摘要：在追求高品質(zhì)生活和環(huán)保意識日益增強的今天，室內(nèi)生活垃圾的處理成為了一個亟待解決的問題。傳統(tǒng)垃圾桶由于空間利用率低、頻繁更換垃圾袋等問題，不僅給家庭帶來不便，還加劇了白色污染。針對這一挑戰(zhàn)，提出了一種創(chuàng)新的室內(nèi)小型可壓縮垃圾的垃圾桶設(shè)計（以下簡稱壓縮垃圾桶）。用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過單片機AT89S51進行控制，配合小程序?qū)崿F(xiàn)垃圾的自動壓縮，有效減少了垃圾體積，降低了垃圾清理的頻率，并減少了垃圾袋的使用。與傳統(tǒng)垃圾桶相比，壓縮垃圾桶在提升家庭使用體驗的同時，也有助于減少環(huán)境污染，具有顯著的實用價值和社會意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)智能環(huán)保自動控制智能垃圾桶

中圖分類號：TP29

ExplorationoftheDesignandImplementationofIntelligentCompressibleGarbageBin

HEYiZHANGYanZHAOYikai

SchoolofInformationScienceandEngineering，DalianOceanUniversity，Dalian，LiaoningProvince，116023China

Abstract：Inpursuitofahigh-qualitylifeandtheincreasingawarenessofenvironmentalprotectiontoday，thedisposalofindoordomesticwastehasbecomeanurgentissuetobeaddressed.Traditionalgarbagebins，withtheirlowspaceutilizationandfrequentneedforbagreplacement，notonlybringinconveniencetohouseholdsbutalsoexacerbatetheproblemofwhitepollution.Inresponsetothischallenge，thispaperproposesaninnovativedesignforanindoorminicompressiblegarbagebin（hereinafterreferredtoasthe"compressiblegarbagebin"）.ThedesignutilizesInternetofThingstechnology，controlled byamicrocontrollerAT89S51，andworksinconjunctionwithanapplettoachieveautomaticcompressionofgarbage，effectivelyreducingthevolumeofgarbage，loweringthefrequencyofgarbagedisposal，anddecreasingtheuseofgarbagebags.Comparedtotraditionalgarbagebins，thecompressiblegarbagebinsnotonlyenhancetheuserexperienceathomebutalsohelpstoreduceenvironmentalpollution，demonstratingsignificantpracticalvalueandsocialsignificance.Thisstudyaimstoprovideamoreefficientandenvironmentallyfriendlysolutionforindoorgarbagemanagementthroughtechnologicalinnovation.

KeyWords：InternetofThings;Intelligentenvironmentalprotection;Automaticcontrol;Intelligentgarbagebin

針對當前市面上所存在的垃圾桶大多功能較為單一、型號較大不便于家居使用的問題，如一種可以通過語音識別實現(xiàn)垃圾分類的智能垃圾桶[1]，本文的設(shè)計方向為用于室內(nèi)的小型壓縮垃圾桶，旨在對垃圾桶的垃圾壓縮過程進行優(yōu)化，改善室內(nèi)生活垃圾過多、多次清理的不便、資源利用率不足等問題；降低垃圾袋更換頻率，追求更加智能化、自動化的生活方式。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1系統(tǒng)方案設(shè)計

基于對市面上垃圾桶的功能以及社會需求的分析，壓縮垃圾桶以單片機AT89S51為控制中心，結(jié)合檢測模塊、控制模塊、電機驅(qū)動模塊及其外圍電路構(gòu)成了垃圾桶的智能控制和管理部分[2-3]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

1.2垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)一般家用垃圾桶的尺寸，本次設(shè)計的壓縮垃圾桶尺寸為：300mm×300mm×400mm；壓縮垃圾桶由控制系統(tǒng)、輔助小程序和垃圾桶主體構(gòu)成，其中垃圾桶主體分為壓縮部分、除臭吸附部分、踏板開蓋部分。電動壓縮垃圾桶由桶身、內(nèi)膽、前后兩塊壓板、步進電機、電池、滾珠絲桿、直線軸承固定座、軸承座、導桿支撐座、滑軌、滑塊、背板、拉板、腳踏、蓋子、除臭蓋、除臭盒、活性炭網(wǎng)、銷、轉(zhuǎn)軸、底座、蓋子推桿、底座和螺絲螺母等所組成本設(shè)計的壓縮垃圾桶有3個功能，分別是垃圾自動壓縮功能、腳踏開蓋功能和垃圾除

