一款校園便攜式自動化廢紙回收裝置設計

文/許少澤 張曦文

1 背景分析

中國人口數量龐大，每天產生的垃圾數量也非常龐大，廢紙實際上是各類垃圾中回收利用量較大的可再生資源。然而，我國的廢紙利用率不足50%。美國的該項數據為65%，日本的該項數據則高達80%（2012年）。由此可見，我國的廢紙回收利用率遠遠低于部分發達國家和發達地區。而提升廢紙的回收率是提升廢紙利用率的關鍵，目前我國大多數的廢紙回收公司沒有規范的收購方式，同時回收方式不夠先進與科學，沒有規范的廢紙回收、分揀與打包程序，也不具有完備的管理體制，收購的廢紙質量差、雜質量大，而且成本高，效率低下，還尚未建立完善的廢紙回收體系。

于此同時，我國相關機構不斷地針對國內廢紙現狀推行相應政策。《造紙工業發展“十二五”規劃》提出了“加大廢紙回收和利用力度”和“健全廢紙分類回收利用體系”等標準和辦法。2019年3月21日，中國再生資源回收利用協會廢紙分會2019年一季度副會長工作會議上就近期與國家發改委、商務部、國稅總局等國家部委溝通，對2019年即將出臺的廢紙回收行業政策方向進行了傳達。廢紙的回收和處理技術也在不斷的研發更新，如中華紙業的徐紅霞老師針對廢紙處理打漿裝置做了最新的技術更新。我國廢紙的回收、整合、處理等各個環節的完善都在穩步推進。但是雖然在國家政策層面對于廢紙回收的規范逐步細化嚴格，但仍舊缺乏日常執行上的可行方案，沒辦法直接提高居民的廢紙再利用意識，因此提出了這個可以應用在用紙量較大的如校園或辦公區等地的廢紙回收裝置，可以簡化廢紙回收的步驟，幫助人們養成廢紙回收的習慣，真正實現“點紙成金”的效果以提高廢紙的回收率。

2 裝置簡介

本項目實現的廢紙回收裝置由廢紙存貯箱、硬幣存貯及吐出槽、回收電機核心裝置三部分構成。以DP801單片機為核心主控板，以紅外傳感器、電動機及齒輪傳動裝置分別為輸入和輸出裝置。

（1）自動吐硬幣獎勵機制可以提高公民的廢紙回收積極性，培養廢紙回收的意識和習慣，以減少可利用廢紙的流失；

（2）該裝置可以適用于學校等廢紙產量大的場所，因為可以集中回收，更加便利了繁瑣的廢紙回收過程，也解決了廢紙回收、分揀與打包程序不規范，管理體制不完善的問題，保證廢紙回收的數量及質量；在裝置裝飾上可進行相關宣傳，培養社會的廢紙回收意識。

3 模型裝置設計

本裝置以DP801單片機為“大腦”，可通過編程，實現電路的開閉以實現硬幣裝置的運轉，實現循環獎勵的設計理念。

紅外傳感器通過電源拓展板與單片機相連構成輸入裝置，控制整個電路的“開關”。電動機與單片機相連構成輸出裝置，當紅外傳感器接收到一次信號時，電路接通，通過預設編程，可實現電動機進行相同時長的正轉與反轉，再通過D型齒輪與條型齒輪組合傳動裝置的運行，進而實現一次硬幣的掉落，并且該過程可實現循環進行，最終達到我們想要的“點紙成金”的效果。

整件裝置主體框架材料為透明的3MM亞克力板，并使用亞克力膠完成連接，以保證裝置的牢固性。制作過程中利用電鋸完成裝置的形狀構建。其中，單獨制作的硬幣抽屜可以實現對硬幣的拿取。為了貫徹綠色環保的理念，該裝置輔以太陽能電池板為供電裝置，使裝置節能且可持續利用。

圖1

圖2

4 關鍵技術

4.1 自動化核心

DP801單片機為核心部件，通過編程，實現對整個裝置電路的控制，以電源拓展板為橋梁，連接輸入與輸出裝置。通過單片機的通轉指令，將輸入裝置的信號轉化為輸出裝置的運行，達到自動化目的。

4.2 循環獎勵裝置

電動機與齒輪聯動裝置采用D型齒輪與條型齒輪組合。當輸入裝置輸入信號后，經單片機處理，形成輸出裝置電動機的轉動，D型齒輪與電動機轉軸相連，通過D型齒輪轉動帶動條型齒輪橫向移動，打有硬幣通過孔的亞克力板附著在條型齒輪上，隨條型齒輪橫向移動，實現硬幣落入小抽屜內，然后在單片機編程控制下，條型齒輪帶動亞克力板回到原始位置，完成一個循環過程。并且上述過程可循環進行，實現多次放紙，多次出幣的效果。

