張顏+袁昊+陳延貴+張?chǎng)?周陽+劉友英

摘 要：此智能垃圾桶主要由紅外線探測(cè)裝置，機(jī)械裝置和連桿機(jī)構(gòu)組成，擁有自動(dòng)升降開合蓋及自動(dòng)打包功能，是集機(jī)、光、電于一體的高科技新產(chǎn)品，具有性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，耗電低等優(yōu)點(diǎn)。小組成員已驗(yàn)證了其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與實(shí)用性，并制作出垃圾桶成品。

關(guān)鍵詞：紅外線傳感器，機(jī)械連桿，智能垃圾箱

前言：

垃圾桶是社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，處于公共場(chǎng)合的它是一個(gè)國(guó)家國(guó)民素質(zhì)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的側(cè)面反映物。①現(xiàn)如今公共場(chǎng)合中的垃圾桶多數(shù)是無蓋或需要手動(dòng)打開蓋子的，雖然國(guó)家一直倡導(dǎo)民眾保護(hù)環(huán)境垃圾入箱，但是效果并不如人意，很大一部分原因在于人們雙手不愿接觸垃圾桶，總是將垃圾扔在桶邊或桶蓋上，使得桶內(nèi)“一無所有”，桶外“垃圾遍地”。故此，具備自動(dòng)開合功能的智能垃圾桶應(yīng)運(yùn)而生。智能垃圾桶使人們無需接觸垃圾桶的任何部位即可投放垃圾，環(huán)保衛(wèi)生；也可在不外接電源的情況下依靠普通電池運(yùn)行，耗電低，使用壽命長(zhǎng)；此外它的密封性能較之傳統(tǒng)垃圾桶更好，減少了感染病菌的機(jī)率，防止了垃圾異味溢出，確保四周空氣清新。但市面上智能垃圾桶價(jià)格普遍偏高，故我們研究目的在于降低智能垃圾桶的制造成本，使其在公共場(chǎng)合普及，希望我們此次關(guān)于垃圾桶改良的想法能夠得以實(shí)現(xiàn)。

功能分析：

我們對(duì)于此項(xiàng)目的初步設(shè)想：垃圾桶為雙層，具有外壁與內(nèi)膽，在兩層中間架設(shè)線路以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，該垃圾桶主要功能為自動(dòng)固定，自動(dòng)打包與自動(dòng)感應(yīng)開合。對(duì)于這些功能我們初設(shè)研究技術(shù)路線為：以力學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶的位置的控制；通過紅外線感應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及一系列傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)桶蓋開關(guān)的控制；通過重力實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾自動(dòng)打包。以下為垃圾桶三個(gè)主要功能的分析：

一、自動(dòng)固定功能：

技術(shù)難點(diǎn)：

1）如何運(yùn)用摩擦角或其他固定裝置如吸盤進(jìn)行固定。

2）可解除固定裝置的設(shè)計(jì)。

3）在降低成本的基礎(chǔ)上，力求簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)。

組成結(jié)構(gòu)：

固定桿，搖桿與特制吸盤。

裝置原理：

1）吸盤原理 ②

平直型真空吸盤的工作原理如下敘述：首先將真空吸盤通過搖桿與附著物（玻璃、地面等）接觸，通過搖桿壓平吸盤，使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)氣壓，從而將接觸物吸牢，完成固定。當(dāng)想要解除固定時(shí)，再次用力壓平吸盤，輕輕提起吸盤邊緣，吸盤內(nèi)吸入氣體，使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓，真空吸盤即可脫離接觸物，從而完成解除固定。

2）杠桿原理

當(dāng)對(duì)垃圾桶中較大的桿件施加一個(gè)向上的力時(shí)，吸盤上部受到向下的力，吸盤排氣，則與地面緊密接觸，可達(dá)到固定的目的。當(dāng)想要解除固定時(shí)，給較大的桿件施加一個(gè)向上力，此時(shí)吸盤與地面充分接觸。同時(shí)，給較小的桿件一個(gè)向下的力，吸盤接觸端便被輕輕提起，吸盤內(nèi)部吸入空氣，此時(shí)吸盤解除固定。③

二、自動(dòng)打包功能

技術(shù)難點(diǎn)：

1）如何設(shè)計(jì)特殊搖桿尾部結(jié)構(gòu)，使其能簡(jiǎn)便安裝橡皮圈，同時(shí)在按下外部圓環(huán)時(shí)可及時(shí)釋放橡皮圈。

2）如何確定固定桿固定的位置，使得打包時(shí)垃圾袋內(nèi)部的垃圾盡量多，避免垃圾袋浪費(fèi)。

3）如何簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低成本，提高裝置的靈敏度，同時(shí)美化外觀。

裝置原理：

當(dāng)垃圾袋中的垃圾達(dá)到一定體積與重量，打開垃圾桶蓋，解除內(nèi)桶上端的固定垃圾袋的圓環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，垃圾袋釋放，同時(shí)收緊留在外端的細(xì)繩，此時(shí)垃圾袋扎緊，打包成功。

三、自動(dòng)感應(yīng)開合功能

技術(shù)難點(diǎn)：

1）紅外線感應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)與測(cè)試。

2）械連桿傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與安裝。

3）箱蓋開合時(shí)間的控制。

裝置原理：

人體具有恒定體溫，一般在37度左右，所以會(huì)發(fā)出大約波長(zhǎng)為10微米的紅外線，當(dāng)紅外線聚集紅外線感應(yīng)源上，感應(yīng)器內(nèi)的元件在接收到人體輻射溫度變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路檢測(cè)出來后就將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，即有人靠近傳感器輸出高電平，反之輸出低電平。若有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，傳感器輸出將一直為高電平，人離開后延時(shí)變?yōu)榈碗娖?。?/p>

