關(guān)于一種新型垃圾桶的研究

張顏+袁昊+陳延貴+張鑫+周陽+劉友英

摘 要：此智能垃圾桶主要由紅外線探測裝置，機械裝置和連桿機構(gòu)組成，擁有自動升降開合蓋及自動打包功能，是集機、光、電于一體的高科技新產(chǎn)品，具有性能可靠，使用壽命長，耗電低等優(yōu)點。小組成員已驗證了其機構(gòu)設(shè)計的合理與實用性，并制作出垃圾桶成品。

關(guān)鍵詞：紅外線傳感器，機械連桿，智能垃圾箱

前言：

垃圾桶是社會發(fā)展的產(chǎn)物，處于公共場合的它是一個國家國民素質(zhì)以及經(jīng)濟發(fā)展水平的側(cè)面反映物。①現(xiàn)如今公共場合中的垃圾桶多數(shù)是無蓋或需要手動打開蓋子的，雖然國家一直倡導民眾保護環(huán)境垃圾入箱，但是效果并不如人意，很大一部分原因在于人們雙手不愿接觸垃圾桶，總是將垃圾扔在桶邊或桶蓋上，使得桶內(nèi)“一無所有”，桶外“垃圾遍地”。故此，具備自動開合功能的智能垃圾桶應運而生。智能垃圾桶使人們無需接觸垃圾桶的任何部位即可投放垃圾，環(huán)保衛(wèi)生；也可在不外接電源的情況下依靠普通電池運行，耗電低，使用壽命長；此外它的密封性能較之傳統(tǒng)垃圾桶更好，減少了感染病菌的機率，防止了垃圾異味溢出，確保四周空氣清新。但市面上智能垃圾桶價格普遍偏高，故我們研究目的在于降低智能垃圾桶的制造成本，使其在公共場合普及，希望我們此次關(guān)于垃圾桶改良的想法能夠得以實現(xiàn)。

功能分析：

我們對于此項目的初步設(shè)想：垃圾桶為雙層，具有外壁與內(nèi)膽，在兩層中間架設(shè)線路以及傳動機構(gòu)等，該垃圾桶主要功能為自動固定，自動打包與自動感應開合。對于這些功能我們初設(shè)研究技術(shù)路線為：以力學實現(xiàn)對垃圾桶的位置的控制；通過紅外線感應系統(tǒng)實現(xiàn)及一系列傳動系統(tǒng)實現(xiàn)對桶蓋開關(guān)的控制；通過重力實現(xiàn)對垃圾自動打包。以下為垃圾桶三個主要功能的分析：

一、自動固定功能：

技術(shù)難點：

1）如何運用摩擦角或其他固定裝置如吸盤進行固定。

2）可解除固定裝置的設(shè)計。

3）在降低成本的基礎(chǔ)上，力求簡化裝置結(jié)構(gòu)。

組成結(jié)構(gòu)：

固定桿，搖桿與特制吸盤。

裝置原理：

1）吸盤原理 ②

平直型真空吸盤的工作原理如下敘述：首先將真空吸盤通過搖桿與附著物（玻璃、地面等）接觸，通過搖桿壓平吸盤，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負氣壓，從而將接觸物吸牢，完成固定。當想要解除固定時，再次用力壓平吸盤，輕輕提起吸盤邊緣，吸盤內(nèi)吸入氣體，使真空吸盤內(nèi)由負氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓，真空吸盤即可脫離接觸物，從而完成解除固定。

2）杠桿原理

當對垃圾桶中較大的桿件施加一個向上的力時，吸盤上部受到向下的力，吸盤排氣，則與地面緊密接觸，可達到固定的目的。當想要解除固定時，給較大的桿件施加一個向上力，此時吸盤與地面充分接觸。同時，給較小的桿件一個向下的力，吸盤接觸端便被輕輕提起，吸盤內(nèi)部吸入空氣，此時吸盤解除固定。③

二、自動打包功能

技術(shù)難點：

1）如何設(shè)計特殊搖桿尾部結(jié)構(gòu)，使其能簡便安裝橡皮圈，同時在按下外部圓環(huán)時可及時釋放橡皮圈。

2）如何確定固定桿固定的位置，使得打包時垃圾袋內(nèi)部的垃圾盡量多，避免垃圾袋浪費。

3）如何簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低成本，提高裝置的靈敏度，同時美化外觀。

裝置原理：

當垃圾袋中的垃圾達到一定體積與重量，打開垃圾桶蓋，解除內(nèi)桶上端的固定垃圾袋的圓環(huán)結(jié)構(gòu)時，垃圾袋釋放，同時收緊留在外端的細繩，此時垃圾袋扎緊，打包成功。

