一種智能分類垃圾桶的設計研究

呂汝金，蘇庚辰，徐永博

（1.桂林電子科技大學教學實踐部，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

1 引言

新時期，人們對“美好”生活環(huán)境的向往不斷促進著環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而傳統(tǒng)的生活垃圾收集模式是造成一部分環(huán)境污染和資源難以再利用的根源之一，因此，國內正在加速推進生活垃圾分類制度和措施的落實[1-5]。

生活垃圾首次投放時的正確分類，是從源頭上對傳統(tǒng)垃圾收集方式的變革，也是對垃圾進行后續(xù)高效處理和資源再利用的前提。目前，一般生活小區(qū)和街道邊有按國家垃圾分類標準設置的常規(guī)垃圾桶，但由于人們的不自覺、無意識或不了解垃圾分類標準，致使生活垃圾仍然不能有效分類[6]。因此，設計一種新型智能垃圾自動分類收儲裝置，解決目前垃圾收集智能化程度不高的問題，對落實垃圾分類制度具有重要意義。

2 整體方案與工作流程

針對以上問題，設計的一種智能垃圾自動分類收儲裝置，是一個集機、電、控、測于一體的系統(tǒng)。其主要組成包括：垃圾桶機械部分，含垃圾分類機構、垃圾壓縮機構、垃圾分類存儲機構和垃圾桶殼體等；控制與檢測模塊；語音與顯示模塊。垃圾桶工作流程為：用戶將垃圾投入垃圾投放口后，可以通過輸入語音或觸摸顯示屏來發(fā)出垃圾分類控制指令，由控制模塊控制垃圾分類機構將垃圾分類投放到垃圾分類存儲機構，如果是可壓縮的垃圾，會另行經(jīng)過壓縮機構壓縮，再由垃圾分類機構分類投放，以此來提高垃圾存儲量；分類收納完成后，垃圾檢測模塊可監(jiān)測各分類箱的垃圾存儲情況，并通過語音輸出模塊適時播報分類完成結果和滿量時進行預警提醒，用戶通過觸屏顯示也可點擊查看垃圾分類結果和垃圾存量情況。

3 機械系統(tǒng)設計

3.1 垃圾分類機構

垃圾分類機構位于殼體內的上部，其功能是承接通過殼體頂部垃圾投放口投入的垃圾，并能根據(jù)控制指令將垃圾分類投入到對應的垃圾分類箱，其結構，如圖1所示。

圖1 垃圾分類機構Fig.1 Garbage Sorting Mechanism

機構中上部旋轉盤開有上部旋轉盤缺口，缺口兩側向上設置有海綿側板，上部旋轉盤可在與之固接步進電機Ⅱ帶動下做旋轉運動。當裝置旋轉到一定位置時，側板帶動垃圾一起旋轉，上部旋轉盤缺口與垃圾入口相對齊時，垃圾自然下落。

與上類似，下部旋轉盤在與之固接步進電機Ⅰ帶動下做旋轉運動，下部旋轉盤缺口與上部旋轉盤缺口相對齊時，垃圾落入下方的分類存儲箱內。

3.2 垃圾壓縮機構

垃圾壓縮機構其功能是擠壓可壓縮垃圾，擠壓后的垃圾再通過垃圾分類機構來進行分類投放，其結構[7]，如圖2所示。

圖2 垃圾壓縮機構Fig.2 Garbage Compression Mechanism

壓縮機構固接在垃圾分類裝置的內部，推桿套固定在上部旋轉盤上，電推桿通過推桿套導向，電推桿的前部固定有推塊，電推桿伸長方向朝向上部旋轉盤缺口。在實施的過程中，當投放的垃圾在側板帶動下位于上部旋轉盤缺口位置時，電推桿啟動推動推塊持續(xù)前進擠壓，通過推塊和桶體的側壁擠壓力完成垃圾壓縮，壓縮完成后電推桿帶動推塊復位。關鍵部件電推桿采用24V-500N-24MM/S 型，該型推力較大，可對一般易拉罐類垃圾進行壓縮，同時其內部結構采用平滑轉子，可減少摩擦和跳動，降低噪音。

