許成年，楊應(yīng)洪，王浩宇，桑慶林，尹顯明

(西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心,四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，現(xiàn)代廚房在不斷追求智能化的同時(shí)也在追求節(jié)能環(huán)保[1]。針對(duì)廚房生活垃圾處理問題，現(xiàn)有的廚房垃圾粉碎機(jī)通常利用研磨錘在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力將垃圾擊碎，再通過齒板、齒條的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行再次切割、研磨，粉碎后的垃圾隨下水道沖走[2]。目前，這類產(chǎn)品技術(shù)不夠成熟，通常存在工作時(shí)噪聲大、破碎不徹底等問題。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了一款以STM32單片機(jī)為控制核心的新型廚房生活垃圾處理裝置。

1 廚房生活垃圾處理裝置總體設(shè)計(jì)

該裝置選擇型號(hào)為STM32F103單片機(jī)作為主控制器，選用AMS1117-3.3與AMS1117-5型號(hào)的兩款DC-DC穩(wěn)壓器作為電源部分，分別實(shí)現(xiàn)3.3 V與5 V電壓的維穩(wěn)[3]，結(jié)合霍爾傳感器、語音模塊等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效運(yùn)行。主控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢酝ㄟ^物理按鍵或者語音模塊對(duì)裝置進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作；霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流的變化，將采集到的電流值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給主控板；報(bào)警模塊在采集返回的電流值超過閾值時(shí)，發(fā)出警報(bào)，并立即停止裝置的運(yùn)行；外置的顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示裝置的運(yùn)行情況。該裝置采用靜音電機(jī)降低了破碎時(shí)噪聲,同時(shí)在裝置腔體的外圍附有隔音棉，進(jìn)一步增強(qiáng)了降噪的能力。

圖1 主控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 垃圾處理裝置的結(jié)構(gòu)

借助SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了垃圾處理裝置的結(jié)構(gòu)，該裝置總體尺寸為230 mm×230 mm×350 mm，主要由三級(jí)研磨機(jī)構(gòu)及控制檢測(cè)模塊等構(gòu)成，如圖2所示。首先，由電機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)撕裂刀片組1實(shí)現(xiàn)一級(jí)破碎，然后生活垃圾進(jìn)入下方的第二腔體；由電機(jī)6帶動(dòng)磨盤7轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)刀片及研磨錘2也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下，粉碎后的生活垃圾與刀片之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得生活垃圾被再次撕碎，實(shí)現(xiàn)二級(jí)破碎；最后，在離心力作用下，垃圾被研磨錘2在過濾壁3上不斷研磨，實(shí)現(xiàn)三級(jí)研磨。控制檢測(cè)模塊的核心元件是霍爾傳感器4，霍爾傳感器4檢測(cè)電機(jī)6和電機(jī)8運(yùn)行時(shí)的電流值來判斷是否出現(xiàn)電機(jī)卡死的情況，并將檢測(cè)信號(hào)反饋給主控。

1-撕裂刀片組；2-研磨錘；3-過濾壁；4-霍爾傳感器；5-主控；6，8-電機(jī)；7-磨盤

本裝置采用的撕裂刀片如圖3所示。該撕裂刀片的材質(zhì)為合金工具鋼，具有硬度高、耐磨性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可將較大的廚余生活垃圾撕裂并送入二級(jí)研磨腔，提高了研磨效率，可滿足廚余生活垃圾的破碎需求。

圖3 撕裂刀片

該裝置可擴(kuò)展使用，三維安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。將該裝置置于洗碗槽2的下方，頂部接口直接與洗碗槽2相連，安裝方便。廚余垃圾從洗碗槽2與裝置的接口進(jìn)入裝置，在經(jīng)過三級(jí)的破碎研磨后，隨著水流排入下水道。裝置右側(cè)增設(shè)了洗碗機(jī)的拓展接口4，可配合家用洗碗機(jī)3使用，將洗碗機(jī)3工作時(shí)產(chǎn)生的污水再次利用，水流配合裝置達(dá)到更好的研磨效果，提高了該裝置的實(shí)用性。裝置右下方接口6與下水道相連，垃圾在研磨完全之后通過接口6排出。

1-OLED顯示；2-洗碗槽；3-洗碗機(jī)；4-洗碗機(jī)水管；5-紫外線消毒模塊；6-下水道接口；7-STM32主控；8-開關(guān)；9-霍爾傳感器；10-電源；11-破碎機(jī)；12-語音模塊和報(bào)警模塊

2.2 傳感器模塊

裝置增加的語音功能模塊以及報(bào)警功能需要用到霍爾電流傳感器和語音傳感器，如圖5所示。

圖5 各傳感器模塊

霍爾電流傳感器具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)。在垃圾處理裝置工作時(shí)，由于過載或異物卡頓導(dǎo)致電機(jī)卡住的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生較大電流，通過該傳感器檢測(cè)電流知道電機(jī)是否卡住，如果卡住后會(huì)斷電保護(hù)，再通過報(bào)警模塊提醒用戶，進(jìn)一步增強(qiáng)了該裝置的安全性。

選用LD3320語音控制模塊來控制廚房垃圾處理裝置，實(shí)現(xiàn)了基于聽覺的人機(jī)交互方式來控制裝置，用戶通過語音模塊便可控制裝置的運(yùn)行。

2.3 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警[4]，其工作原理如圖6所示。蜂鳴器BEEP1一端接3.3 V電源，一端通過三極管連接單片機(jī)端口并接地。當(dāng)輸入高電平時(shí)，電路堵塞，蜂鳴器關(guān)閉。輸入低電平時(shí)，電路連通，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)，表示裝置運(yùn)行出現(xiàn)問題發(fā)出警報(bào)。

圖6 報(bào)警模塊工作原理

3 軟件設(shè)計(jì)

編程軟件選擇較為常見的Keil，編程語言選擇基礎(chǔ)的C語言。外部傳感器獲取運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋到裝置，系統(tǒng)得到響應(yīng)。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行流程

該裝置上電，系統(tǒng)初始化，用戶可以通過語音模塊或者按鍵啟動(dòng)裝置。在運(yùn)行過程中，霍爾電流傳感器分別檢測(cè)兩個(gè)電機(jī)的電流參數(shù)，并及時(shí)反饋到主控單元，再通過對(duì)電流參數(shù)值的判斷進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)裝置的有效運(yùn)行。

4 小結(jié)

該裝置結(jié)合了單片機(jī)技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)，采用逐級(jí)破碎研磨生活垃圾，提高了破碎效率。利用霍爾傳感器對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，注重靜音設(shè)計(jì)，減少了噪聲污染。該裝置具有操控方便、實(shí)用性強(qiáng)且成本低廉等特點(diǎn)，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。