馬宗正，彭勁周，王清臣，王凱飛，張乾助

（1.河南工程學院 機械工程學院，鄭州 451191；2.上蔡縣恒通機械有限公司，上蔡縣 463800）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市垃圾處理也變得越來越嚴峻[1]。目前我國垃圾處理的主要方法有填埋、熱解氣化、焚燒發(fā)電及堆肥，無論是哪一種處理方法，垃圾的收集與運輸是必不可少的一個在重要環(huán)節(jié)[2]，因此垃圾收集和運輸設備成為垃圾處理領域的研究熱點[3,4]。

由于垃圾密度較小，在收集和運輸過程中導致體積龐大，大大增加了成本，因此垃圾在收集的同時進行壓縮然后再運輸已經成為一種有效減少垃圾體積、運輸量、場地和腐化性的方法。目前垃圾壓縮方法有兩種，一種是埋地式垃圾壓縮站[5]，一種是移動式垃圾壓縮站[6]，地埋式垃圾壓縮站垃圾壓縮處理能力要強于移動式垃圾壓縮站，移動式垃圾壓縮站機動性較強，為此移動式垃圾壓縮站在人口相對集中，但是場地受限制的地方應用較為廣泛。

目前，移動式垃圾壓縮站的設計主要從提高垃圾壓縮力[7]、液壓系統(tǒng)自動化控制程度[8,9]、智能故障診斷的效率[10]等方面進行優(yōu)化設計，特別是控制方面，無論是垃圾的收集還是壓縮，基本還是采用獨立按鈕分別控制，自動化控制方面還有待改進，為此針對移動式垃圾壓縮站控制系統(tǒng)進行了設計。

1 總體方案設計及選擇

1.1 移動式垃圾壓縮站工作原理

移動式垃圾壓縮站的基本結構如圖1所示，主要包括收料斗、提料液壓缸、推壓液壓缸、推壓板、尾門液壓缸、箱體、控制面板及液壓泵站組成。其中，收料斗負責收集垃圾，提料液壓缸負責將收料斗提升進而將垃圾倒入垃圾箱內，推壓液壓缸通過推動推壓板實現垃圾的壓縮，尾門液壓缸實現垃圾箱體的密封，箱體是垃圾存儲裝置，控制面板通過控制系統(tǒng)實現壓縮站的控制，液壓泵站提供需要的動力。

其工作過程如下：當載有垃圾的車輛，通過自卸或人工的方式將垃圾倒入收集料斗1內，啟動控制開關，提料液壓缸3伸出，將收集料斗1提升至收集箱的上方把垃圾倒入垃圾箱6的前半部分；然后推壓液壓缸4伸出壓縮垃圾，反復壓縮3次，然后回到初始位置。當垃圾箱內部垃圾裝滿時，由專用轉運車拉到垃圾填埋場，啟動尾門控制開關，尾門液壓缸7伸出，尾門開啟并傾倒垃圾，之后尾門液壓缸復位鎖緊后門。

圖1 移動式垃圾壓縮站結構示意圖

1.2 控制系統(tǒng)總體方案

如前所述，目前移動式垃圾壓縮站基本采用獨立按鍵控制，自動化程度不高，為此本設計采用了一鍵式控制系統(tǒng)，即按一次即可實現翻斗翻轉上料、垃圾壓縮、翻料斗回位等操作。

為此，移動式垃圾壓縮站的控制系統(tǒng)包括溫度信號處理模塊、單片機模塊、數據存儲模塊、數字開關量處理模塊、電源模塊、顯示模塊、數據傳輸模塊及報警模塊等部分，如圖2所示。

其中，溫度信號處理模塊是用于測量液壓系統(tǒng)的溫度，起到保護作用；單片機模塊用于接收控制指令進而實現壓縮站系統(tǒng)控制，同時還包括系統(tǒng)保護；數據存儲模塊能夠對壓縮次數、系統(tǒng)溫度等數據進行存儲；數字開關量處理模塊負責接收外部按鈕控制；電源模塊負責整個控制系統(tǒng)的供電；顯示模塊顯示本機垃圾處理次數及當前系統(tǒng)工作溫度；數據傳輸模塊能夠實現單片機存儲數據的讀?。粓缶K根據系統(tǒng)溫度，確定是否超過安全值，如果超過安全值則以蜂鳴器的方式報警。

圖2 控制系統(tǒng)結構框圖

2 移動式垃圾壓縮站硬件設計

根據控制系統(tǒng)的總體結構，硬件系統(tǒng)設計主要包括單片機最小系統(tǒng)、溫度信號處理系統(tǒng)、數據存儲器模塊、電源模塊、顯示模塊、數據傳輸模塊、報警模塊及數字開關量處理模塊等部分。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)包括單片機、復位電路和時鐘電路，如圖3所示。本系統(tǒng)采用8位單片機AT89C52，該單片機包含8K的可編程FLASH，256B的RAM，32個I/O口，五個中斷源、兩個16位定時器，完全滿足外部輸入和控制輸出通道數的要求；復位電路采用上電復位方式；時鐘電路晶振11.0592MHz。

圖3 最小系統(tǒng)

2.2 溫度處理系統(tǒng)設計

系統(tǒng)工作溫度的測量采用K型熱電偶，處理模塊選用MAX6675，該模塊能夠對K型熱電偶進行冷端補償、線性化、放大、A/D轉換等作用[11]，其硬件系統(tǒng)如圖4所示。

