考和借鉴，推动了物联网、人工智能等技术在环保领域的应用和发展。相关技术的发展为后续研究提供了重要支撑[1]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

近年来，随着环保意识的提高和科技的发展，智能垃圾桶成为城市环境管理的重要工具。国内在这一领域的研究和应用逐渐增多，智能垃圾桶已经进入了许多城市和社区。国内的智能垃圾桶设计在整体上已经实现了自动开盖、垃圾分类、压缩垃圾等功能。

1.2.2 国外研究现状

国外在智能垃圾桶设计方面起步较早，技术相对成熟。欧美等发达国家在这一领域的研究和应用已经形成了一套较为完善的体系，智能垃圾桶被广泛应用于公共场所和家庭中。国外的智能垃圾桶设计不仅实现了自动开盖、垃圾分类和垃圾压缩等功能，还在垃圾处理的智能化和人性化方面进行深入研究。

2 智能垃圾桶系统整体设计方案

2.1 系统功能需求

本次毕业设计需要用户去实现垃圾便捷投放，自动分类，溢满状态实时感知与远程监控并管理，对于传统垃圾桶来说，存在手动开盖不卫生，分类依赖人工容易出现错误，垃圾桶溢满时无人知晓，垃圾管理效率较低等问题，特别是在公共区域和家庭场景，垃圾桶溢满容易产生细菌，污染环境，因此垃圾桶需要提供语音控制开盖、自动分类、满溢检测、WiFi 联网、远程监控与报警等功能，可以帮助用户与管理人员随时掌握垃圾桶运行状态，提升垃圾处理与环境管理效率。

2.1.1 语音控制模块需求

系统支持离线语音识别，在没有网络的情况下也能正常识别指令并做出响应。

2.1.2 自动分类开盖模块需求

系统使用两个舵机来模拟双分类垃圾桶结构，每个舵机单独控制一个桶盖，分别对应可回收垃圾和不可回收垃圾。

2.1.3 垃圾满溢检测模块需求

通过 TCRT5000 红外传感器实时检测桶内垃圾高度，判断垃圾是否已满。

2.1.4 状态显示模块需求

设备上装有一块 OLED 显示屏，用来实时展示系统当前的工作信息，包括 WiFi 是否连接、垃圾是否满溢、语音指令有没有执行成功等。

2.1.5 WiFi 联网与云端上传模块需求

通过 ESP8266 WiFi 模块连接网络，将垃圾桶的运行状态、满溢信息、报警记录等数据上传到阿里云 MQTT 服务器。

2.1.6 WiFi APP功能需求

用户在手机 APP 上登录账号并绑定设备后，可以远程查看垃圾桶的桶盖状态、垃圾是否满溢、设备是否在线等信息。

2.2 整体方案

根据设计需求，本次毕业设计，计划通过多模块协同与物联网技术实现垃圾满溢监测、语音控制分类、远程状态监控及异常报警功能，系统集成红外检测模块、语音识别模块、无线通信模块、执行机构与显示单元，构建智能化垃圾管理闭环体系，旨在为家庭与公共场景提供自动化垃圾分类、满溢预警与远程管控，确保使用便捷性、环境安全性与运维高效性。

3 智能垃圾桶系统硬件设计

系统采用STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器，结合ASRPRO 语音识别模块、TCRT5000 红外满溢传感器、ESP8266 WiFi 通信模块、OLED12864 显示屏、双路舵机、蜂鸣器及状态指示灯等硬件组成，实现自动化垃圾投放、分类控制、状态监测与远程管理功能。通过TCRT5000 红外传感器实时检测桶内垃圾存储状态，准确判断垃圾是否满溢；

3.1 系统硬件要求及设计

3.1.1 系统硬件的要求

本智能垃圾桶系统主要面向家庭日常使用、办公区域及小型公共场景进行设计，硬件平台作为整个系统运行的基础核心载体，必须严格满足功能完整、运行稳定、低功耗、抗干扰、易安装、便于维护等核心要求。

3.1.2 系统硬件的设计

STM32CubeMX是STMicroelectronics推出的一种STM32系列微控制器图形化配置工具，是STM32单片机开发流程中的核心辅助工具，通过可视化、模块化配置的方式，简化了STM32单片机底层驱动的开发，是高效完成硬件初始化、系统配置的重要工具。

3.2 主要元器件及电路模块

本章所选用的主要元器件，均是根据智能垃圾桶家庭使用场景、低功耗要求、离线语音控制、双桶分类开盖、垃圾满溢检测、WiFi 远程监控、状态实时显示等核心功能需求进行严格匹配与确定。所有元器件在满足功能实现的前提下，充分考虑体积、功耗、成本、稳定性、抗干扰性及开发便捷性，确保系统能够长期可靠运行。

3.2.1 主控模块及最小系统电路

本设计选用STM32F103C8T6作为主控芯片，它是整个智能垃圾桶的控制中心。垃圾桶需要同时处理语音指令、传感器信号、WiFi 数据和舵机控制，要求主控运行稳定、接口够用、功耗较低。这款单片机资源充足，能够同时驱动多个模块协同工作，满足垃圾桶长期待机、实时响应的使用要求。

3.2.2 检测模块及电路

检测模块主要负责判断垃圾桶有没有装满，是实现满溢报警的关键部分。本系统采用TCRT5000 红外传感器进行垃圾高度检测。它体积小，适合安装在垃圾桶内部，通过红外反射判断垃圾是否到达设定位置。当垃圾堆满遮挡传感器时，模块会输出信号给单片机，系统随即启动报警。