紅外感應(yīng)器得到輸入信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過處理成為一個(gè)控制電路。即有物體出現(xiàn)在垃圾桶上方時(shí)，得到與沒有物體時(shí)不同的信號(hào)。再經(jīng)過電路使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過相應(yīng)的傳動(dòng)裝置使得桶蓋升降，達(dá)到自動(dòng)控制的目的，其中傳動(dòng)裝置即是由機(jī)械連桿構(gòu)成。

軟硬件調(diào)試：

調(diào)試通常包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試以及整體聯(lián)調(diào)，但軟件與硬件的設(shè)計(jì)又是獨(dú)立的，因此在硬件完成之前就要配合做軟件調(diào)試以尋出不適當(dāng)?shù)牡胤?，而硬件也是在無完整軟件條件下進(jìn)行調(diào)試的。在完成所有硬件設(shè)計(jì)后，就要對(duì)軟硬件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試過程即測(cè)試電路以及程序運(yùn)行方式是否滿足設(shè)計(jì)結(jié)果，以找出設(shè)計(jì)不合理的地方。以下為制作過程中主要爭(zhēng)執(zhí)點(diǎn)：

一、芯板上電路連接：

為實(shí)現(xiàn)紅外線感應(yīng)開合，需要自行設(shè)計(jì)電路與焊接電路，初始焊接時(shí)我們采用電烙鐵手動(dòng)焊接，在進(jìn)行演示時(shí)卻發(fā)現(xiàn)焊接點(diǎn)精度不足，垃圾桶在接收信號(hào)后不能及時(shí)作出反應(yīng)。故我們嘗試用protues軟件先進(jìn)行模擬，再做pcb打樣文件進(jìn)行打樣，效果較手動(dòng)更為好些。

二、電池和齒輪電機(jī)固定問題：

一些成員考慮到資金有限與制作條件的問題，不同意把齒輪再另外固定在架子上，認(rèn)為前期做好后黏在板子上即可。而另一些認(rèn)為齒輪裝配誤差比較大，另外弄個(gè)架子可以使安裝更精準(zhǔn)方便，經(jīng)過協(xié)商最終選擇了后一種方案，即齒輪另外固定。

三、感應(yīng)開合的精準(zhǔn)性問題：

在初期嘗試階段，垃圾桶自動(dòng)開合功能并不理想，有時(shí)沒東西靠近它也會(huì)自動(dòng)打開，而真正需要扔?xùn)|西的時(shí)候，它卻反應(yīng)遲鈍需要感應(yīng)好幾秒才開啟，對(duì)于這個(gè)問題我們很難準(zhǔn)確控制時(shí)間。我們覺得如果在使用pcb打樣后還不能對(duì)他進(jìn)行精準(zhǔn)控制的話，后期將把單片機(jī)控制應(yīng)用到其中，以匯編語言程序控制開合⑤。雖然會(huì)加大我們的工作量，但效果可能更佳。

垃圾箱現(xiàn)狀與發(fā)展：

據(jù)分析，現(xiàn)在在公共場(chǎng)合普遍使用的垃圾箱主要存在以下問題：一、垃圾桶普遍需要人接觸才能開蓋投入垃圾，不能滿足人們高節(jié)奏的生活與工作需要，且人們的心理并不愿與之接觸，故使得垃圾放置比較隨意。二、除卻有蓋垃圾箱，一些無蓋垃圾箱不具備一點(diǎn)點(diǎn)密封性，故垃圾箱附近異味巨大，極易滋生細(xì)菌、寄生蟲，極大危害了附近人們的身體健康。

在計(jì)算機(jī)高速發(fā)展與各種傳感技術(shù)逐漸成熟的今天，自動(dòng)化設(shè)備快速進(jìn)入到人們生活，各種智能機(jī)械設(shè)備為人們節(jié)約了許多人力、財(cái)力與物力。在智能化社會(huì)中，智能垃圾桶只能說是發(fā)展的必然趨勢(shì)。

由于物質(zhì)文明與精神文明的發(fā)展，垃圾桶在改善人居環(huán)境，體現(xiàn)城市特色中的作用顯得尤為重要。⑥從垃圾入桶來講，人們普遍不愿接觸垃圾桶，而我們項(xiàng)目設(shè)計(jì)的初衷就在于解放人們?nèi)永碾p手，我們以自動(dòng)升降開合門提醒人們?nèi)永⒉辉谛枰麄兣c垃圾桶接觸，減少了許多病菌問題。

日本山本教授認(rèn)為地球的承載極限不是人和物，而是環(huán)境，即污染源。而污染源需要一個(gè)容器或處理器，故我認(rèn)為垃圾桶的研究將不間斷的持續(xù)下去，也期待這個(gè)新型垃圾桶能夠得到大眾的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

①《機(jī)械工程師》2016年第四期

②《真空吸盤的真空負(fù)壓吸附原理》趙艷妮編，真空技術(shù)網(wǎng)

③《理論力學(xué)》王永廉、唐國(guó)興編，第二版，機(jī)械工業(yè)出版社，2011.7

④紅外線感應(yīng)器說明書

⑤《單片機(jī)原理及應(yīng)用》徐泳龍編，第二版，機(jī)械工業(yè)出版社，2013.12

⑥《中國(guó)化工報(bào)》2016-6-17

作者簡(jiǎn)介：

張顏（1996.1），女，漢族，江蘇東海人，本科，南京工程學(xué)院，學(xué)生，研究方向：過程裝備與控制工程.