自動(dòng)封裝換袋垃圾桶的設(shè)計(jì)＊

黃 河，李新杰，曲宏博

（鄭州科技學(xué)院車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 鄭州 450052）

1 研究背景

在智慧城市建設(shè)不斷深化的影響下，越來(lái)越多的人選擇使用智能家電，智能垃圾桶自然也在其中，它們的出現(xiàn)，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。隨著智能家具的不斷更新，智能垃圾桶功能也從一開(kāi)始的僅能自動(dòng)開(kāi)蓋[1-3]升級(jí)到現(xiàn)在的可以一鍵打包換袋[4-6]。

以前人們所使用的垃圾桶多為敞口設(shè)計(jì)，桶內(nèi)異味容易散發(fā)，特別是在夏天，如果垃圾桶內(nèi)裝有一些容易腐爛的垃圾，一旦不及時(shí)清理，不僅桶內(nèi)異味會(huì)到處亂竄，還容易滋生很多小飛蟲(chóng)，嚴(yán)重影響生活品質(zhì)。另外，以前人們所使用的垃圾桶在清理時(shí)還需要親自動(dòng)手收拾垃圾、給垃圾袋封口、更換新垃圾袋等，不僅步驟煩瑣，還必須直接接觸垃圾，和垃圾上附著的細(xì)菌病毒“打交道”，在當(dāng)下疫情爆發(fā)的形勢(shì)下，尤為不衛(wèi)生。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種封閉式的可以自動(dòng)打包換袋的垃圾桶可以很好地解決這些問(wèn)題。

2 自動(dòng)打包換袋垃圾桶的總體設(shè)計(jì)

采用3Dmax軟件對(duì)垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行，采用Polylactic acid材料及3D打印機(jī)對(duì)垃圾桶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工、組裝，基于STC89C51技術(shù)[7]和傳感器技術(shù)[8-10]對(duì)垃圾桶的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 自動(dòng)打包換袋垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)打包換袋垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體如下：①STC89C51單片機(jī)作為自動(dòng)打包換袋垃圾桶的中央處理器，是整個(gè)裝置數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)和邏輯控制的中心。②觸摸開(kāi)關(guān)用于判斷使用者下達(dá)的工作命令，給中央處理器判斷工作模式提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。③滑動(dòng)式弧型桶蓋內(nèi)部有一條齒帶，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)與舵機(jī)相連，在舵機(jī)的控制下可以完成上下滑動(dòng)；同時(shí)對(duì)桶蓋進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)，在桶蓋關(guān)閉時(shí)不僅可以隔絕桶內(nèi)異味，還能阻斷垃圾桶內(nèi)部的病毒細(xì)菌向外擴(kuò)散。④熱紅外人體傳感器為系統(tǒng)提供了視覺(jué)平臺(tái)，當(dāng)有人靠近或離開(kāi)垃圾桶時(shí)會(huì)向中央處理器反饋2種不同的信號(hào)。⑤激光對(duì)射傳感器通過(guò)記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回并被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，來(lái)計(jì)算垃圾袋距傳感器的距離，進(jìn)而判斷垃圾袋是否到達(dá)指定高度。⑥氣泵通過(guò)硅膠軟管與彈簧吸盤(pán)相連，通過(guò)氣泵抽氣使彈簧吸盤(pán)內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)進(jìn)而吸附垃圾袋，完成垃圾袋的抓取工作。⑦封口設(shè)備采用2組電熱絲，加熱電熱絲到一定溫度再與垃圾袋接觸可以融化垃圾袋進(jìn)而完成垃圾袋的封口工作。⑧溫度傳感器用于判斷電熱絲是否達(dá)到預(yù)值，給中央處理器的下一步工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。⑨傳動(dòng)板上組裝著彈簧吸盤(pán)、電熱絲和溫度傳感器，2塊傳動(dòng)板通過(guò)正反絲螺母與雙絲絲桿相連，是整個(gè)垃圾桶的傳動(dòng)裝置，可以通過(guò)控制傳動(dòng)板的移動(dòng)進(jìn)而控制吸盤(pán)的移動(dòng)。⑩壓緊板主要負(fù)責(zé)在垃圾袋撐開(kāi)后，將垃圾袋壓在彈簧吸盤(pán)上，保證在氣泵斷電后垃圾袋不滑落。?垃圾袋固定裝置由滾筒和夾板組成，把垃圾袋纏繞在滾筒上再通過(guò)底部夾板將垃圾袋固定在豎直方向。