5 研究過程

5.1 選題過程

在學校生活中，大多數同學將廢紙丟入垃圾桶，這樣的廢紙處理方式太過于浪費。經查閱資料發現，學校生活中的廢紙屬于A類紙，完全可以被很好地重復利用，例如，報紙等紙質產品就是廢紙的再生產物。經過進一步了解，不僅是在學校中，目前我國整體的廢紙回收利用率都比較低。廢紙過多的情況下，粉碎等回收方法容易造成大量紙資源浪費；平時所采用的一次大量出售廢紙方法不夠系統化而且較為麻煩。

綜合上述問題，筆者想到可以通過設計特殊廢紙回收裝置，實現定時定量將廢紙系統化回收。經過與輔導老師的探討，確定了可以加裝自動出錢裝置，每當紙積累到一定程度時，便可彈出對應的錢數，簡化繁瑣的廢紙回收過程。又因為自動化設備一定會使用到電機，可以設置太陽能電池板置于室外供能，實現環保化與貫徹落實可持續發展理念。在裝置外表制作環保標語、環保海報等，既使裝置美觀，又具有宣傳價值。

初步確定選題后，通過中國知網、萬方數據庫等學術網站進行查詢。以“廢紙”、“回收利用率”為檢索詞在中國知網和萬方數據庫中分別查詢到155條和35條相關文獻，再經過進一步篩選，得到《一種教學用廢紙回收利用裝置》、《環保紅線下廢紙回收行業的機遇與挑戰第二屆中國回收紙行業大會在京隆重召開》等密切相關文獻，但與本選題設想并不完全相似，證明本選題具有一定的創新性，確認了選題的可實施性。

5.2 制作過程

按照規劃方案，首先根據選題設想畫出結構草圖，根據草圖開始選擇材料，購置所需材料，包括亞克力板、電動機、紅外傳感器、DP801單片機、太陽能電池板等。

畫出裝置的結構細節圖，并設計出具體的尺寸。結構細節圖設計完成后，在輔導老師的幫助下，將購買的60CM*60CM*3MM的透明亞克力板切割成相應尺寸。

將裝置所需要的單片機進行編程，通過通轉指令，控制整個電路的工作運行。隨后將紅外傳感器、單片機以及電動機通過電源拓展板相連，形成完整的電路。

單獨制作抽屜，與整體骨架分離，便于抽屜的拉動，并對抽屜進行打孔，制作拉環。

所需部件制作完成后，開始進行裝置的組裝，利用亞克力膠連接，以保證裝置的牢固。

在亞克力膠生效的過程中，將單片機與抽屜上的亞克力片連接，進行初步的實驗與調試。調試過程中，針對設計時未考慮到的滑片易錯位問題，單獨額外制作出滑道，以控制滑片軌道。也同時用紙制作出硬幣存儲管，并與骨架連接。

將紅外傳感器—單片機—電動機裝置連接到亞克力骨架上，并完成簡單的導線布置。并將兩個紅外傳感器并聯接到單片機上，以實現紙張與書籍的分類存放。然后，將太陽能電池板與裝置相連，把事先設計好的掀蓋結構連接到骨架上，粘貼壁紙，完成整個裝置制作。

6 研究結果分析

6.1 作品意義及創新點

（1）便利性：該裝置牢固、便攜，可直接放于學校等廢紙量大的地方，使得學生等更加方便地進行廢紙回收；可使學校進行系統化的廢紙回收，更加便利，省略了人工回收的不便。

（2）經濟性：進紙吐錢，提高人們回收廢紙積極性的同時，也省略了繁瑣的廢紙回收程序。

（3）專一性：該裝置可回收高質量廢紙，有效降低廢紙雜質率，也提高了廢紙回收率及回收效率。

（4）高效性：該裝置完全實現自動化回收過程，有效提高廢紙回收效率。

（5）科技性：通過電力及機械裝置實現智能化回收，有效降低人工回收過程的復雜程度以及出錯率。

（6）該裝置可進行分類處理，即實現對書本和廢紙的分類回收，最大程度減少材料浪費。

6.2 裝置可實施性

便利及簡化個人及廢紙回收公司等的復雜廢紙回收過程，滿足了學校等廢紙量大的地方的廢紙處理需求，該裝置實現了廢紙回收的程序化、規范化、系統化，更加有利于國家社會的廢紙回收工作，利于提高廢紙回收率，對我國廢紙回收處理工作也具有一定價值。

7 裝置后期改進

（1）可設計通過不同的傳感器或對編程進行改進，以實現更精確質量與硬幣量關系的控制。

（2）加裝壓縮處理裝置，進一步簡化廢紙回收過程，并調高裝置的空間利用率。

（3）進一步實現電子化，融入更多科技含量，例如通過二維碼實現網絡貨幣的應用。

（4）加設更多分類，便于回收更多種類的廢紙。

（5）拓寬到更廣泛的領域，可在學校以外的其他領域實現廢紙的回收利用。