郭金鑫 郝 勇* 彭培瑾

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，帶給我們?cè)S許多多的便利條件，但是形式多樣，數(shù)量眾多的垃圾也隨之而來(lái)，這些垃圾給我們?nèi)粘Ｉ钪袔?lái)了諸多不便和困擾。而且農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤其迅速，導(dǎo)致垃圾產(chǎn)量的速度以一個(gè)非常迅猛的速度發(fā)展，使得垃圾對(duì)我們環(huán)境的影響很大而且從另一個(gè)方面來(lái)講，垃圾其實(shí)是錯(cuò)誤放置的優(yōu)勢(shì)資源，并且我們國(guó)家的人口基數(shù)大，這就是不可多得的豐富資源，所以本設(shè)計(jì)致力于設(shè)計(jì)一款方便快捷的家用智能垃圾桶。

根據(jù)熊建橋、陸衛(wèi)等所在的南京一所高校的設(shè)計(jì)為例，由機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、軟件程序等部分組成，采用皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、剪式機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)等，融合紅外感應(yīng)傳感器、金屬傳感器等，運(yùn)用典型STC89C51 控制芯片，初步實(shí)現(xiàn)桶自動(dòng)開(kāi)合、檢測(cè)分類(lèi)、壓縮儲(chǔ)存等功能。研究分析其優(yōu)點(diǎn)在于整體布局及設(shè)計(jì)完善，有較高的工作可靠性。但缺點(diǎn)也較為明顯，設(shè)備較大，不易同比例縮?。灰在w鑫為代表的吉林省長(zhǎng)春市一研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的成果為例，其包括殼體、滑道、分類(lèi)倉(cāng)、傳動(dòng)及支撐裝置、拍照裝置、控制器及外置服務(wù)器等，主要工作原理為當(dāng)垃圾被投入殼體時(shí)，先由滑道傳送至拍照裝置，然后拍攝信息傳送至外置服務(wù)器進(jìn)行辨別與比對(duì)，然后精確分類(lèi)信息傳回，然后由控制器控制傳動(dòng)裝置將此垃圾傳送至相應(yīng)的垃圾分類(lèi)倉(cāng)。此設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于能實(shí)現(xiàn)精確的信息分類(lèi)，但是其核心部件精密，維護(hù)成本高對(duì)家庭來(lái)說(shuō)實(shí)用性不大；由王東興的發(fā)明專(zhuān)利可知，裝置包括傳送帶運(yùn)輸裝置，材質(zhì)感應(yīng)裝置和精確識(shí)別裝置。工作原理簡(jiǎn)短為，當(dāng)垃圾被扔進(jìn)投料口時(shí)，感應(yīng)裝置立即檢測(cè)出該垃圾的屬性，促使投料口某一側(cè)的擋板自動(dòng)縮進(jìn)去，進(jìn)而帶動(dòng)擋片板向料筒壁擺動(dòng)，讓垃圾進(jìn)入屬于自己的料筒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垃圾的分類(lèi)處理。可實(shí)現(xiàn)垃圾高效的分類(lèi)處理，但是噪音大，屬工業(yè)用垃圾分類(lèi)裝置，不適宜家用。此外根據(jù)市場(chǎng)研究中的智能分類(lèi)垃圾箱相關(guān)資料分析，有些設(shè)計(jì)組織提出給生活物品外包裝加RFID 電子標(biāo)簽，并且給智能分類(lèi)垃圾桶加裝電子射頻儀器，這樣做雖然理論效果好，但是實(shí)際生活中可能會(huì)出現(xiàn)較大問(wèn)題，因?yàn)槿绻獍b含有金屬成分，那么將會(huì)影響電子射頻儀的正常識(shí)別，而且如果電子標(biāo)簽在物品使用的時(shí)候造成損壞的話，對(duì)于識(shí)別也會(huì)有相當(dāng)大的影響，況且給生活物品加裝電子標(biāo)簽及布置電子射頻垃圾箱造價(jià)十分高昂，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)將會(huì)有極大困難。

本文設(shè)計(jì)了一款集多種功能于一體智能分類(lèi)垃圾裝置，包括有機(jī)高分子識(shí)別、紅外線檢測(cè)垃圾投入、STC89C51 芯片控制桶蓋開(kāi)合、特制桶蓋防止異味擴(kuò)散，并將上述功能進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使其所覆蓋的綜合能力更加全面，以此達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