4 智能垃圾桶软件设计

系统采用了低功耗的OLED显示屏和WiFi模块，提高了智能垃圾桶的续航能力，确保了该垃圾桶在室内或者户外的持续运作和可靠。该设计对于年龄大小的人来说都属于简单易懂，用户可以通过app里的按钮查看垃圾桶是否溢满和打开关闭垃圾桶，提供了便捷的操作体验，OLED显示器具有较高的清晰度和现实亮度方便人们查看，确保该垃圾桶在户外的情况下可以让人们更加清晰的看到，及时提醒人们垃圾桶将要溢满，方便清理垃圾以及防止垃圾桶过溢，造成污染环境，产生异味的情况。

4.1 系统的软件设计要求

该app系统需要具备时效性，若垃圾桶溢满需要及时汇报并提醒。无论是家庭使用还是户外，任何的时间延迟都会使垃圾桶产生溢满造成垃圾成堆。因为对于该app应该确保数据的真实性，而且用户可以轻松操作。软件外观应该具备更加简洁且更直观的外观方便用户使用。在使用app控制开关垃圾桶，该系统需快速反应以备用户可以及时将自己的垃圾扔进垃圾桶。

4.1.1 系统软件的设计

（1）C语言嵌入式开发：STM32软件采用C语言设计，C语言作为嵌入式开发的主流编程语言

（2）Keil编译器概括：Keil编译器在单片机系统开发中的应用KeiluVision是ARM公司开发的嵌入式开发集成环境，是单片机开发51系列、STM32系列主控芯片的开发工具。

4.2 软件程序构思及流程图

4.2.1 主程序流程图

系统上电后，首先完成主控芯片与各外设模块的初始化工作，涵盖 WiFi 通信模块、OLED 显示模块、语音识别模块及满溢检测传感器的参数配置，随后建立网络连接并接入云端平台。

5 系统调试

本章主要记录对智能垃圾桶系统从硬件焊接、软件编写到整体联调的完整过程。在整个调试阶段，我采用先静态后动态、先模块后整体、先本地后联网的思路，逐步排查问题、优化参数、完善功能，最终让系统稳定运行。调试过程中遇到的问题与解决方法，均由我亲自测试。

5.1 实物焊接制作

智能垃圾桶系统所使用的元器件主要有 STM32F103C8T6 单片机、OLED12864 显示屏、ESP8266 WiFi 模块、SG90 舵机、TCRT5000 红外避障传感器、有源蜂鸣器、按键、锂电池、红色 LED 指示灯等元器件。

在焊接前，需要清点各元器件是否齐全，在防静电工作台上进行焊接，佩戴防静电手环，防止静电损坏敏感元器件。焊接过程中使用防静电焊台与防静电镊子，不直接用手触碰芯片引脚，按照先低矮元器件、后高层元器件的顺序进行焊接，最后焊接温度敏感元器件，确保焊接可靠、稳定，提高系统整体硬件的安全性与使用寿命。

5.2 软件调试

软件测试部分主要对APP端与单片机端软件进行了功能验证与稳定性测试。测试内容包括 WiFi 通信连接与数据传输稳定性、桶盖开合控制响应、垃圾满溢检测与报警触发、APP 界面显示及交互逻辑、异常情况下的容错处理等。通过多次反复测试，验证了各软件模块运行正常，指令响应及时，数据交互准确，系统整体工作稳定可靠，满足设计要求。

5.3硬件调试

硬件调试分为静态调试与动态调试两部分，通过逐级验证排除硬件隐患，保证系统可靠运行。

5.3.1 静态动态调试

静态调试：在连接电源前，必须确保所有的焊接点是否焊牢靠，每个模块之间相连的管脚也许确认有没有焊接牢靠，以防出现短路导致单片机无法工作。确认WiFi模块、SG90 舵机、OLED 显示屏、传感器等的接线是否正常没有错误。对于关键元器件（舵机舵机、蜂鸣器、LED 指示灯等）确保引脚无错误。

在接通电源硬件初始化后，第一时间对溢满和自动开盖的功能进行了实物验证，自动开盖由两个舵机模拟垃圾桶作为可回收垃圾桶和不可回收垃圾桶，在接受到语音指令或者app远程遥控指令后，舵机收到响应，可以满足日常的便携性和可用性的要求。

5.3.3 WiFi连接调试

ESP8266 WiFi 模块连接调试是实现无线通信功能稳定运行的重要环节，主要从硬件连接是否正常、网络配置是否可行、数据传输是否可靠这三大方面进行调试，通过分步调试发现其中存在的问题，保证模块与主控单元、外部网络、终端设备之间能够正常交互。调试前需要进行模块与主控单元的硬件接线检查，电源、串口通信、复位引脚连接是否正常，没有虚接、错接现象，电源电压要正常，不能因为电压不稳定导致模块启动故障。

参考文献

1. 杨智朝,徐亚芬. 智能垃圾分类系统的研究与设计[J].机电工程技术,2025,54(18):130-135+172.
2. 韩德威,陈泓源,杨大宇,等. 基于K210的一种智能垃圾桶的设计[J].科技与创新,2025,(17):49-53.
3. 邱雪莲,李萌. 基于STM32单片机的智能移动垃圾桶设计[J].日用电器,2025,(08):114-118.
4. Cai Z ,Jiang Z . Design and Implementation of Intelligent Speech Recognition Classification Trash Can Based on STM32 Single Chip Computer[J].World Journal of Innovation and Modern Technology,2025,8(5):11-18.
5. 毛小尹. 基于单片机的垃圾桶状态监控系统设计[J].电子技术,2025,54(05):40-43.
6. 严红,樊辉娜. 基于STM32技术的语音和图像双重识别智能垃圾分类产品设计[J].南方农机,2025,56(09):143-146.

注：仅展示部分文档内容和系统截图，需要完整的视频、代码、文章和安装调试环境请私信up主。