黃 河，李新杰，曲宏博

（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

在智慧城市建設(shè)不斷深化的影響下，越來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始的僅能自動開蓋[1-3]升級到現(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，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，一旦不及時清理，不僅桶內(nèi)異味會到處亂竄，還容易滋生很多小飛蟲，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還需要親自動手收拾垃圾、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)的形勢下，尤為不衛(wèi)生。針對這些問題，設(shè)計一種封閉式的可以自動打包換袋的垃圾桶可以很好地解決這些問題。

2 自動打包換袋垃圾桶的總體設(shè)計

采用3Dmax軟件對垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行，采用Polylactic acid材料及3D打印機(jī)對垃圾桶的結(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]對垃圾桶的功能進(jìn)行設(shè)計。

2.1 自動打包換袋垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動打包換袋垃圾桶的結(jié)構(gòu)設(shè)計具體如下：①STC89C51單片機(jī)作為自動打包換袋垃圾桶的中央處理器，是整個裝置數(shù)據(jù)處理、算法實現(xiàn)和邏輯控制的中心。②觸摸開關(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滑動式弧型桶蓋內(nèi)部有一條齒帶，通過齒輪機(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；同時對桶蓋進(jìn)行了密封設(shè)計，在桶蓋關(guān)閉時不僅可以隔絕桶內(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)提供了視覺平臺，當(dāng)有人靠近或離開垃圾桶時會向中央處理器反饋2種不同的信號。⑤激光對射傳感器通過記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回并被接收所經(jīng)歷的時間，來計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氣泵通過硅膠軟管與彈簧吸盤相連，通過氣泵抽氣使彈簧吸盤內(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傳動板上組裝著彈簧吸盤、電熱絲和溫度傳感器，2塊傳動板通過正反絲螺母與雙絲絲桿相連，是整個垃圾桶的傳動裝置，可以通過控制傳動板的移動進(jìn)而控制吸盤的移動。⑩壓緊板主要負(fù)責(zé)在垃圾袋撐開后，將垃圾袋壓在彈簧吸盤上，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底部夾板將垃圾袋固定在豎直方向。

2.2 自動打包換袋垃圾桶的控制設(shè)計

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個可編程的I/O口線、輸入和輸出均為電頻信號。觸摸模塊由1個觸摸開關(guān)組成，通過使用者的觸摸次數(shù)判斷垃圾桶的工作模式。電源模塊由12 V直流蓄電池和太陽能電池板組成，在有光的條件下，太陽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射傳感器模塊組成。人體紅外傳感器模塊用于檢測是否有人靠近垃圾桶，為中央處理器控制滑動式弧形桶蓋的開啟與關(guān)閉提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；激光對射傳感器模塊用于檢測垃圾袋是否上升到指定區(qū)域，為中央處理器控制傳動板的合離提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。運(yùn)動模塊主要由步進(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)會正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)進(jìn)而控制傳動板的合、離。加熱模塊采用電熱絲，在中央處理器下達(dá)封口命令后，電熱絲開始加熱，當(dāng)電熱絲加熱到達(dá)指定溫度后會對垃圾袋進(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，吸盤與垃圾袋接觸后，吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，會吸附垃圾袋，然后控制吸盤運(yùn)動進(jìn)而完成換袋工作。自動打包換袋垃圾桶的控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自動打包換袋垃圾桶的控制系統(tǒng)

2.3 自動打包換袋垃圾桶的工作運(yùn)行流程

2.3.1 自動打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程

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

圖2 自動打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程圖

2.3.2 自動打包換袋垃圾桶打包換袋工作流程

當(dāng)使用者按下觸摸開關(guān)后中央處理器會收到相應(yīng)的信號，中央處理器收到信號后會判斷相應(yīng)的工作模式。若啟動打包模式，中央處理器會下達(dá)加熱指令，當(dāng)電熱絲加熱到180°后溫度傳感器會向中央處理器傳遞信號，隨后中央處理器會向運(yùn)動模塊下達(dá)正轉(zhuǎn)命令，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)N圈，2塊傳動板相擠壓對垃圾袋進(jìn)行熱熔封口，t秒后，步進(jìn)電機(jī)會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；若啟動換袋模式，使用者在更換第一個垃圾袋時，需要手動提起第一個垃圾袋，當(dāng)垃圾袋到達(dá)預(yù)定位置后，激光對射傳感器會收到“異常”信號，隨后傳感器會將信號傳遞給中央處理器，當(dāng)中央處理器收到信號后會向運(yùn)動模塊下達(dá)正轉(zhuǎn)命令，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)N圈，2塊傳動板相擠壓，使彈簧吸盤與垃圾袋接觸，隨后氣泵組開始通電工作，吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)，在大氣壓的影響下吸盤會吸附垃圾袋[12]，m秒后電機(jī)反轉(zhuǎn)N圈，垃圾袋會在吸盤的吸附下隨著傳動板的向外移動而隨之撐開，當(dāng)傳動板回到初始位置后，壓緊板開始工作，將垃圾袋壓在吸盤上，隨后吸盤斷電藍(lán)色LED燈閃爍t秒。

因所有垃圾袋是連在一起的，當(dāng)使用者提走一個打包完畢的垃圾袋時，一個新的垃圾袋會隨之被提起，此時系統(tǒng)會通過激光對射傳感器傳遞的信號自動完成更換垃圾袋的工作。自動打包換袋垃圾桶打包換袋流程如圖3所示。

圖3 自動打包換袋垃圾桶打包換袋流程圖

3 結(jié)論

本設(shè)計以STC89C51單片機(jī)為主控芯片，實現(xiàn)了人體感應(yīng)、自動打包換袋等主要功能。人體紅外傳感器模塊監(jiān)測到有人靠近或離開垃圾桶時，垃圾桶自動開/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)簡單、操作方便等優(yōu)點，并響應(yīng)智慧城市建設(shè)號召，在未來有很好的發(fā)展前景。