1.3壓縮功能設(shè)計

本設(shè)計的壓縮機構(gòu)由前后兩塊壓板、步進電機、電池、滾珠絲桿、直線軸承固定座、軸承座、導桿支撐座、滑軌、滑塊、背板和拉板等所組成。通過步進電機經(jīng)由聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，使安裝在滾珠絲桿上的直線軸承固定座下移，而直線軸承固定座帶動拉板一并下移，拉板（圖3側(cè)面白色立板）帶動前后兩塊壓板（圖3綠色部分）下移并對垃圾桶內(nèi)的垃圾進行壓縮，最終通過電機提供動力完成對垃圾的自動壓縮功能。通過設(shè)計拉板的整體高度及前后兩塊壓板本身的桿的長度，最終電動壓縮垃圾桶可以將垃圾壓縮到垃圾桶的2/3。根據(jù)設(shè)計的壓縮垃圾桶的三維設(shè)計模型，截取壓縮垃圾桶在自動壓縮垃圾時的不同階段的剖視圖如圖3所示。當不需要對垃圾進行壓縮時，拉板帶動前后壓板上移，前后壓板分開后分別架在垃圾桶內(nèi)膽圓弧切面上，不影響垃圾的投放。

2硬件設(shè)計

2.1主控模塊

AT89C51是一款功能豐富的8位單片機，具有可編程閃存存儲器、外設(shè)接口、中斷處理能力和低功耗特性等。AT89C51與Intel8051系列單片機兼容，還擁有兩種不同的節(jié)電工作方式可供選擇。它廣泛應用于多種嵌入式系統(tǒng)和控制應用中，包括智能家電、汽車電子、工業(yè)自動化和消費電子等領(lǐng)域。通過單片機輸出PWM波，并與電路中一些相應的儲能元件配合，改變了輸送到電樞電壓的幅值，從而實現(xiàn)電機的停止和啟動的目的。電機經(jīng)由聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，使安裝在滾珠絲桿上的直線軸承固定座下移，直線軸承固定座帶動拉板下移，拉板帶動前后兩塊壓板下移并對垃圾桶內(nèi)的垃圾進行壓縮，最終通過步進電機完成對垃圾的自動壓縮功能。

2.2電源模塊

電源模塊以7805芯片進行穩(wěn)壓以后為單片機提供5V的電壓。7805結(jié)構(gòu)組成是用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源，所需的外圍元件極少，7805三端穩(wěn)壓集成電路電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。

2.3檢測模塊

使用超聲波模塊檢測容器內(nèi)雜物的裝載程度。單片機會向超聲波模塊發(fā)送一個至少持續(xù)10μs的高電平信號，這個信號被稱為“Trig”信號。接收到Trig信號后，超聲波模塊會自動發(fā)出8個頻率為40kHz的超聲波方波。當這些超聲波遇到容器內(nèi)的雜物后，它們會反射回來。模塊會檢測這些反射回來的超聲波信號。一旦檢測到反射回來的超聲波，模塊會在“Echo”端口輸出一個高電平信號。單片機會使用內(nèi)部的定時器來測量Echo端口高電平的持續(xù)時間，然后根據(jù)測量到的時間來計算超聲波與雜物之間的距離。

2.4電機驅(qū)動模塊

51單片機的最大電壓為5V，最大輸出電流為10mA。不能依靠單片機引腳去驅(qū)動電機，因此需要借助電機驅(qū)動芯片來完成。本系統(tǒng)采用L298N芯片。將電機連接到L298N芯片的輸出端口，以便控制電機的轉(zhuǎn)向。電源連接到L298N芯片的VCC和GND引腳，確保電壓和電流與電機的需求相匹配。將控制信號連接到L298N芯片的IN1、IN2引腳。連接L298N芯片的ENA引腳到單片機的數(shù)字引腳（P1.0），以控制電機的開啟和關(guān)閉，再通過使用相應的程序來控制L298N芯片，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)向和速度控制；檢測模塊對應的I/O口變成高電平，電機則在L298N控制下進行工作，當電機轉(zhuǎn)速小于2r/s時前后壓板完成壓縮，檢測模塊對應的I/O變?yōu)榈碗娖?，電機停止工作，前后壓板停止壓縮。

2.5通信模塊

信號傳輸是物聯(lián)網(wǎng)的核心，云服務器是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理及存儲站，是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分[4]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用使得智能垃圾桶的操作變得更加便捷，如一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能垃圾桶管理系統(tǒng)實現(xiàn)實時檢測和智能管理的垃圾桶[5]

本設(shè)計在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制方面采用云端控制，通過ESP8266通信模塊和小程序的方式來實現(xiàn)遠程控制和報警功能。使用騰訊云服務器來達到設(shè)計要求，將單片機的RX、TX引腳與ESP8266的TX、RX引腳相連（即交叉相連）并將波特率設(shè)為相同值來實現(xiàn)串行通信。利用串口助手發(fā)送指令及固件使其連接服務器。

