石羽倩 汪偉君

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽·淮南 232001）

1 設(shè)計(jì)背景

垃圾分類是對垃圾收集處置傳統(tǒng)方式的改革，是對垃圾進(jìn)行有效處置的一種科學(xué)管理方法。它可以在源頭將垃圾分類投放，并通過分類的清運(yùn)和回收使之重新變成資源，是生態(tài)環(huán)境治理的關(guān)鍵詞之一。目前全國已有237個(gè)城市啟動(dòng)垃圾分類，上海、廈門、杭州、寧波、廣州、深圳等18個(gè)城市垃圾分類覆蓋率超過70%。但是，據(jù)調(diào)查很多人不能正確的區(qū)分垃圾的種類，市面上的常用垃圾桶無法進(jìn)行智能識(shí)別分類。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，對于整潔的生存環(huán)境和對高質(zhì)量生活品質(zhì)的不斷渴求，智能分類垃圾桶的提出，極大的方便了人們的生活。

本設(shè)計(jì)能夠有效地進(jìn)行垃圾類別智能識(shí)別，最大限度地實(shí)現(xiàn)垃圾資源利用，改善生存環(huán)境狀態(tài)。

2 設(shè)計(jì)方案

本智能分類垃圾桶選取單片機(jī)和舵機(jī)作為控制單元，通過語音控制實(shí)現(xiàn)方便快捷的智能垃圾分類并且能夠?qū)崿F(xiàn)煙霧報(bào)警的功能，從而進(jìn)行安全監(jiān)測，方便家居生活，而且進(jìn)一步提高了安全性。智能分類垃圾桶包括垃圾分類裝置、收集裝置、電控裝置和運(yùn)動(dòng)裝置，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 垃圾分類裝置

該分類裝置主要由傾倒板，二自由度云臺(tái)和舵機(jī)組成。采用了二自由度的可旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)，由其上方和下方的兩個(gè)舵機(jī)控制其旋轉(zhuǎn)方向和角度，能夠?qū)崿F(xiàn)水平和俯仰兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，從而可以朝下方的四個(gè)垃圾桶進(jìn)行垃圾的傾倒。四個(gè)單獨(dú)的垃圾收集裝置分別對應(yīng)四種不同的垃圾，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分類。分類機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2：分類裝置

2.2 垃圾收集裝置

垃圾的收集裝置采用了四塊相互獨(dú)立的空間（如圖1所示），分別對應(yīng)四種種類的垃圾，分別為干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾和有害垃圾，垃圾桶的內(nèi)部分別套上相應(yīng)的塑料袋以方便人們的拿取。垃圾收集空間結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3：垃圾收集結(jié)構(gòu)

2.3 電控裝置

智能分類垃圾桶的電控裝置主要由三部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。電控裝置采用stm32f103作為主控芯片，配有l(wèi)d3320語音模塊，兩路pwm信號(hào)分別控制兩個(gè)舵機(jī)的先后運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垃圾分類。同時(shí)煙霧傳感器模塊可感受到室內(nèi)煙霧濃度，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)煙霧超過正常室內(nèi)濃度時(shí)將信號(hào)傳遞給stm32單片機(jī)主控板再通過揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)并通過短信模塊向用戶手機(jī)發(fā)送火情信息。

圖4：系統(tǒng)總體框圖

2.3.1 垃圾分類功能

（1）把垃圾放入垃圾桶并說出垃圾名稱，ld3320會(huì)自動(dòng)識(shí)別人聲并區(qū)分垃圾種類，將處理后的信息通過串口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)收到指令，分別控制1號(hào)，2號(hào)舵機(jī)將垃圾送入指定區(qū)域。

（2）紅外傳感器可檢測垃圾桶內(nèi)部垃圾是否裝滿，通過調(diào)節(jié)靈敏度可實(shí)現(xiàn)：當(dāng)垃圾未裝滿時(shí)，紅外接收管接收不到紅外線，輸出端輸出狀態(tài)1；當(dāng)垃圾裝滿時(shí)，紅外線被垃圾反射，紅外接收管接收到紅外線，輸出端輸出狀態(tài)0。