MAX6675具有12bit轉換精度，其輸出數據和實際溫度之間的關系如下式所示：

式中，Temp為實際測量溫度，℃；

Num為轉換后的數字量，最大值為4095。

圖4 溫度采集和轉換電路

2.3 數據存儲系統(tǒng)設計

數據存儲模塊要求斷電不丟失，為此選用了EEPROM型存儲器，因為溫度變化較緩慢，所以對溫度的測量為每半分鐘1次，溫度傳感器MAX6675輸出的12位數據經標度變換后只占1個字節(jié)（油溫上限85℃），一般垃圾壓縮站一天的工作次數在20～30次左右，每次工作時間3分鐘，則每天記錄1個溫度傳感器檢測的數據需要的存儲空間大小為：

1(B)×2(次/min) ×90(min)=180Byte≈0.18kB

對于運輸次數，每天為30次，每個記錄數據占1個字節(jié)，則記錄1天的數據所需要的存儲空間大小為：

1(B)×30次=30Byte ≈0.03kB

粗略估計，每天存儲的數據量為0.2kB，按照每一個月讀取一次數據來算，大約需要6kB的存儲空間，在考慮經濟性的基礎上，選擇AT24C64，該芯片的存儲空間為8kB，能夠滿足存儲要求。

需要說明的是該芯片的讀取需要遵循IIC協(xié)議[12]，但是所采用的52單片機沒有IIC通訊端口，為此采用軟件模擬IIC通信協(xié)議，其電路連接如圖5所示。

圖5 AT24C64與單片機的連接

2.4 電源設計

系統(tǒng)各芯片所需電源都是DC +5V。先將交流220V降為12V；再整流為直流+12V；穩(wěn)壓濾波后輸出穩(wěn)定的DC +5V。

2.5 顯示模塊設計

顯示采用液晶顯示模塊，選用LCD1602液晶模塊，其灰調節(jié)采用10k電阻和1k電阻進行分壓的模式，與單片機的連接如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路

2.6 串口通信

由于單片機輸出是T T L電平，而P C輸出是-12～+12V電平，所以需要一個MAX232串口通信模塊芯片，構成電平轉換電路，實現通信時電平信號的匹配，其連接電路如圖7所示，其中C1-和C2-表示連接點，分別連接電容的一端。

圖7 MX232串口通信電路

同時編寫了上位機程序，將存儲的數據上傳到上位機，如圖8所示。該軟件采用VB編寫，上位機接收到的數據可以*.text格式存儲，便于其他軟件的調用分析。

圖8 上位機界面

2.7 報警裝置設計

報警系統(tǒng)設計較為簡單，采用蜂鳴器的方式進行報警。液壓油一般工作溫度最高85℃，當溫度超過85℃時，溫度報警蜂鳴器響，對應的指示燈亮，其控制連接如圖9所示。

圖9 聲音報警電路

2.8 開關量處理模塊

在壓縮站工作過程中，工作的開始需要按鈕控制、液壓缸極限位置需要限位開關控制，同時還涉及到垃圾壓縮箱堆滿報警的限位開關，而這些控制開關的共同點是其輸出的全部是開關量，可以直接輸出給單片機，在此不再贅述。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 主流程

移動式垃圾壓縮站上電后液壓系統(tǒng)開始工作，當檢測到工作按鈕按下后開始工作，依次進行翻斗倒入垃圾、推頭自動壓縮垃圾、溫度檢測、垃圾箱填滿及數據傳輸等程序，主流程圖如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)流程圖

3.2 翻料斗工作流程

翻料斗工作開始與否取決于工作按鈕，當工作按鈕按下時翻斗開始上升，直到達到限位開關，然后開始下降，直到另一限位開關，翻斗停止工作，進入下一步垃圾壓縮過程，流程如圖11所示。

圖11 垃圾入箱過程

圖12 垃圾壓縮過程

圖13 垃圾填滿報警

圖14 溫度過高報警

圖15 數據傳輸

3.3 垃圾壓縮流程

垃圾入箱后，需要對垃圾進行壓縮，此時推頭前進，直到遇到限位開關，然后返回，遇到限位開關停止工作，同時進行計數，當完成3次壓縮后進入溫度檢測程序，流程如圖12所示。

3.4 其他子程序

判斷垃圾箱是否填滿、溫度是否超過限值及是否進行數據傳輸，均利用標志數據進行判斷，其過程基本一致，在此不再贅述，只給出流程圖，具體如圖13～圖15所示。

4 實物測試

控制系統(tǒng)設計完成后，結合液壓系統(tǒng)進行了組裝調試，完成的移動式垃圾壓縮站如圖16所示。

圖16 移動式垃圾壓縮站實物圖

同時對該壓縮站進行了測試，測試內容包括有效容積、自重、推鏟運行時間、壓縮壓力及壓縮比，其中最大壓縮力可達210kN，壓縮比可達2:1以上，其他測試數據詳如表1所示。壓縮站能夠完成垃圾收集與壓縮等功能，達到了設計目的。

表1 實訓臺測試結果

5 結束語

根據實際工程需要設計了移動式垃圾壓縮站一鍵式控制系統(tǒng)，通過硬件和軟件的設計完成了控制系統(tǒng)的設計，并進行了實機測試，測試結果表明，所設計的控制系統(tǒng)能夠實現垃圾的自動收集和壓縮，達到了預期目標。