有機高分子傳感器識別的家用智能分類垃圾桶

郭金鑫 郝 勇* 彭培瑾

(內蒙古工業大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010000)

隨著科技的進一步發展，帶給我們許許多多的便利條件，但是形式多樣，數量眾多的垃圾也隨之而來，這些垃圾給我們日常生活中帶來了諸多不便和困擾。而且農村的經濟發展尤其迅速，導致垃圾產量的速度以一個非常迅猛的速度發展，使得垃圾對我們環境的影響很大而且從另一個方面來講，垃圾其實是錯誤放置的優勢資源，并且我們國家的人口基數大，這就是不可多得的豐富資源，所以本設計致力于設計一款方便快捷的家用智能垃圾桶。

根據熊建橋、陸衛等所在的南京一所高校的設計為例，由機械結構、硬件電路、軟件程序等部分組成，采用皮帶傳動機構、剪式機構、絲杠螺母機構等，融合紅外感應傳感器、金屬傳感器等，運用典型STC89C51 控制芯片，初步實現桶自動開合、檢測分類、壓縮儲存等功能。研究分析其優點在于整體布局及設計完善，有較高的工作可靠性。但缺點也較為明顯，設備較大，不易同比例縮小；以趙鑫為代表的吉林省長春市一研究機構設計的成果為例，其包括殼體、滑道、分類倉、傳動及支撐裝置、拍照裝置、控制器及外置服務器等，主要工作原理為當垃圾被投入殼體時，先由滑道傳送至拍照裝置，然后拍攝信息傳送至外置服務器進行辨別與比對，然后精確分類信息傳回，然后由控制器控制傳動裝置將此垃圾傳送至相應的垃圾分類倉。此設計的優勢在于能實現精確的信息分類，但是其核心部件精密，維護成本高對家庭來說實用性不大；由王東興的發明專利可知，裝置包括傳送帶運輸裝置，材質感應裝置和精確識別裝置。工作原理簡短為，當垃圾被扔進投料口時，感應裝置立即檢測出該垃圾的屬性，促使投料口某一側的擋板自動縮進去，進而帶動擋片板向料筒壁擺動，讓垃圾進入屬于自己的料筒，進而實現垃圾的分類處理。可實現垃圾高效的分類處理，但是噪音大，屬工業用垃圾分類裝置，不適宜家用。此外根據市場研究中的智能分類垃圾箱相關資料分析，有些設計組織提出給生活物品外包裝加RFID 電子標簽，并且給智能分類垃圾桶加裝電子射頻儀器，這樣做雖然理論效果好，但是實際生活中可能會出現較大問題，因為如果外包裝含有金屬成分，那么將會影響電子射頻儀的正常識別，而且如果電子標簽在物品使用的時候造成損壞的話，對于識別也會有相當大的影響，況且給生活物品加裝電子標簽及布置電子射頻垃圾箱造價十分高昂，短期內實現將會有極大困難。

本文設計了一款集多種功能于一體智能分類垃圾裝置，包括有機高分子識別、紅外線檢測垃圾投入、STC89C51 芯片控制桶蓋開合、特制桶蓋防止異味擴散，并將上述功能進行有機結合，使其所覆蓋的綜合能力更加全面，以此達到設計目的。

1 整體方案設計

首先要選取恰當的地方以及恰當的方式給垃圾箱進行供電(電源、電池兩種方式)，當有人進行垃圾投放時，如果明確垃圾類型可直接打開相應類別的桶蓋直接進行投放，若不明確垃圾類型時，可將垃圾置于筒體外的小型有機高分子傳感識別裝置的附近，傳感識別裝置將會進行識別，將垃圾的熱輻射狀態轉化為電信號，根據電信號判斷該垃圾由何種物質組成，再進行分類，最后將會自動打開所屬類型桶蓋以便直接進行投放，然后，當垃圾被投入時，將干擾垃圾桶內置的紅外線感應裝置的電信號，從而控制垃圾桶蓋延時3 秒后自主關閉。另外，因為此垃圾箱幾乎能識別和統一分類儲存所有的家庭生活垃圾，為了能夠避免異味的散發，4 個分類垃圾桶蓋內襯將用一種由皮料、軟木、活性炭粉和香料粉組成然后熱熔機壓制而成的新材料。從而幫助人們識別不同垃圾類型進而指導垃圾分類同時對垃圾無異味化處理，以達到本次研究與設計的最終目的。

