一種防病毒外溢的智能垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)＊

黃 河，李新杰，孔令強(qiáng)

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

1 研究背景

在疫情爆發(fā)的特殊時(shí)期，世界各地的醫(yī)療垃圾大量產(chǎn)生，這些垃圾主要集中在醫(yī)院附近且往往附著著大量的病毒，任病毒的傳播不僅會(huì)造成環(huán)境污染，還有可能引起疫情的再次爆發(fā)。

醫(yī)療垃圾桶作為醫(yī)療廢物的承載器具，內(nèi)部自然含有大量的有害病毒，屬于病毒傳播的源頭。如此，減少醫(yī)療垃圾桶桶內(nèi)病毒擴(kuò)散的問題顯得尤為重要。目前世界上的智能垃圾桶的研究還處于初步階段，大部分的智能垃圾桶只能做到自動(dòng)開蓋[3-4]，用于醫(yī)療的智能垃圾桶更是少之又少。國內(nèi)的醫(yī)用垃圾桶依舊是以高密度聚乙烯原料注塑成型的腳踏式垃圾桶為主，雖然這種垃圾桶有一定的密封性，但垃圾桶內(nèi)的病毒依然容易擴(kuò)散，在這個(gè)特殊的時(shí)期存在很大的安全隱患。如果能設(shè)計(jì)一款醫(yī)用的智能垃圾桶，使其擁有密閉空間[5]的同時(shí)還具備負(fù)壓的功能[6]以及消毒功能[7]，就能有效地對(duì)病毒進(jìn)行防控。

2 醫(yī)療智能垃圾桶的總體設(shè)計(jì)

2.1 醫(yī)療智能垃圾桶的研究目的和研究思路

2.1.1 研究目的

在新冠疫情爆發(fā)的環(huán)境下，對(duì)病毒的防控顯得尤為重要。醫(yī)院作為當(dāng)下時(shí)期人流量的較大的地區(qū)，對(duì)病毒的防控要更加地細(xì)致入微。針對(duì)現(xiàn)有醫(yī)療垃圾桶病毒防控效果差的問題設(shè)計(jì)一種防病毒外溢的醫(yī)療智能垃圾桶，包括內(nèi)外雙桶的設(shè)計(jì)、內(nèi)部的負(fù)壓設(shè)計(jì)以及桶蓋處的密封設(shè)計(jì)和桶口處的消毒設(shè)計(jì)。這款垃圾桶在桶蓋未打開時(shí)，垃圾桶內(nèi)部時(shí)刻處于密封負(fù)壓狀態(tài)，有效防止病毒外溢；在垃圾桶蓋打開時(shí)，產(chǎn)生對(duì)桶內(nèi)氣流，向垃圾桶內(nèi)部吸附病毒，同時(shí)在桶蓋打開時(shí)還能在桶口處噴灑霧狀84消毒液對(duì)病毒進(jìn)行初步的滅活處理。整個(gè)垃圾桶功能的實(shí)現(xiàn)可以有效降低病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 研究思路

主要研究思路如下：①利用密封橡膠條氣密性和負(fù)壓的吸附性使桶蓋緊貼在桶口處，在垃圾桶內(nèi)部桶形成密封環(huán)境，用以防止桶內(nèi)部的病毒向桶外擴(kuò)散；②利用紅外人體傳感器對(duì)人體恒定體溫發(fā)射的特定波長（人體在37℃會(huì)發(fā)射10 μm左右的紅外線）紅外線的針對(duì)性檢測(cè)（其他物體發(fā)出的紅外線不會(huì)被接收），針對(duì)人體進(jìn)行探測(cè)識(shí)別；③利用負(fù)壓風(fēng)扇和單向氣閥相結(jié)合的單向抽風(fēng)性[8]，可以對(duì)垃圾桶內(nèi)部進(jìn)行降壓處理，制造負(fù)壓環(huán)境；④利用84消毒液的氧化性在桶口處對(duì)病毒進(jìn)行氧化滅活處理；⑤利用空氣濾清器對(duì)垃圾桶內(nèi)部的空氣進(jìn)行消毒除菌處理[9]。

2.2 智能醫(yī)療垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

醫(yī)療智能垃圾桶結(jié)構(gòu)的6部分具體如下：①熱紅外人體傳感器[10]為系統(tǒng)提供了視覺平臺(tái)，充當(dāng)著智能負(fù)壓垃圾桶的眼睛，為中央處理器分析周圍環(huán)境和下一步行動(dòng)決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。②STC89C51單片機(jī)作為智能醫(yī)療垃圾桶的中央處理器[11]，是整個(gè)裝置的數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)和邏輯控制的中心。③負(fù)壓風(fēng)扇和單向氣閥作為智能醫(yī)療垃圾桶的負(fù)壓裝置，在垃圾桶打開時(shí)可以引導(dǎo)氣流對(duì)內(nèi)流動(dòng)（從桶口流向桶底的氣體過濾裝置），防止病毒從桶口處擴(kuò)散；在垃圾桶關(guān)閉時(shí)可以抽出桶內(nèi)的空氣，為垃智能醫(yī)療圾桶的內(nèi)部制造負(fù)壓環(huán)境，避免病毒外溢。④滑動(dòng)式弧型桶蓋[12]，通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與舵機(jī)相連。在待機(jī)時(shí)，桶蓋關(guān)閉且與密封橡膠條緊密相貼，保證氣密性，有效阻斷垃圾桶內(nèi)部病毒向外擴(kuò)散；工作時(shí)，在打開或關(guān)閉的瞬間引起的氣流變化較小，不易引起桶內(nèi)病毒擴(kuò)散。⑤消毒液噴灑裝置在弧型桶蓋打開或關(guān)閉時(shí)，在垃圾桶桶口處噴灑霧狀的84消毒液，對(duì)病毒進(jìn)行簡單的滅活處理；⑥微型空氣濾清器作為智能醫(yī)療垃圾桶的氣體凈化裝置，與單向氣閥相連接，會(huì)將負(fù)壓風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所引導(dǎo)的氣流進(jìn)行凈化，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)病毒防控。