2.2 自動(dòng)打包換袋垃圾桶的控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由中央處理器、觸摸模塊、電源模塊、傳感器模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、加熱模塊和負(fù)壓模塊7部分組成。主控模塊采用STC89C51單片機(jī)，擁有32個(gè)可編程的I/O口線、輸入和輸出均為電頻信號(hào)。觸摸模塊由1個(gè)觸摸開(kāi)關(guān)組成，通過(guò)使用者的觸摸次數(shù)判斷垃圾桶的工作模式。電源模塊由12 V直流蓄電池和太陽(yáng)能電池板組成，在有光的條件下，太陽(yáng)能電池板可以將光能轉(zhuǎn)換為電能持續(xù)為蓄電池充電[11]；在無(wú)光的條件下，可以直接接通電源為蓄電池充電，保證系統(tǒng)電量的供應(yīng)。傳感器模塊由人體紅外傳感器模塊和激光對(duì)射傳感器模塊組成。人體紅外傳感器模塊用于檢測(cè)是否有人靠近垃圾桶，為中央處理器控制滑動(dòng)式弧形桶蓋的開(kāi)啟與關(guān)閉提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；激光對(duì)射傳感器模塊用于檢測(cè)垃圾袋是否上升到指定區(qū)域，為中央處理器控制傳動(dòng)板的合離提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)模塊主要由步進(jìn)電機(jī)和雙絲絲桿組成，步進(jìn)電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器相連。當(dāng)中央處理器下達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令后，步進(jìn)電機(jī)會(huì)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)進(jìn)而控制傳動(dòng)板的合、離。加熱模塊采用電熱絲，在中央處理器下達(dá)封口命令后，電熱絲開(kāi)始加熱，當(dāng)電熱絲加熱到達(dá)指定溫度后會(huì)對(duì)垃圾袋進(jìn)行熱熔封口。負(fù)壓模塊主要由氣泵和彈簧吸盤(pán)及硅膠軟管組成，在中央處理器下達(dá)換袋命令后，氣泵抽氣，吸盤(pán)與垃圾袋接觸后，吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，會(huì)吸附垃圾袋，然后控制吸盤(pán)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而完成換袋工作。自動(dòng)打包換袋垃圾桶的控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)打包換袋垃圾桶的控制系統(tǒng)

2.3 自動(dòng)打包換袋垃圾桶的工作運(yùn)行流程

2.3.1 自動(dòng)打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程

當(dāng)使用者靠近自動(dòng)打包換袋垃圾桶時(shí)，熱紅外人體傳感器會(huì)接收到特定波長(zhǎng)的紅外線信號(hào)，然后傳感器會(huì)將所接收到的信號(hào)傳遞到中央處理器（STC89C51），中央處理器經(jīng)過(guò)判斷后會(huì)向弧形桶蓋控制系統(tǒng)下達(dá)開(kāi)蓋命令，弧形桶蓋隨之打開(kāi)；當(dāng)使用者遠(yuǎn)離自動(dòng)打包換袋垃圾桶后，熱紅外人體傳感器將失去特定波長(zhǎng)的紅外線信號(hào)，然后傳感器會(huì)再次向中央處理器傳遞數(shù)據(jù)，中央處理器經(jīng)過(guò)判斷后會(huì)向弧形桶蓋控制系統(tǒng)下達(dá)關(guān)蓋命令，弧形桶蓋隨之關(guān)閉。自動(dòng)打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程圖

2.3.2 自動(dòng)打包換袋垃圾桶打包換袋工作流程

當(dāng)使用者按下觸摸開(kāi)關(guān)后中央處理器會(huì)收到相應(yīng)的信號(hào)，中央處理器收到信號(hào)后會(huì)判斷相應(yīng)的工作模式。若啟動(dòng)打包模式，中央處理器會(huì)下達(dá)加熱指令，當(dāng)電熱絲加熱到180°后溫度傳感器會(huì)向中央處理器傳遞信號(hào)，隨后中央處理器會(huì)向運(yùn)動(dòng)模塊下達(dá)正轉(zhuǎn)命令，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)N圈，2塊傳動(dòng)板相擠壓對(duì)垃圾袋進(jìn)行熱熔封口，t秒后，步進(jìn)電機(jī)會(huì)在中央處理器的命令下反轉(zhuǎn)N圈回到初始位置，隨后紅色LED燈閃爍提醒使用者提走垃圾袋，至此封口工作完成；若啟動(dòng)換袋模式，使用者在更換第一個(gè)垃圾袋時(shí)，需要手動(dòng)提起第一個(gè)垃圾袋，當(dāng)垃圾袋到達(dá)預(yù)定位置后，激光對(duì)射傳感器會(huì)收到“異?！毙盘?hào)，隨后傳感器會(huì)將信號(hào)傳遞給中央處理器，當(dāng)中央處理器收到信號(hào)后會(huì)向運(yùn)動(dòng)模塊下達(dá)正轉(zhuǎn)命令，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)N圈，2塊傳動(dòng)板相擠壓，使彈簧吸盤(pán)與垃圾袋接觸，隨后氣泵組開(kāi)始通電工作，吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)，在大氣壓的影響下吸盤(pán)會(huì)吸附垃圾袋[12]，m秒后電機(jī)反轉(zhuǎn)N圈，垃圾袋會(huì)在吸盤(pán)的吸附下隨著傳動(dòng)板的向外移動(dòng)而隨之撐開(kāi)，當(dāng)傳動(dòng)板回到初始位置后，壓緊板開(kāi)始工作，將垃圾袋壓在吸盤(pán)上，隨后吸盤(pán)斷電藍(lán)色LED燈閃爍t秒。

因所有垃圾袋是連在一起的，當(dāng)使用者提走一個(gè)打包完畢的垃圾袋時(shí)，一個(gè)新的垃圾袋會(huì)隨之被提起，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)激光對(duì)射傳感器傳遞的信號(hào)自動(dòng)完成更換垃圾袋的工作。自動(dòng)打包換袋垃圾桶打包換袋流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)打包換袋垃圾桶打包換袋流程圖

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC89C51單片機(jī)為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了人體感應(yīng)、自動(dòng)打包換袋等主要功能。人體紅外傳感器模塊監(jiān)測(cè)到有人靠近或離開(kāi)垃圾桶時(shí)，垃圾桶自動(dòng)開(kāi)/合蓋，電熱絲擠壓垃圾袋完成封口，氣泵吸附垃圾袋完成換袋。本產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，并響應(yīng)智慧城市建設(shè)號(hào)召，在未來(lái)有很好的發(fā)展前景。