3.3 垃圾分類存儲機構

垃圾分類存儲機構是對壓縮分類后的垃圾進行對應分類存儲的機構，其設計內容主要包括分類箱的數(shù)量（種類）、形狀和整體布局等內容：分類箱的數(shù)量對應國家標準，將城市生活垃圾分為4類收納—有害垃圾、可回收垃圾、廚余垃圾和其他垃圾；在布局上，分類箱置于殼體底板上方、位于下部連接支撐板下方，呈一種“田字格”的方式分布；分類箱設計為方形、鋁合金材質，具有向上的敞口，可以套設垃圾袋，垃圾通過下部旋轉盤缺口進入敞口的分類箱內。垃圾分類存儲機構示意，如圖3所示。

圖3 垃圾分類存儲機構Fig.3 Garbage Sorting-Storage Mechanism

4 驅動控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)設計

驅動控制系統(tǒng)包括有主控板、傳感與檢測模塊、電機驅動模塊和電源模塊，人機交互系統(tǒng)包括語音（識別與播報）模塊和串口顯示屏。

電源模塊為主控板和步進電機提供電源；主控板可以通過語音模塊和串口屏兩種途徑實現(xiàn)與外界的指令信息交互，主控板獲取垃圾種類信息后，將發(fā)送指令給垃圾壓縮機構和分類機構，來進一步的做垃圾壓縮和分類處理；主控板對檢測模塊獲取的信息進行處理后，可指示語音模塊和串口屏分別實現(xiàn)垃圾信息的播報與顯示。整機電路，如圖4所示。

圖4 智能分類垃圾桶電路原理圖Fig.4 The Circuit Schematic Diagram of Intelligent Classified Garbage Bin

4.1 控制芯片

主控板采用STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)核心板，板資源包括：主頻72M，ROM 256K，RAM 48K，1 個復位按鍵，1 個用戶按鍵，1 個電源指示燈，1 個Type-C 接口，8M 主時鐘晶振，板載32.76KHz的RTC晶振，用排針引出SWD和串口，預留RTC電池座焊盤，45個空閑IO口全部引出，提供有AD庫便于用戶進行開發(fā)[8]。STM32F103RCT6 在低功耗、低電壓運行的基礎上集成了高性能的外設，可以滿足本機對控制系統(tǒng)的需求。

4.2 步進電機及驅動控制

由于同時控制雙層轉盤，且控制的轉盤扭矩力臂較短，所需電機要具備有一定的轉動精度和較大扭矩，為此，上下轉盤均選用4線兩相57步進電機，并采用步進電機TB6600升級版驅動器作為電機驅動模塊，同時使用兩個定時器分別對兩個電機進行控制，以便單獨鎖住電機，防止電推桿工作時不穩(wěn)定導致受力方向改變；驅動器采用9-42V直流供電，內部采用H橋雙極恒相流驅動，對輸入信號進行了高速光電隔離，具備標準共陽單脈沖接口，有脫機保持功能。

工作時，電機處在初始位置，主控板判斷后，兩個電機同時帶動上下轉盤旋轉到相應位置，然后上轉盤不動，下轉盤繼續(xù)轉動90°，上下轉盤形成一個90°空洞，垃圾落入對應分類箱。下轉盤再反向旋轉90°，最后上下轉盤復位。如果是可壓縮垃圾，主控板會控制垃圾壓縮機構先對垃圾進行壓縮，再按上述動作進行分類處理。