2 垃圾桶結構設計

此次所設計的家用智能分類垃圾桶注重結構方面的創新，將力求解決垃圾在家庭進行初步分類的所有問題，制作成的垃圾桶將會有高分子識別未知垃圾類型、紅外線感應自動關閉桶蓋、防異味擴散等實用功能。

2.1 結構概念圖

圖1 智能垃圾桶結構概念圖

與常規垃圾桶進行比較，此設計的特點是：

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

2.1.2 位于垃圾桶蓋內側設置的4 個紅外傳感器在不進行工作時會被垃圾桶蓋覆蓋進行保護，可延長其精密部件的使用壽命。

2.1.3 4 個垃圾桶蓋的合頁部分位置居中，使用一個金屬舵裝置就可以實現整體對于垃圾桶蓋的操控，大大節約內部空間。

2.2 垃圾桶流程

當垃圾準備投進上圖所示的垃圾桶時，運行流程如圖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垃圾桶運行工作時的具體步驟。若能辨別垃圾種類，可自主手動打開垃圾桶蓋進行投放，若不能，需將垃圾置于桶外設置的有機高分子傳感器進行識別。

2.3 垃圾桶三維結構

3 硬件部分設計

3.1 有機高分子傳感組件

本設計所采用的有機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，當有物體(垃圾)靠近傳感器時，系統自主進行垃圾材料信息的采集，同時將垃圾的熱輻射狀態快速轉化為系統可識別的電信號，以此來匹配系統內部所包含的不同垃圾種類的信息，來達到對垃圾種類的精確識別，此過程在1.5 秒內完成，經過測試，對目標垃圾的識別準確度在97%左右，足以滿足設備對日常生活中所出現的各類垃圾實現精確識別的要求。此傳感器的優勢在于，能較為準確的感應微弱的電信號提高了精度，改善了系統的抗干擾能力減小了誤差。

圖3 垃圾桶外觀結構圖

圖4 垃圾桶內部結構圖

3.2 紅外線感應及STC89C51 芯片控制

當集成智能傳感器精確識別垃圾種類工作完成后，下一步銜接的動作為垃圾桶蓋的開合便于垃圾的投放。傳感器識別判斷出垃圾種類之后，STC89C51 芯片接收控制垃圾桶蓋打開的指令，芯片控制由直流電機、減速電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的MG996R 金屬舵機來實現對應垃圾桶蓋的打開工作；當垃圾被投入時，在垃圾投放口處設置的紅外線感應系統自動檢測出垃圾已被投入完成后，然后由STC89C51 芯片控制MG996R 金屬舵機來實現垃圾桶蓋的延時3 秒關閉，目的方便于垃圾的完全投放。

3.3 防異味擴散垃圾桶蓋

本垃圾桶設置了4 個垃圾分類倉，所以對應設置4 個分類垃圾桶蓋，此垃圾桶蓋的設計為桶蓋內襯將用一種由皮料、軟木、活性炭粉和香料粉組成然后熱熔機壓制而成的新材料。經過試驗，此新型防異味垃圾桶蓋能有效減小垃圾腐敗散發出的難聞氣味，來大大減少垃圾產生的難聞氣味對民眾日常生活的困擾。

3.4 設計整體尺寸

本著保證設計功能完全實現的前提下，經過對結構布局的多次設計為了盡可能達到體積小、重量輕的目的，進行了大量資料的查閱和可行性分析，最終把理論樣機的尺寸設定為底邊長寬都為42.5 厘米、高度為53 厘米。總重量不超過3.2 千克。并且上述出現的設計材料價格相對低廉容易獲取。

通過對上述各個功能部分的論述，本設計已經能彌補市面上具有代表性的智能分類垃圾桶的常見問題，可以實現體積小、重量輕、操作簡單方便快捷和維修護理難度小價格相對低廉的設計目標。

4 此垃圾桶可附加功能

根據垃圾桶所放置的地區不同，可根據當地民俗特點和文化特征來對外觀進行更改和改進來彰顯當地特色；亦可根據個人不同的個人喜好進行涂鴉或者噴繪，當放置在室內公共區域例如地下車庫等其他光線較暗的區域時，可對垃圾桶輪廓進行熒光噴涂以便可以快速找到并且避免發生碰撞危險。

5 結論

本設計符合國家對于垃圾分類的方向要求，有利于幫助民眾進行合理的垃圾分類，有利于加快建設和諧發展的綠色生態國家。其中所包含的有機高分子識別、紅外線檢測垃圾投入、STC89C51 芯片控制桶蓋開合、特制桶蓋防止異味擴散等功能會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需求。