呂汝金，蘇庚辰，徐永博

（1.桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

新時(shí)期，人們對“美好”生活環(huán)境的向往不斷促進(jìn)著環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而傳統(tǒng)的生活垃圾收集模式是造成一部分環(huán)境污染和資源難以再利用的根源之一，因此，國內(nèi)正在加速推進(jìn)生活垃圾分類制度和措施的落實(shí)[1-5]。

生活垃圾首次投放時(shí)的正確分類，是從源頭上對傳統(tǒng)垃圾收集方式的變革，也是對垃圾進(jìn)行后續(xù)高效處理和資源再利用的前提。目前，一般生活小區(qū)和街道邊有按國家垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的常規(guī)垃圾桶，但由于人們的不自覺、無意識或不了解垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)，致使生活垃圾仍然不能有效分類[6]。因此，設(shè)計(jì)一種新型智能垃圾自動分類收儲裝置，解決目前垃圾收集智能化程度不高的問題，對落實(shí)垃圾分類制度具有重要意義。

2 整體方案與工作流程

針對以上問題，設(shè)計(jì)的一種智能垃圾自動分類收儲裝置，是一個(gè)集機(jī)、電、控、測于一體的系統(tǒng)。其主要組成包括：垃圾桶機(jī)械部分，含垃圾分類機(jī)構(gòu)、垃圾壓縮機(jī)構(gòu)、垃圾分類存儲機(jī)構(gòu)和垃圾桶殼體等；控制與檢測模塊；語音與顯示模塊。垃圾桶工作流程為：用戶將垃圾投入垃圾投放口后，可以通過輸入語音或觸摸顯示屏來發(fā)出垃圾分類控制指令，由控制模塊控制垃圾分類機(jī)構(gòu)將垃圾分類投放到垃圾分類存儲機(jī)構(gòu)，如果是可壓縮的垃圾，會另行經(jīng)過壓縮機(jī)構(gòu)壓縮，再由垃圾分類機(jī)構(gòu)分類投放，以此來提高垃圾存儲量；分類收納完成后，垃圾檢測模塊可監(jiān)測各分類箱的垃圾存儲情況，并通過語音輸出模塊適時(shí)播報(bào)分類完成結(jié)果和滿量時(shí)進(jìn)行預(yù)警提醒，用戶通過觸屏顯示也可點(diǎn)擊查看垃圾分類結(jié)果和垃圾存量情況。

3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 垃圾分類機(jī)構(gòu)

垃圾分類機(jī)構(gòu)位于殼體內(nèi)的上部，其功能是承接通過殼體頂部垃圾投放口投入的垃圾，并能根據(jù)控制指令將垃圾分類投入到對應(yīng)的垃圾分類箱，其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 垃圾分類機(jī)構(gòu)Fig.1 Garbage Sorting Mechanism

機(jī)構(gòu)中上部旋轉(zhuǎn)盤開有上部旋轉(zhuǎn)盤缺口，缺口兩側(cè)向上設(shè)置有海綿側(cè)板，上部旋轉(zhuǎn)盤可在與之固接步進(jìn)電機(jī)Ⅱ帶動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)裝置旋轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)，側(cè)板帶動垃圾一起旋轉(zhuǎn)，上部旋轉(zhuǎn)盤缺口與垃圾入口相對齊時(shí)，垃圾自然下落。

與上類似，下部旋轉(zhuǎn)盤在與之固接步進(jìn)電機(jī)Ⅰ帶動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，下部旋轉(zhuǎn)盤缺口與上部旋轉(zhuǎn)盤缺口相對齊時(shí)，垃圾落入下方的分類存儲箱內(nèi)。

3.2 垃圾壓縮機(jī)構(gòu)

垃圾壓縮機(jī)構(gòu)其功能是擠壓可壓縮垃圾，擠壓后的垃圾再通過垃圾分類機(jī)構(gòu)來進(jìn)行分類投放，其結(jié)構(gòu)[7]，如圖2所示。

圖2 垃圾壓縮機(jī)構(gòu)Fig.2 Garbage Compression Mechanism

壓縮機(jī)構(gòu)固接在垃圾分類裝置的內(nèi)部，推桿套固定在上部旋轉(zhuǎn)盤上，電推桿通過推桿套導(dǎo)向，電推桿的前部固定有推塊，電推桿伸長方向朝向上部旋轉(zhuǎn)盤缺口。在實(shí)施的過程中，當(dāng)投放的垃圾在側(cè)板帶動下位于上部旋轉(zhuǎn)盤缺口位置時(shí)，電推桿啟動推動推塊持續(xù)前進(jìn)擠壓，通過推塊和桶體的側(cè)壁擠壓力完成垃圾壓縮，壓縮完成后電推桿帶動推塊復(fù)位。關(guān)鍵部件電推桿采用24V-500N-24MM/S 型，該型推力較大，可對一般易拉罐類垃圾進(jìn)行壓縮，同時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用平滑轉(zhuǎn)子，可減少摩擦和跳動，降低噪音。