三、自動感應開合功能

技術(shù)難點：

1）紅外線感應裝置的設(shè)計與測試。

2）械連桿傳動裝置的設(shè)計與安裝。

3）箱蓋開合時間的控制。

裝置原理：

人體具有恒定體溫，一般在37度左右，所以會發(fā)出大約波長為10微米的紅外線，當紅外線聚集紅外線感應源上，感應器內(nèi)的元件在接收到人體輻射溫度變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路檢測出來后就將信號轉(zhuǎn)換為電流信號，即有人靠近傳感器輸出高電平，反之輸出低電平。若有人體在其感應范圍內(nèi)活動，傳感器輸出將一直為高電平，人離開后延時變?yōu)榈碗娖?。?/p>

紅外感應器得到輸入信號，信號經(jīng)過處理成為一個控制電路。即有物體出現(xiàn)在垃圾桶上方時，得到與沒有物體時不同的信號。再經(jīng)過電路使電動機轉(zhuǎn)動，通過相應的傳動裝置使得桶蓋升降，達到自動控制的目的，其中傳動裝置即是由機械連桿構(gòu)成。

軟硬件調(diào)試：

調(diào)試通常包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試以及整體聯(lián)調(diào)，但軟件與硬件的設(shè)計又是獨立的，因此在硬件完成之前就要配合做軟件調(diào)試以尋出不適當?shù)牡胤?，而硬件也是在無完整軟件條件下進行調(diào)試的。在完成所有硬件設(shè)計后，就要對軟硬件進行聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試過程即測試電路以及程序運行方式是否滿足設(shè)計結(jié)果，以找出設(shè)計不合理的地方。以下為制作過程中主要爭執(zhí)點：

一、芯板上電路連接：

為實現(xiàn)紅外線感應開合，需要自行設(shè)計電路與焊接電路，初始焊接時我們采用電烙鐵手動焊接，在進行演示時卻發(fā)現(xiàn)焊接點精度不足，垃圾桶在接收信號后不能及時作出反應。故我們嘗試用protues軟件先進行模擬，再做pcb打樣文件進行打樣，效果較手動更為好些。

二、電池和齒輪電機固定問題：

一些成員考慮到資金有限與制作條件的問題，不同意把齒輪再另外固定在架子上，認為前期做好后黏在板子上即可。而另一些認為齒輪裝配誤差比較大，另外弄個架子可以使安裝更精準方便，經(jīng)過協(xié)商最終選擇了后一種方案，即齒輪另外固定。

三、感應開合的精準性問題：

在初期嘗試階段，垃圾桶自動開合功能并不理想，有時沒東西靠近它也會自動打開，而真正需要扔東西的時候，它卻反應遲鈍需要感應好幾秒才開啟，對于這個問題我們很難準確控制時間。我們覺得如果在使用pcb打樣后還不能對他進行精準控制的話，后期將把單片機控制應用到其中，以匯編語言程序控制開合⑤。雖然會加大我們的工作量，但效果可能更佳。

垃圾箱現(xiàn)狀與發(fā)展：

據(jù)分析，現(xiàn)在在公共場合普遍使用的垃圾箱主要存在以下問題：一、垃圾桶普遍需要人接觸才能開蓋投入垃圾，不能滿足人們高節(jié)奏的生活與工作需要，且人們的心理并不愿與之接觸，故使得垃圾放置比較隨意。二、除卻有蓋垃圾箱，一些無蓋垃圾箱不具備一點點密封性，故垃圾箱附近異味巨大，極易滋生細菌、寄生蟲，極大危害了附近人們的身體健康。

在計算機高速發(fā)展與各種傳感技術(shù)逐漸成熟的今天，自動化設(shè)備快速進入到人們生活，各種智能機械設(shè)備為人們節(jié)約了許多人力、財力與物力。在智能化社會中，智能垃圾桶只能說是發(fā)展的必然趨勢。

由于物質(zhì)文明與精神文明的發(fā)展，垃圾桶在改善人居環(huán)境，體現(xiàn)城市特色中的作用顯得尤為重要。⑥從垃圾入桶來講，人們普遍不愿接觸垃圾桶，而我們項目設(shè)計的初衷就在于解放人們?nèi)永碾p手，我們以自動升降開合門提醒人們?nèi)永⒉辉谛枰麄兣c垃圾桶接觸，減少了許多病菌問題。

日本山本教授認為地球的承載極限不是人和物，而是環(huán)境，即污染源。而污染源需要一個容器或處理器，故我認為垃圾桶的研究將不間斷的持續(xù)下去，也期待這個新型垃圾桶能夠得到大眾的認可。

參考文獻：

①《機械工程師》2016年第四期

②《真空吸盤的真空負壓吸附原理》趙艷妮編，真空技術(shù)網(wǎng)

③《理論力學》王永廉、唐國興編，第二版，機械工業(yè)出版社，2011.7

④紅外線感應器說明書

⑤《單片機原理及應用》徐泳龍編，第二版，機械工業(yè)出版社，2013.12

⑥《中國化工報》2016-6-17

作者簡介：

張顏（1996.1），女，漢族，江蘇東海人，本科，南京工程學院，學生，研究方向：過程裝備與控制工程.