葉銜真 何世偉

（集美大學誠毅學院，福建 廈門 361021）

0 引言

垃圾桶作為一種常見的垃圾容納工具，在家庭、酒店和社區(qū)等場合應用廣泛[1]。隨著時代的進步，人們生活水平不斷提高，垃圾桶形式及用途也不斷更新發(fā)展，提高垃圾桶內(nèi)的有效利用空間成為現(xiàn)代人類生活的迫切需要，設計一種智能社區(qū)垃圾桶自動壓縮系統(tǒng)，將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益。本文從機械結(jié)構(gòu)設計、壓縮板計算校核和單片機控制系統(tǒng)等三方面介紹智能社區(qū)垃圾桶壓縮系統(tǒng)的設計。

1 智能垃圾桶的機械結(jié)構(gòu)設計

智能垃圾桶的機械結(jié)構(gòu)包括傾斜機構(gòu)、壓縮機構(gòu)和升降機構(gòu)等三部分，機構(gòu)的靜態(tài)和上升狀態(tài)分別如圖1、圖2所示。

1.1 傾斜機構(gòu)設計

由傾斜機構(gòu)和垃圾桶本身組成了一個四連桿機構(gòu)，其運動簡圖如圖3所示。DE為固定結(jié)構(gòu)，保持水平，AB為傾斜機構(gòu)短桿，而BC為傾斜機構(gòu)長桿，CD為垃圾桶。傾斜機構(gòu)ABC初始角度α保持在40°，在上升期間，由于地球引力，傾斜機構(gòu)A′B′C′所組成的角度α逐漸變大，直至α=α′=180°，即∠ABC=180°，短桿與長桿重合成為一條直線。AE代表升降機構(gòu)中的齒條，跟隨垃圾桶升降。

傾斜機構(gòu)如圖4所示，可移動四連桿機構(gòu)由上下移動桿、短桿、長桿和垃圾桶組合而成，隨著垃圾桶升起，由于垃圾桶自身和裝入其中的垃圾的重量，短桿與長桿所組成的α會逐漸變大，使垃圾桶傾斜。

1.2 壓縮機構(gòu)設計

壓縮機構(gòu)運動簡圖如圖5所示。MN為絲桿，O為壓縮板，壓縮板相當于一個滑塊在絲桿上做直線運動。壓縮機構(gòu)由步進電機、絲桿、支撐桿、壓縮板和軸承座構(gòu)成，采用雙電機為原動力，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。

1.3 升降機構(gòu)設計

升降機構(gòu)運動簡圖與壓縮機構(gòu)運動簡圖類似，其升降機構(gòu)都是由齒輪齒條來實現(xiàn)運動過程的。

垃圾桶傾卸垃圾前需升高到一定高度，這就需要用到升降機構(gòu)。垃圾桶滿后工作人員來傾卸垃圾，按下上升按鈕，大功率直流電機帶動齒輪同步轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動使與之嚙合的齒條上升，齒條兩端固定在上、下兩根移動桿上，垃圾桶底部和下移動桿連接，桶身上部則由傾斜機構(gòu)連接到上移動桿，齒條上升帶動垃圾桶整體一起上升。垃圾桶下降也是根據(jù)同樣的原理，按下下降按鈕，只要讓直流電機反方向轉(zhuǎn)動即可。

升降機構(gòu)由導軌、上/下移動桿、固定桿、電機、齒輪齒條構(gòu)成。固定桿的作用是裝載直流電機，即固定住齒輪高度，當齒輪齒條相對運動時，實質(zhì)上是讓齒條產(chǎn)生位移量[2]。

2 壓縮板計算校核

壓縮板材料為亞克力板，尺寸規(guī)格為230 mm×230 mm×5 mm，在受力計算校核中將其視為一根橫梁，兩端固定在絲桿上，主要受到絲桿對其產(chǎn)生的力，壓縮板上下移動，將其簡化為一端固定、一端可移動的簡支梁模型來分析，如圖6所示。

點A和點B分別是壓縮板與兩絲桿的固定位置，其中，AB的長度為200 mm；力F為壓縮板對垃圾所施加的力，F(xiàn)A和FB是絲桿給予壓縮板的反力，點C是垃圾主要受力的集中點，假設AC長度為m，F(xiàn)=4 N。

根據(jù)平衡方程ΣM=0，對點B進行分析，ΣMB=0，即：

解得：

對A點進行分析，ΣMA=0，即：

解得：

以壓縮板左端A點為原點坐標，直線AB為x軸，過A點垂直于AB建立y軸，建立平面直角坐標系，如圖7所示。

根據(jù)剪力和彎矩的計算方法，如圖8所示，求得這一截面上的Fs和M分別為：

以上兩式為壓縮板在AC段中的剪力方程和彎矩方程。而在BC段剪力方程和彎矩方程為：

Fs在m=100時左右兩邊相等，當m無限接近于0和200時，剪力達到最大值，該最大值為4 N，遠遠小于材料的斷裂疲勞強度；從彎矩方程來看，彎矩的大小不僅與m有關(guān)，還與截面距離點A的長度x有關(guān)，結(jié)合彎矩圖可以看出，無論x取何值，彎矩最大處總是與參數(shù)m的值即F的受力點有關(guān)。當m=100時，彎矩最大為200 kN·m，小于壓縮板材料的抗彎強度，因此壓縮板可正常使用。

3 單片機控制系統(tǒng)

采用HT66F70A單片機作為整個系統(tǒng)的核心，控制垃圾桶的各項功能，使其獨立準確地完成各項工作。HT66F70A是HT66Fx0A系列的其中一款單片機，共有8組IO口，分別命名為PA、PB、…、PH，每組含有8個IO端口，用組名加上數(shù)字命名，從數(shù)字0開始，分別是PA0、PA1、…、PA7，其引腳圖如圖9所示，每個引腳都具有復用功能，編寫程序時應對3個IO口的寄存器和引腳共用寄存器進行初始化設置。

桶蓋壓縮機構(gòu)采用電機控制驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)，而單片機的IO口無法直接驅(qū)動電機，采用L298N專用電機驅(qū)動芯片，其不僅可同時驅(qū)動兩個兩相電機，還可驅(qū)動一個四相電機[3]。采用PWM調(diào)速的方法對電機進行調(diào)速，開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導通時間為t，周期為T，則電機兩端的平均電壓U=Vcc·（t/T）=αVcc，其中，α=（t/T）為占空比，Vcc為電源電壓，電機的轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成比例，電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快。

4 結(jié)語

智能社區(qū)壓縮垃圾桶桶蓋由紅外感應控制，不用時關(guān)閉，能有效抑制垃圾散發(fā)氣味，防止其他動物亂翻垃圾桶，也有利于里面的壓縮機構(gòu)安全操作；內(nèi)置壓縮機構(gòu)通過其他傳感器的檢測，控制壓縮機構(gòu)行程，合理利用空間，減少人力、物力的消耗；短信收發(fā)模塊會在垃圾桶滿后自動發(fā)短信到手持終端上，提醒人及時處理，節(jié)約資源。該設計適用于不同工況的公共區(qū)域，其獨特的智能壓縮系統(tǒng)大大提升了垃圾桶的利用率及工作效率，具有良好的市場前景和利用價值。