1 整體方案設(shè)計(jì)

首先要選取恰當(dāng)?shù)牡胤揭约扒‘?dāng)?shù)姆绞浇o垃圾箱進(jìn)行供電(電源、電池兩種方式)，當(dāng)有人進(jìn)行垃圾投放時(shí)，如果明確垃圾類(lèi)型可直接打開(kāi)相應(yīng)類(lèi)別的桶蓋直接進(jìn)行投放，若不明確垃圾類(lèi)型時(shí)，可將垃圾置于筒體外的小型有機(jī)高分子傳感識(shí)別裝置的附近，傳感識(shí)別裝置將會(huì)進(jìn)行識(shí)別，將垃圾的熱輻射狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)判斷該垃圾由何種物質(zhì)組成，再進(jìn)行分類(lèi)，最后將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)所屬類(lèi)型桶蓋以便直接進(jìn)行投放，然后，當(dāng)垃圾被投入時(shí)，將干擾垃圾桶內(nèi)置的紅外線感應(yīng)裝置的電信號(hào)，從而控制垃圾桶蓋延時(shí)3 秒后自主關(guān)閉。另外，因?yàn)榇死鋷缀跄茏R(shí)別和統(tǒng)一分類(lèi)儲(chǔ)存所有的家庭生活垃圾，為了能夠避免異味的散發(fā)，4 個(gè)分類(lèi)垃圾桶蓋內(nèi)襯將用一種由皮料、軟木、活性炭粉和香料粉組成然后熱熔機(jī)壓制而成的新材料。從而幫助人們識(shí)別不同垃圾類(lèi)型進(jìn)而指導(dǎo)垃圾分類(lèi)同時(shí)對(duì)垃圾無(wú)異味化處理，以達(dá)到本次研究與設(shè)計(jì)的最終目的。

2 垃圾桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次所設(shè)計(jì)的家用智能分類(lèi)垃圾桶注重結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，將力求解決垃圾在家庭進(jìn)行初步分類(lèi)的所有問(wèn)題，制作成的垃圾桶將會(huì)有高分子識(shí)別未知垃圾類(lèi)型、紅外線感應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉桶蓋、防異味擴(kuò)散等實(shí)用功能。

2.1 結(jié)構(gòu)概念圖

圖1 智能垃圾桶結(jié)構(gòu)概念圖

與常規(guī)垃圾桶進(jìn)行比較，此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：

2.1.1 較為沉重的供電設(shè)備(電池)位于整體內(nèi)部的下方，較為牢靠不易傾覆。

2.1.2 位于垃圾桶蓋內(nèi)側(cè)設(shè)置的4 個(gè)紅外傳感器在不進(jìn)行工作時(shí)會(huì)被垃圾桶蓋覆蓋進(jìn)行保護(hù)，可延長(zhǎng)其精密部件的使用壽命。

2.1.3 4 個(gè)垃圾桶蓋的合頁(yè)部分位置居中，使用一個(gè)金屬舵裝置就可以實(shí)現(xiàn)整體對(duì)于垃圾桶蓋的操控，大大節(jié)約內(nèi)部空間。

2.2 垃圾桶流程

當(dāng)垃圾準(zhǔn)備投進(jìn)上圖所示的垃圾桶時(shí)，運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 垃圾桶工作流程

上述流程圖可以清晰直觀的了解到此智能分類(lèi)垃圾桶運(yùn)行工作時(shí)的具體步驟。若能辨別垃圾種類(lèi)，可自主手動(dòng)打開(kāi)垃圾桶蓋進(jìn)行投放，若不能，需將垃圾置于桶外設(shè)置的有機(jī)高分子傳感器進(jìn)行識(shí)別。

2.3 垃圾桶三維結(jié)構(gòu)

3 硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 有機(jī)高分子傳感組件

本設(shè)計(jì)所采用的有機(jī)高分子傳感器為西克集成智能傳感器，此傳感器的工作原理為，當(dāng)有物體(垃圾)靠近傳感器時(shí)，系統(tǒng)自主進(jìn)行垃圾材料信息的采集，同時(shí)將垃圾的熱輻射狀態(tài)快速轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可識(shí)別的電信號(hào)，以此來(lái)匹配系統(tǒng)內(nèi)部所包含的不同垃圾種類(lèi)的信息，來(lái)達(dá)到對(duì)垃圾種類(lèi)的精確識(shí)別，此過(guò)程在1.5 秒內(nèi)完成，經(jīng)過(guò)測(cè)試，對(duì)目標(biāo)垃圾的識(shí)別準(zhǔn)確度在97%左右，足以滿足設(shè)備對(duì)日常生活中所出現(xiàn)的各類(lèi)垃圾實(shí)現(xiàn)精確識(shí)別的要求。此傳感器的優(yōu)勢(shì)在于，能較為準(zhǔn)確的感應(yīng)微弱的電信號(hào)提高了精度，改善了系統(tǒng)的抗干擾能力減小了誤差。