3.3 垃圾分類存儲機(jī)構(gòu)

垃圾分類存儲機(jī)構(gòu)是對壓縮分類后的垃圾進(jìn)行對應(yīng)分類存儲的機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括分類箱的數(shù)量（種類）、形狀和整體布局等內(nèi)容：分類箱的數(shù)量對應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，將城市生活垃圾分為4類收納—有害垃圾、可回收垃圾、廚余垃圾和其他垃圾；在布局上，分類箱置于殼體底板上方、位于下部連接支撐板下方，呈一種“田字格”的方式分布；分類箱設(shè)計(jì)為方形、鋁合金材質(zhì)，具有向上的敞口，可以套設(shè)垃圾袋，垃圾通過下部旋轉(zhuǎn)盤缺口進(jìn)入敞口的分類箱內(nèi)。垃圾分類存儲機(jī)構(gòu)示意，如圖3所示。

圖3 垃圾分類存儲機(jī)構(gòu)Fig.3 Garbage Sorting-Storage Mechanism

4 驅(qū)動控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動控制系統(tǒng)包括有主控板、傳感與檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和電源模塊，人機(jī)交互系統(tǒng)包括語音（識別與播報(bào)）模塊和串口顯示屏。

電源模塊為主控板和步進(jìn)電機(jī)提供電源；主控板可以通過語音模塊和串口屏兩種途徑實(shí)現(xiàn)與外界的指令信息交互，主控板獲取垃圾種類信息后，將發(fā)送指令給垃圾壓縮機(jī)構(gòu)和分類機(jī)構(gòu)，來進(jìn)一步的做垃圾壓縮和分類處理；主控板對檢測模塊獲取的信息進(jìn)行處理后，可指示語音模塊和串口屏分別實(shí)現(xiàn)垃圾信息的播報(bào)與顯示。整機(jī)電路，如圖4所示。

圖4 智能分類垃圾桶電路原理圖Fig.4 The Circuit Schematic Diagram of Intelligent Classified Garbage Bin

4.1 控制芯片

主控板采用STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)核心板，板資源包括：主頻72M，ROM 256K，RAM 48K，1 個(gè)復(fù)位按鍵，1 個(gè)用戶按鍵，1 個(gè)電源指示燈，1 個(gè)Type-C 接口，8M 主時(shí)鐘晶振，板載32.76KHz的RTC晶振，用排針引出SWD和串口，預(yù)留RTC電池座焊盤，45個(gè)空閑IO口全部引出，提供有AD庫便于用戶進(jìn)行開發(fā)[8]。STM32F103RCT6 在低功耗、低電壓運(yùn)行的基礎(chǔ)上集成了高性能的外設(shè)，可以滿足本機(jī)對控制系統(tǒng)的需求。

4.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動控制

由于同時(shí)控制雙層轉(zhuǎn)盤，且控制的轉(zhuǎn)盤扭矩力臂較短，所需電機(jī)要具備有一定的轉(zhuǎn)動精度和較大扭矩，為此，上下轉(zhuǎn)盤均選用4線兩相57步進(jìn)電機(jī)，并采用步進(jìn)電機(jī)TB6600升級版驅(qū)動器作為電機(jī)驅(qū)動模塊，同時(shí)使用兩個(gè)定時(shí)器分別對兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，以便單獨(dú)鎖住電機(jī)，防止電推桿工作時(shí)不穩(wěn)定導(dǎo)致受力方向改變；驅(qū)動器采用9-42V直流供電，內(nèi)部采用H橋雙極恒相流驅(qū)動，對輸入信號進(jìn)行了高速光電隔離，具備標(biāo)準(zhǔn)共陽單脈沖接口，有脫機(jī)保持功能。

工作時(shí)，電機(jī)處在初始位置，主控板判斷后，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)帶動上下轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，然后上轉(zhuǎn)盤不動，下轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動90°，上下轉(zhuǎn)盤形成一個(gè)90°空洞，垃圾落入對應(yīng)分類箱。下轉(zhuǎn)盤再反向旋轉(zhuǎn)90°，最后上下轉(zhuǎn)盤復(fù)位。如果是可壓縮垃圾，主控板會控制垃圾壓縮機(jī)構(gòu)先對垃圾進(jìn)行壓縮，再按上述動作進(jìn)行分類處理。