4.3 傳感檢測

為檢測垃圾存儲情況，在垃圾桶上方安裝了E3F-DS30C4型光電傳感器，它是漫反射式的光電開關，其響應快，壽命長。

通過4個光電開關來進行監(jiān)控。當有一組開關觸發(fā)時，光電開關輸出24V高電平，從而導通繼電器，而低電平通過繼電器連接到主控板，主控板相應IO口拉高，當繼電器導通，主控板相應IO拉低，主控板觸發(fā)外部中斷。當觸發(fā)中斷后，進入中斷程序，此時程序在中斷停留3s，3s過后，單片機再次檢查此IO口電平狀態(tài)，如果還為低，則垃圾桶確實滿了，如果為高，則認為是誤觸發(fā)。當確認為垃圾桶滿后，主控板會發(fā)送數(shù)據(jù)到語音播報模塊和串口屏。

4.4 語音（識別與播報）模塊

語音識別采用LD3320型識別模塊，其直接用串口與主控板進行通訊。通過“你好”指令喚醒模塊識別功能，由于模塊為非特定人語音識別[9]，只能識別模塊內已經(jīng)錄入的關鍵詞，需提前把常用的關鍵詞錄入，用戶通過說出指定的關鍵詞，來進行語音指令識別。模塊完成識別后通過串口發(fā)送其對應的二進制數(shù)字到主控板，并進入不識別狀態(tài)，以防止主控板處理時又有新的語音指令進入，擾亂程序進程。

主控板完成指令處理后會通過串口返回一個解除指令，模塊在接受中斷里進行處理，此時模塊回轉到睡眠模式，可通過“你好”指令重新喚醒。

采用DY-SV17F 型語音模塊來進行語音播報。DY-SV17F是一款智能語音模塊，集成IO 分段觸發(fā)，UART 串口控制，ONE_Line單總線串口控制，標準MP3等7種工作模式，板載5W D類功放，可直接驅動4Ω、3-5W喇叭，支持MP3、WAV解碼格式，板載32MBIT（4MBYTE）FLASH儲存音頻文件，可通過USB數(shù)據(jù)線連接更新音頻文件。播報內容由文字轉換語音軟件轉換后提前錄入到模塊上，通過對8個IO口進行不同的組合來選擇不同的播放內容。如不需要播報，可通過串口屏上“音量”按鈕關閉。

4.5 串口顯示屏

顯示模塊采用5寸基本型的USART HMI智能串口屏來進行顯示。串口屏通過串口與主控板連接，互相使用串口傳送信息，人機界面全部由上位機軟件制作完成來提高開發(fā)效率，下位MCU只需要用串口與設備交互指令。當串口屏有按鍵按下，串口屏會發(fā)送指令到主控板進行處理。處理流程，如圖5所示。

圖5 串口顯示屏輸入指令處理過程Fig.5 The Processing of the Instruction is Input Through the Serial-Port Screen

5 試驗樣機

試驗樣機，如圖6所示。

圖6 垃圾桶的試驗樣機Fig.6 The Experimental Prototype of Garbage Bin

其質量為6.8kg。試驗表明：

（1）垃圾分類機構能對生活中常見的垃圾進行正確的分類；（2）垃圾壓縮機構設計有效，能夠對易拉罐，礦泉水瓶等可回收垃圾進行壓縮，從而提高垃圾的存儲量；（3）人機交互系統(tǒng)可以通過語音輸入或觸屏輸入控制指令，在分類完成后可以實現(xiàn)垃圾信息的播報與顯示；（4）垃圾桶的實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠在滿桶的時候進行提醒。

6 結論

垃圾有效分類是資源回收利用和避免環(huán)境污染的有效途徑之一，智能垃圾分類收儲裝置將對垃圾處理鏈前段產(chǎn)生積極影響[10]。通過分析生活垃圾分類現(xiàn)狀，提出一種智能垃圾分類收儲裝置，在對該裝置的機械系統(tǒng)、驅動控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)等進行研究設計基礎上制作了試驗樣機，試驗表明功能能夠達成、方案可行，可為同類相關產(chǎn)品的設計提供參考借鑒。