圖3 垃圾桶外觀結(jié)構(gòu)圖

圖4 垃圾桶內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 紅外線感應(yīng)及STC89C51 芯片控制

當(dāng)集成智能傳感器精確識(shí)別垃圾種類(lèi)工作完成后，下一步銜接的動(dòng)作為垃圾桶蓋的開(kāi)合便于垃圾的投放。傳感器識(shí)別判斷出垃圾種類(lèi)之后，STC89C51 芯片接收控制垃圾桶蓋打開(kāi)的指令，芯片控制由直流電機(jī)、減速電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的MG996R 金屬舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)垃圾桶蓋的打開(kāi)工作；當(dāng)垃圾被投入時(shí)，在垃圾投放口處設(shè)置的紅外線感應(yīng)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)出垃圾已被投入完成后，然后由STC89C51 芯片控制MG996R 金屬舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋的延時(shí)3 秒關(guān)閉，目的方便于垃圾的完全投放。

3.3 防異味擴(kuò)散垃圾桶蓋

本垃圾桶設(shè)置了4 個(gè)垃圾分類(lèi)倉(cāng)，所以對(duì)應(yīng)設(shè)置4 個(gè)分類(lèi)垃圾桶蓋，此垃圾桶蓋的設(shè)計(jì)為桶蓋內(nèi)襯將用一種由皮料、軟木、活性炭粉和香料粉組成然后熱熔機(jī)壓制而成的新材料。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，此新型防異味垃圾桶蓋能有效減小垃圾腐敗散發(fā)出的難聞氣味，來(lái)大大減少垃圾產(chǎn)生的難聞氣味對(duì)民眾日常生活的困擾。

3.4 設(shè)計(jì)整體尺寸

本著保證設(shè)計(jì)功能完全實(shí)現(xiàn)的前提下，經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)布局的多次設(shè)計(jì)為了盡可能達(dá)到體積小、重量輕的目的，進(jìn)行了大量資料的查閱和可行性分析，最終把理論樣機(jī)的尺寸設(shè)定為底邊長(zhǎng)寬都為42.5 厘米、高度為53 厘米?？傊亓坎怀^(guò)3.2 千克。并且上述出現(xiàn)的設(shè)計(jì)材料價(jià)格相對(duì)低廉容易獲取。

通過(guò)對(duì)上述各個(gè)功能部分的論述，本設(shè)計(jì)已經(jīng)能彌補(bǔ)市面上具有代表性的智能分類(lèi)垃圾桶的常見(jiàn)問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單方便快捷和維修護(hù)理難度小價(jià)格相對(duì)低廉的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 此垃圾桶可附加功能

根據(jù)垃圾桶所放置的地區(qū)不同，可根據(jù)當(dāng)?shù)孛袼滋攸c(diǎn)和文化特征來(lái)對(duì)外觀進(jìn)行更改和改進(jìn)來(lái)彰顯當(dāng)?shù)靥厣?；亦可根?jù)個(gè)人不同的個(gè)人喜好進(jìn)行涂鴉或者噴繪，當(dāng)放置在室內(nèi)公共區(qū)域例如地下車(chē)庫(kù)等其他光線較暗的區(qū)域時(shí)，可對(duì)垃圾桶輪廓進(jìn)行熒光噴涂以便可以快速找到并且避免發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)符合國(guó)家對(duì)于垃圾分類(lèi)的方向要求，有利于幫助民眾進(jìn)行合理的垃圾分類(lèi)，有利于加快建設(shè)和諧發(fā)展的綠色生態(tài)國(guó)家。其中所包含的有機(jī)高分子識(shí)別、紅外線檢測(cè)垃圾投入、STC89C51 芯片控制桶蓋開(kāi)合、特制桶蓋防止異味擴(kuò)散等功能會(huì)在日常生活中提供可靠且合理的幫助，在很大程度上滿足了市場(chǎng)需求。