4.3 傳感檢測

為檢測垃圾存儲情況，在垃圾桶上方安裝了E3F-DS30C4型光電傳感器，它是漫反射式的光電開關(guān)，其響應(yīng)快，壽命長。

通過4個(gè)光電開關(guān)來進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)有一組開關(guān)觸發(fā)時(shí)，光電開關(guān)輸出24V高電平，從而導(dǎo)通繼電器，而低電平通過繼電器連接到主控板，主控板相應(yīng)IO口拉高，當(dāng)繼電器導(dǎo)通，主控板相應(yīng)IO拉低，主控板觸發(fā)外部中斷。當(dāng)觸發(fā)中斷后，進(jìn)入中斷程序，此時(shí)程序在中斷停留3s，3s過后，單片機(jī)再次檢查此IO口電平狀態(tài)，如果還為低，則垃圾桶確實(shí)滿了，如果為高，則認(rèn)為是誤觸發(fā)。當(dāng)確認(rèn)為垃圾桶滿后，主控板會發(fā)送數(shù)據(jù)到語音播報(bào)模塊和串口屏。

4.4 語音（識別與播報(bào)）模塊

語音識別采用LD3320型識別模塊，其直接用串口與主控板進(jìn)行通訊。通過“你好”指令喚醒模塊識別功能，由于模塊為非特定人語音識別[9]，只能識別模塊內(nèi)已經(jīng)錄入的關(guān)鍵詞，需提前把常用的關(guān)鍵詞錄入，用戶通過說出指定的關(guān)鍵詞，來進(jìn)行語音指令識別。模塊完成識別后通過串口發(fā)送其對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字到主控板，并進(jìn)入不識別狀態(tài)，以防止主控板處理時(shí)又有新的語音指令進(jìn)入，擾亂程序進(jìn)程。

主控板完成指令處理后會通過串口返回一個(gè)解除指令，模塊在接受中斷里進(jìn)行處理，此時(shí)模塊回轉(zhuǎn)到睡眠模式，可通過“你好”指令重新喚醒。

采用DY-SV17F 型語音模塊來進(jìn)行語音播報(bào)。DY-SV17F是一款智能語音模塊，集成IO 分段觸發(fā)，UART 串口控制，ONE_Line單總線串口控制，標(biāo)準(zhǔn)MP3等7種工作模式，板載5W D類功放，可直接驅(qū)動4Ω、3-5W喇叭，支持MP3、WAV解碼格式，板載32MBIT（4MBYTE）FLASH儲存音頻文件，可通過USB數(shù)據(jù)線連接更新音頻文件。播報(bào)內(nèi)容由文字轉(zhuǎn)換語音軟件轉(zhuǎn)換后提前錄入到模塊上，通過對8個(gè)IO口進(jìn)行不同的組合來選擇不同的播放內(nèi)容。如不需要播報(bào)，可通過串口屏上“音量”按鈕關(guān)閉。

4.5 串口顯示屏

顯示模塊采用5寸基本型的USART HMI智能串口屏來進(jìn)行顯示。串口屏通過串口與主控板連接，互相使用串口傳送信息，人機(jī)界面全部由上位機(jī)軟件制作完成來提高開發(fā)效率，下位MCU只需要用串口與設(shè)備交互指令。當(dāng)串口屏有按鍵按下，串口屏?xí)l(fā)送指令到主控板進(jìn)行處理。處理流程，如圖5所示。

圖5 串口顯示屏輸入指令處理過程Fig.5 The Processing of the Instruction is Input Through the Serial-Port Screen

5 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)樣機(jī)，如圖6所示。

圖6 垃圾桶的試驗(yàn)樣機(jī)Fig.6 The Experimental Prototype of Garbage Bin

其質(zhì)量為6.8kg。試驗(yàn)表明：

（1）垃圾分類機(jī)構(gòu)能對生活中常見的垃圾進(jìn)行正確的分類；（2）垃圾壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有效，能夠?qū)σ桌?，礦泉水瓶等可回收垃圾進(jìn)行壓縮，從而提高垃圾的存儲量；（3）人機(jī)交互系統(tǒng)可以通過語音輸入或觸屏輸入控制指令，在分類完成后可以實(shí)現(xiàn)垃圾信息的播報(bào)與顯示；（4）垃圾桶的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠在滿桶的時(shí)候進(jìn)行提醒。

6 結(jié)論

垃圾有效分類是資源回收利用和避免環(huán)境污染的有效途徑之一，智能垃圾分類收儲裝置將對垃圾處理鏈前段產(chǎn)生積極影響[10]。通過分析生活垃圾分類現(xiàn)狀，提出一種智能垃圾分類收儲裝置，在對該裝置的機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)等進(jìn)行研究設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上制作了試驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)表明功能能夠達(dá)成、方案可行，可為同類相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。