2.3 醫(yī)療智能垃圾桶的模塊化控制設(shè)計(jì)

醫(yī)療智能垃圾桶的控制系統(tǒng)由中央處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊、消毒模塊、負(fù)壓模塊以及動(dòng)力模塊6部分組成，如圖1所示。中央處理器采用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)；電源模塊由太陽能電池板和12 V直流蓄電池組成，2塊6 V PET型太陽能電池板可以持續(xù)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氣壓傳感器模塊組成，型號(hào)為HC-SR501的人體紅外傳感器模塊用于檢測(cè)是否有人靠近垃圾桶，型號(hào)為BMP280的氣壓傳感器模塊用于檢測(cè)桶內(nèi)氣壓的高低；消毒模塊用于控制置于桶口處的霧化器噴灑與停止；負(fù)壓模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)負(fù)壓風(fēng)扇組的開啟與關(guān)閉；動(dòng)力模塊用于控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 醫(yī)療智能垃圾控制系統(tǒng)

2.4 醫(yī)療智能垃圾桶的工作運(yùn)行流程

當(dāng)醫(yī)用智能負(fù)壓垃圾桶的使用者靠近垃圾桶時(shí)，熱紅外人體傳感器會(huì)接收到特定波長的紅外線信號(hào)，然后將所接收到的信號(hào)傳遞到中央處理器（STC89C51），中央處理器經(jīng)過判斷后會(huì)向弧形桶蓋控制系統(tǒng)下達(dá)開蓋命令，弧形桶蓋在齒輪傳動(dòng)裝置和舵機(jī)的帶動(dòng)下打開；桶蓋打開后，垃圾桶內(nèi)部的氣壓會(huì)瞬間增大，置于垃圾桶內(nèi)部的氣壓傳感器檢測(cè)到異常氣壓后會(huì)向中央處理器反饋信號(hào)，中央處理器經(jīng)過判斷后會(huì)同時(shí)向消毒噴灑系統(tǒng)發(fā)出噴灑指令和風(fēng)扇控制系統(tǒng)發(fā)出工作指令。

之后，置于垃圾桶桶口處的消毒噴灑裝置會(huì)向桶口處噴灑出霧狀消毒液，與此同時(shí)負(fù)壓風(fēng)扇開始高速運(yùn)轉(zhuǎn)，氣流從桶口處流向桶底部經(jīng)過單向氣閥流入的過濾盒，最終流向桶外。t秒后，消毒噴灑裝置自動(dòng)停止噴灑，負(fù)壓風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)使用者遠(yuǎn)離醫(yī)療智能負(fù)壓垃圾桶后，特定波長的紅外線會(huì)消失，熱紅外人體傳感器將失去信號(hào)，之后傳感器會(huì)再次向中央處理器傳遞信號(hào)，中央處理器在經(jīng)過判斷后會(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，垃圾桶內(nèi)部回到密封環(huán)境，垃圾桶內(nèi)部的氣壓隨之開始降低。當(dāng)桶內(nèi)氣壓降到一定數(shù)值后，氣壓傳感器會(huì)將檢測(cè)到的信號(hào)反饋到中央處理器，中央處理器接收到信號(hào)后會(huì)對(duì)負(fù)壓風(fēng)扇系統(tǒng)發(fā)出停止工作指令。負(fù)壓風(fēng)扇隨之停止運(yùn)轉(zhuǎn)。至此醫(yī)療智能負(fù)壓垃圾桶完成一次工作流程，如圖2所示。

圖2 醫(yī)療智能負(fù)壓垃圾桶工作流程圖

2.5 醫(yī)療智能垃圾桶的能耗

醫(yī)療智能垃圾桶的能耗如表1所示。

表1 醫(yī)療智能負(fù)壓垃圾桶的能耗

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC89C51為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了人體感應(yīng)、負(fù)壓防疫、開蓋消毒等主要功能。人體紅外傳感器模塊監(jiān)測(cè)到有人靠近或離開垃圾桶時(shí)，垃圾桶自動(dòng)開/合蓋，氣壓傳感器模塊檢測(cè)桶內(nèi)氣壓高于預(yù)值時(shí)，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)降低桶內(nèi)氣壓，防止病毒外溢。本產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)了防疫政策和智慧城市建設(shè)需求，在未來有很好的發(fā)展前景。