基于PLC 控制的小型智能分類垃圾桶設計

秦鉑濤， 鄧 磊， 黃姝珂

（1.四川大學 機械工程學院， 四川 成都 610065； 2.四川幼兒師范高等專科學校應用技術系， 四川 江油 621709；3.中國工程物理研究院機械制造工藝研究所， 四川 綿陽 621900）

0 引言

隨著我國面臨“垃圾圍城”的現象逐漸嚴重，大量的生活垃圾對我國資源產生了巨大危害[1]。2019 年6 月，全國人大常委會審議通過了“生活垃圾環境防治”專項規定[2]，自法案實施以來，人工分類的垃圾箱已經被大規模使用。 可是現有垃圾分類箱不僅需要專人宣傳垃圾分類標準并引導市民投放， 也需要市民掌握相關垃圾分類知識，并且人工分類有時間段的劃分，只能在專人工作時進行垃圾投放，一時很多人為垃圾分類頭疼不已，由此可見設計智能分類垃圾桶的重要性。

1 智能垃圾桶的結構設計及3D 建模

為了滿足城市街道及小區分類垃圾桶的需求， 垃圾桶的設計采用小型化、智能化的原則， 整體結構如圖1 所示； 智能垃圾桶由含有功能結構的上半部分桶身和裝有PLC 控制模塊的桶底構成。 其他模塊由：攝像頭及顯示屏、 兩部步進電機及驅動器、4 對紅外對射管，PLC 控制模塊則由PLC 實現控制功能配套的開關電源、繼電器構成。 其結構見圖1，3D 效果見圖2。

圖1 智能垃圾桶結構圖

圖2 智能垃圾桶3D 效果圖

為滿足小型化智能化需求，垃圾桶采用了識別，分類，存儲，控制，顯示一體化設計，整個垃圾桶結構簡單且占地面積小。 將PLC 模塊集成在底部，既可以節約空間減小體積，又可以將線路集中，方便檢查排障。

2 智能垃圾桶硬件模塊的選擇

2.1 智能垃圾桶的主要功能

機器處于待機狀態時，主屏幕播放待機畫面。當使用者將垃圾放在垃圾投放區時，視覺識別模塊拍照識別，利用內置數據庫進行對比分析， 如果為非易壓縮類垃圾，PLC 控制步進電機使分類導管指向指定的分類垃圾桶，PLC 控制停料板下方電機轉動，停料板翻轉， 垃圾經分類導管入桶。 隨后停料板經短暫停留恢復到原位； 如果投入的垃圾是易拉罐和塑料瓶等易壓縮的垃圾，則PLC 控制分類導管指向壓縮機， 易壓縮物掉下被壓縮后落入指定垃圾桶； 當紅外裝置檢測到垃圾裝滿則觸發滿載預警，在屏幕上提示并發出報警聲。 系統功能見圖3。

圖3 智能垃圾桶功能圖

2.2 硬件模塊的選擇

2.2.1 視覺識別模塊

采用了HuskyLens 攝像頭和與其配套的micro：bit 主板。 攝像頭負責拍照采集待分類垃圾的圖像信息并與內置數據庫對比得出分類信息。主板起通訊作用，將攝像頭的信號轉化為PLC 能識別的高低電平信號。

2.2.2 電機驅動模塊

采用了一部型號為86CM45 的步進電機作為分類導管的動力源，考慮到停料因個人習慣放置位置不同，可能需要更大的扭矩， 采用一部型號為86CM85 的步進電機作為停料板的動力源。 配以兩部型號為3ND583 的驅動器來驅動電機。

2.2.4 滿載預警模塊

選擇四對HD-DS25CM-3MM 紅外對射管，分別裝在四個類別的小垃圾桶內側，并且用了四組24V/5V 電壓轉化器易確保紅外對射管能正常工作。

2.2.5 氣動壓縮模塊

氣動壓縮結構由氣缸， 伸縮杠和管道回路組成， 利用一個三位四通閥控制伸縮桿運動以實現壓縮和通過的功能[3]。氣動回路具體結構，見圖4。

圖4 壓縮氣缸回路設計圖

2.2.5 其他模塊

主要包括屏幕顯示模塊和電力供應模塊。 屏幕采用一塊MCGS 的TPC1062K 嵌入式一體化觸摸屏，既可以引導使用者投放垃圾，也可以顯示垃圾桶內實時情況。在小區等有條件插電的場所時， 該垃圾桶可以通過一塊24V 開關電源接入電路使用，當不便于插電使用時，還可以直接用自身攜帶的一塊24V 鋰電池供電。

3 智能垃圾桶軟件部分設計

3.1 PLC 程序的編寫

PLC 程序的編寫采用“順序控制法”，遵循“順序功能圖的繪制→PLC 端口資源分配→編程→連接調試”的步驟進行[4]。

3.1.1 PLC 順序功能圖的繪制

根據實現各邏輯功能時各部分與PLC 的邏輯聯系，可畫出順序控制時的順序功能圖見圖5。

圖5 PLC 順序功能圖

3.1.2 PLC 端口資源分配

根據硬件選擇，PLC 輸入端與5V 繼電器和紅外對射管連接接收輸入信號， 輸出端與驅動器連接控制步進電機運動，將端口資源進行分配，其I/O 口資源分配見表1。

表1 I/O 資源分配表

3.2 屏幕程序的編寫

選用的MCGS 的TPC1062K 觸摸屏， 其與PLC 實現串口通訊，實時讀取PLC 寄存器數據并顯示桶內狀態，其顯示數據來源和PLC 對應關系， 及其顯示事件內含的程序指令，見表2[5]。

表2 工控屏信息讀取地址及事件指令

據此表可以在MCGS 平臺下設計出智能垃圾桶控制面板見圖6。

圖6 智能垃圾桶控制面板

3.3 通訊主板程序的編寫

通訊主板程序通過C 語言編寫，通過循環判斷消抖，提高垃圾識別判斷的準確率，其循環判斷框圖見圖7。

圖7 主板程序框圖

經過消抖測試，通過對采集照片樣本的反復判斷，最后在十次均通過的情況下輸出對應ID 的高電平信號，可以在不影響分類速度的前提下有效提高識別準確率。

4 關鍵部件的3D 打印及整體安裝

為滿足城市和小區使用需求， 垃圾桶設計遵循小型化原則，搭建樣機為了節省材料和縮短實驗周期，采用3D打印完成關鍵部件的制作， 遵循 “建模→導出STL 文件→切片生成gcode 文件→3D 打印→修剪去支撐→安裝調試” 的步驟， 安裝效果圖見圖8。將各元件接線美化線路后見圖9。

圖8 關鍵部件安裝效果圖

圖9 系統線路連接圖

5 樣機調試和功能測試

樣機上電后， 分別利用云端數據庫， 自制樣本數據庫， 云端數據庫和自制樣本庫結合三種方式測試樣機對垃圾的識別分類速度和準確性， 四類垃圾各隨機選擇一百件作為垃圾樣本。 統計結果見表3。

表3 功能測試結果

結果表明， 自制樣本庫是識別準確率最高且分類速度最快的一種，但由于自制樣本庫需要提前采集垃圾樣本，故而有一定局限性，而云采用端數據庫的響應速度和網速有關，可能出現卡頓現象， 故采用自制樣本庫和云端數據庫結合是最高效的方式，無論是準確率和分類速度都可滿足需求。

6 結束語

本系統以PLC 作為控制基礎， 利用3D 打印制造關鍵部件搭建樣機，經測試可以滿足基本垃圾分類需求，為響應國家生活垃圾分類提供新的解決方案。