本設(shè)計選用ESP8266的PDU模式，PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送數(shù)字和英文信息，數(shù)據(jù)傳輸通過MQTT協(xié)議實現(xiàn)。使用MQTT協(xié)議時，可以在云服務器上創(chuàng)建一個MQTTbroker，ESP8266模塊將數(shù)據(jù)發(fā)布到broker上，云服務器訂閱broker獲取數(shù)據(jù)；使用HTTP協(xié)議時，ESP8266模塊向云服務器發(fā)送HTTP請求，將數(shù)據(jù)上傳到云端。在本系統(tǒng)中出現(xiàn)事件時，需要主控制器通過ESP8266給用戶發(fā)送信息。當系統(tǒng)中的任一傳感器檢測到異常時，控制系統(tǒng)會按照預先設(shè)置好的內(nèi)容發(fā)送給用戶。在與主控板連接時，需預先將其與PC連接進行測試，利用串口助手將ESP8266連接到TCP服務器。發(fā)送AT+CIPSTART="協(xié)議模式"，"服務端IP地址"，端口號建立連接，發(fā)送AT+CIPMODE=1，開啟透傳模式。然后，再發(fā)送AT+CIPSEND，才真正開始透傳發(fā)送。此時，發(fā)送的任何數(shù)據(jù)，能夠直接傳輸?shù)椒掌髋c單片機進行數(shù)據(jù)傳輸。

3軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計，便于設(shè)計、調(diào)試和維護，可以增強系統(tǒng)的可靠性。壓縮垃圾桶軟件流程圖如圖5所示。系統(tǒng)開機后，進行初始化并檢測各個傳感器工作狀態(tài)，系統(tǒng)進行判斷是否收到壓縮指令，若沒收到指令，判斷垃圾量，若到達超聲波傳感器設(shè)置高度就向用戶發(fā)送提示，沒滿則重新檢測各個傳感器直到垃圾高度達到壓縮設(shè)定高度，到達設(shè)定壓縮高度后進行壓縮同時向用戶反饋信息，壓縮完成后重新檢測各個傳感器狀態(tài)并向用戶反饋。對于垃圾滿箱檢測時，若桶內(nèi)剩余空間小于設(shè)定值，垃圾桶蓋都會自動閉合，防止異味散出；并通過小程序提醒用戶及時清理。

4小程序設(shè)計

為了提高用戶的使用體驗以及服務質(zhì)量，本文設(shè)計了與壓縮垃圾桶控制系統(tǒng)相輔相成的小程序啟動系統(tǒng)，終端部分采用微信小程序使用戶控制垃圾桶的工作狀態(tài)。終端利用微信開發(fā)者工具開發(fā)微信小程序。微信開發(fā)者工具能幫助微信后臺頁面的開發(fā)者更便捷、安全地調(diào)試微信內(nèi)的網(wǎng)頁，而無須去借助一些模擬類軟件。微信開發(fā)者工具開發(fā)原理是集成了ChromeDevTools和基本的移動調(diào)試模塊，可進行微信內(nèi)網(wǎng)頁調(diào)試與微信小程序調(diào)試，開發(fā)的小程序具有獨有的優(yōu)勢，優(yōu)勢如下：微信小程序無須下載安裝、體驗流暢、與微信生態(tài)融合可以大大降低開發(fā)成本和運營成本，不用單獨下載App，更為大眾所接受[6]。小程序控制器程序流程圖如圖6所示，啟動后可通過小程序看到界面結(jié)果如圖7所示。當高度超過預設(shè)值時，小程序?qū)@示到如圖8所示。

連接到Wi-Fi與服務器，再將程序?qū)胛⑿判〕绦蜷_發(fā)工具中，修改文件信息與8266中信息相同，點開調(diào)試工具上傳，即可連接設(shè)備。

5結(jié)語

本設(shè)計以環(huán)境保護為出發(fā)點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；推進更現(xiàn)代化、智能化、環(huán)保化的生活方式。本設(shè)計采用SolidWorks將各機構(gòu)方案進行建模，以此更為直觀地了解之間對各個機構(gòu)的設(shè)計，化方案為具體模型。本文對自動壓縮垃圾桶的總體設(shè)計已經(jīng)全部完成，包括三維建模、二維工程圖以及各種零部件的計算選型，但一些模塊的智能化還有待改善，離真正的智能家居還存在一定的距離。本文所設(shè)計的壓縮垃圾桶功能較多，使用方便，確切滿足了當代家庭對垃圾打包需求，壓縮功能有效提高了資源與空間使用率，具有一定的現(xiàn)實意義與使用價值。

參考文獻

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