（3）OLED顯示模塊通過i2c與單片機(jī)通信，將通過光電傳感器獲取的垃圾是否滿的信息顯示出來。便于人們對垃圾的處理與垃圾袋的更換。

2.3.2 火情預(yù)警功能

在垃圾桶上加裝5-30V供電的靈敏度可調(diào)的煙霧傳感器報(bào)警器，煙霧傳感器通過將外界煙霧濃度轉(zhuǎn)換為電壓大小的方式將電壓模擬量從輸出端輸出，單片機(jī)io口啟用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換功能并設(shè)置相應(yīng)濃度閾值實(shí)時(shí)監(jiān)測煙霧濃度，一旦煙霧濃度超標(biāo)，煙霧報(bào)警裝置將會(huì)發(fā)出警報(bào)。當(dāng)火災(zāi)場所發(fā)生的煙霧進(jìn)入到感煙探測器的監(jiān)測電離室，位于電離室中的檢測源镅241放射a射線，使電離室內(nèi)的空氣離成正負(fù)離子。當(dāng)煙霧進(jìn)入時(shí)，內(nèi)外電離室因極性相反，所產(chǎn)生的離子電流保持相對穩(wěn)定，處于平衡狀態(tài)；火災(zāi)發(fā)生初期釋放的氣溶膠亞微粒子及可見煙霧大量進(jìn)入檢測電離室，吸附并中和正負(fù)離子，使電離電流急劇減少，改變電離平衡狀態(tài)而輸出檢測電度信號(hào)，經(jīng)后級(jí)電路處理識(shí)別后，發(fā)出報(bào)警，并向配套監(jiān)控系統(tǒng)輸出報(bào)警開關(guān)信號(hào)。能夠?qū)崿F(xiàn)出現(xiàn)火災(zāi)隱情和燃?xì)庑孤┑臅r(shí)候進(jìn)行報(bào)警處理，提高了安全性。

2.4 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

在垃圾桶的底部加裝了麥克娜姆輪，利用麥克娜姆輪的特性能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行全方位的移動(dòng)便于在有限空間內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)。麥克納姆輪主體由輪轂和輥?zhàn)咏M成，輪轂是整個(gè)輪子的主體支架，輥?zhàn)觿t是安裝在輪轂上的鼓狀物，麥克納姆輪的輪轂軸與輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸呈45°。理論上這個(gè)夾角可以是任意值，根據(jù)不同的夾角可以制作出不同的輪子，但多為45°。驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)的電機(jī)采用的是行星減速電機(jī)。減速機(jī)一般是把輸入的低轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速通過齒輪組轉(zhuǎn)換成高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速輸出。行星齒輪減速機(jī)有兩個(gè)特點(diǎn)，第一個(gè)是輸入軸輸出軸是同軸線；第二個(gè)它有3個(gè)以上的行星齒輪，在變速中提供較大的合力矩，還有較平穩(wěn)的速度傳遞（始終有齒輪良好的嚙合）。麥克納姆輪的安裝方式采用O-長方形，四個(gè)輪子的著地點(diǎn)形成一個(gè)矩形。運(yùn)用正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（forward kinematic model）得到一系列公式，通過四個(gè)輪子的速度，計(jì)算出底盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3 工作流程

首先打開桶蓋開關(guān)，按下“1”鍵，然后長按桶身正面按鍵，發(fā)出“滴”兩聲即可正常使用。放入垃圾，垃圾桶通過自動(dòng)識(shí)別放入隔離平臺(tái)。垃圾將受到分類裝置中兩個(gè)舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)垃圾口的打開和選擇，投放至對應(yīng)區(qū)域。若垃圾滿載該裝置會(huì)自動(dòng)報(bào)警收縮好垃圾袋口，等待人們?nèi)∽摺Ｍ瑫r(shí)，該裝置還設(shè)置有煙霧報(bào)警裝置，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，產(chǎn)品會(huì)持續(xù)發(fā)出報(bào)警聲，并實(shí)時(shí)提醒發(fā)生到手機(jī)對應(yīng)APP上，由此可進(jìn)行安全監(jiān)測，方便了家居生活，進(jìn)一步提高了安全性。特別要注意地是在更換垃圾袋時(shí)要先將電源關(guān)閉，然后再打開蓋子，取出舊垃圾袋放入新的，最后關(guān)閉蓋子，打開電源。在產(chǎn)品連續(xù)“滴”兩聲后，燈帶閃爍，則需充電，充電時(shí)保持開機(jī)充電10小時(shí)，燈帶呈呼吸閃爍，充滿電后燈帶熄滅。

4 結(jié)論

此新型家庭智能分類垃圾桶能有效對垃圾進(jìn)行分類并且使用方便實(shí)現(xiàn)了語音控制，能夠檢測垃圾的存儲(chǔ)狀況并反饋，人們可以通過手機(jī)獲知其信息，并且為了遵從安全與綠色生活，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)隱情和燃?xì)庑孤╊A(yù)報(bào)，功能較完善。此裝置既適用于家庭也適用于公司、大型企業(yè)等，并且可以通過具體的需求進(jìn)行專門化改進(jìn)與設(shè)計(jì),實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。