廚房生活垃圾處理裝置的設(shè)計與研究*

許成年，楊應(yīng)洪，王浩宇，桑慶林，尹顯明

(西南科技大學 工程技術(shù)中心,四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，人們環(huán)保意識的增強，現(xiàn)代廚房在不斷追求智能化的同時也在追求節(jié)能環(huán)保[1]。針對廚房生活垃圾處理問題，現(xiàn)有的廚房垃圾粉碎機通常利用研磨錘在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力將垃圾擊碎，再通過齒板、齒條的相對運動進行再次切割、研磨，粉碎后的垃圾隨下水道沖走[2]。目前，這類產(chǎn)品技術(shù)不夠成熟，通常存在工作時噪聲大、破碎不徹底等問題。針對這些問題，本文設(shè)計了一款以STM32單片機為控制核心的新型廚房生活垃圾處理裝置。

1 廚房生活垃圾處理裝置總體設(shè)計

該裝置選擇型號為STM32F103單片機作為主控制器，選用AMS1117-3.3與AMS1117-5型號的兩款DC-DC穩(wěn)壓器作為電源部分，分別實現(xiàn)3.3 V與5 V電壓的維穩(wěn)[3]，結(jié)合霍爾傳感器、語音模塊等實現(xiàn)系統(tǒng)的有效運行。主控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢酝ㄟ^物理按鍵或者語音模塊對裝置進行啟動和停止操作；霍爾傳感器檢測電機運行時電流的變化，將采集到的電流值轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給主控板；報警模塊在采集返回的電流值超過閾值時，發(fā)出警報，并立即停止裝置的運行；外置的顯示屏可以實時顯示裝置的運行情況。該裝置采用靜音電機降低了破碎時噪聲,同時在裝置腔體的外圍附有隔音棉，進一步增強了降噪的能力。

圖1 主控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 垃圾處理裝置的結(jié)構(gòu)

借助SolidWorks軟件設(shè)計了垃圾處理裝置的結(jié)構(gòu)，該裝置總體尺寸為230 mm×230 mm×350 mm，主要由三級研磨機構(gòu)及控制檢測模塊等構(gòu)成，如圖2所示。首先，由電機8轉(zhuǎn)動帶動撕裂刀片組1實現(xiàn)一級破碎，然后生活垃圾進入下方的第二腔體；由電機6帶動磨盤7轉(zhuǎn)動，同時刀片及研磨錘2也隨之轉(zhuǎn)動，在離心力的作用下，粉碎后的生活垃圾與刀片之間發(fā)生相對運動，使得生活垃圾被再次撕碎，實現(xiàn)二級破碎；最后，在離心力作用下，垃圾被研磨錘2在過濾壁3上不斷研磨，實現(xiàn)三級研磨?？刂茩z測模塊的核心元件是霍爾傳感器4，霍爾傳感器4檢測電機6和電機8運行時的電流值來判斷是否出現(xiàn)電機卡死的情況，并將檢測信號反饋給主控。

1-撕裂刀片組；2-研磨錘；3-過濾壁；4-霍爾傳感器；5-主控；6，8-電機；7-磨盤

本裝置采用的撕裂刀片如圖3所示。該撕裂刀片的材質(zhì)為合金工具鋼，具有硬度高、耐磨性強等優(yōu)點，可將較大的廚余生活垃圾撕裂并送入二級研磨腔，提高了研磨效率，可滿足廚余生活垃圾的破碎需求。

圖3 撕裂刀片

該裝置可擴展使用，三維安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。將該裝置置于洗碗槽2的下方，頂部接口直接與洗碗槽2相連，安裝方便。廚余垃圾從洗碗槽2與裝置的接口進入裝置，在經(jīng)過三級的破碎研磨后，隨著水流排入下水道。裝置右側(cè)增設(shè)了洗碗機的拓展接口4，可配合家用洗碗機3使用，將洗碗機3工作時產(chǎn)生的污水再次利用，水流配合裝置達到更好的研磨效果，提高了該裝置的實用性。裝置右下方接口6與下水道相連，垃圾在研磨完全之后通過接口6排出。

1-OLED顯示；2-洗碗槽；3-洗碗機；4-洗碗機水管；5-紫外線消毒模塊；6-下水道接口；7-STM32主控；8-開關(guān)；9-霍爾傳感器；10-電源；11-破碎機；12-語音模塊和報警模塊

2.2 傳感器模塊

裝置增加的語音功能模塊以及報警功能需要用到霍爾電流傳感器和語音傳感器，如圖5所示。

圖5 各傳感器模塊

霍爾電流傳感器具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點。在垃圾處理裝置工作時，由于過載或異物卡頓導(dǎo)致電機卡住的時候，會產(chǎn)生較大電流，通過該傳感器檢測電流知道電機是否卡住，如果卡住后會斷電保護，再通過報警模塊提醒用戶，進一步增強了該裝置的安全性。

選用LD3320語音控制模塊來控制廚房垃圾處理裝置，實現(xiàn)了基于聽覺的人機交互方式來控制裝置，用戶通過語音模塊便可控制裝置的運行。

2.3 報警模塊

報警模塊采用蜂鳴器進行報警[4]，其工作原理如圖6所示。蜂鳴器BEEP1一端接3.3 V電源，一端通過三極管連接單片機端口并接地。當輸入高電平時，電路堵塞，蜂鳴器關(guān)閉。輸入低電平時，電路連通，蜂鳴器驅(qū)動，表示裝置運行出現(xiàn)問題發(fā)出警報。

圖6 報警模塊工作原理

3 軟件設(shè)計

編程軟件選擇較為常見的Keil，編程語言選擇基礎(chǔ)的C語言。外部傳感器獲取運行環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋到裝置，系統(tǒng)得到響應(yīng)。系統(tǒng)運行流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)運行流程

該裝置上電，系統(tǒng)初始化，用戶可以通過語音模塊或者按鍵啟動裝置。在運行過程中，霍爾電流傳感器分別檢測兩個電機的電流參數(shù)，并及時反饋到主控單元，再通過對電流參數(shù)值的判斷進一步實現(xiàn)裝置的有效運行。

4 小結(jié)

該裝置結(jié)合了單片機技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)，采用逐級破碎研磨生活垃圾，提高了破碎效率。利用霍爾傳感器對電機的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，注重靜音設(shè)計，減少了噪聲污染。該裝置具有操控方便、實用性強且成本低廉等特點，具有一定的市場推廣價值。