一種新型家庭智能分類垃圾桶設計

石羽倩 汪偉君

（安徽理工大學機械工程學院 安徽·淮南 232001）

1 設計背景

垃圾分類是對垃圾收集處置傳統方式的改革，是對垃圾進行有效處置的一種科學管理方法。它可以在源頭將垃圾分類投放，并通過分類的清運和回收使之重新變成資源，是生態環境治理的關鍵詞之一。目前全國已有237個城市啟動垃圾分類，上海、廈門、杭州、寧波、廣州、深圳等18個城市垃圾分類覆蓋率超過70%。但是，據調查很多人不能正確的區分垃圾的種類，市面上的常用垃圾桶無法進行智能識別分類。隨著社會經濟的不斷發展，人們的環保意識逐漸增強，對于整潔的生存環境和對高質量生活品質的不斷渴求，智能分類垃圾桶的提出，極大的方便了人們的生活。

本設計能夠有效地進行垃圾類別智能識別，最大限度地實現垃圾資源利用，改善生存環境狀態。

2 設計方案

本智能分類垃圾桶選取單片機和舵機作為控制單元，通過語音控制實現方便快捷的智能垃圾分類并且能夠實現煙霧報警的功能，從而進行安全監測，方便家居生活，而且進一步提高了安全性。智能分類垃圾桶包括垃圾分類裝置、收集裝置、電控裝置和運動裝置，總體結構如圖1所示。

圖1：總體結構圖

2.1 垃圾分類裝置

該分類裝置主要由傾倒板，二自由度云臺和舵機組成。采用了二自由度的可旋轉的云臺，由其上方和下方的兩個舵機控制其旋轉方向和角度，能夠實現水平和俯仰兩個方向的運動，從而可以朝下方的四個垃圾桶進行垃圾的傾倒。四個單獨的垃圾收集裝置分別對應四種不同的垃圾，實現準確分類。分類機構如圖2所示。

圖2：分類裝置

2.2 垃圾收集裝置

垃圾的收集裝置采用了四塊相互獨立的空間（如圖1所示），分別對應四種種類的垃圾，分別為干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾和有害垃圾，垃圾桶的內部分別套上相應的塑料袋以方便人們的拿取。垃圾收集空間結構如圖3所示。

圖3：垃圾收集結構

2.3 電控裝置

智能分類垃圾桶的電控裝置主要由三部分組成。系統總體框圖如圖4所示。電控裝置采用stm32f103作為主控芯片，配有ld3320語音模塊，兩路pwm信號分別控制兩個舵機的先后運動進而實現垃圾分類。同時煙霧傳感器模塊可感受到室內煙霧濃度，當發生火災煙霧超過正常室內濃度時將信號傳遞給stm32單片機主控板再通過揚聲器發出警報并通過短信模塊向用戶手機發送火情信息。

圖4：系統總體框圖

2.3.1 垃圾分類功能

（1）把垃圾放入垃圾桶并說出垃圾名稱，ld3320會自動識別人聲并區分垃圾種類，將處理后的信息通過串口傳送給單片機，單片機收到指令，分別控制1號，2號舵機將垃圾送入指定區域。

（2）紅外傳感器可檢測垃圾桶內部垃圾是否裝滿，通過調節靈敏度可實現：當垃圾未裝滿時，紅外接收管接收不到紅外線，輸出端輸出狀態1；當垃圾裝滿時，紅外線被垃圾反射，紅外接收管接收到紅外線，輸出端輸出狀態0。

（3）OLED顯示模塊通過i2c與單片機通信，將通過光電傳感器獲取的垃圾是否滿的信息顯示出來。便于人們對垃圾的處理與垃圾袋的更換。

2.3.2 火情預警功能

在垃圾桶上加裝5-30V供電的靈敏度可調的煙霧傳感器報警器，煙霧傳感器通過將外界煙霧濃度轉換為電壓大小的方式將電壓模擬量從輸出端輸出，單片機io口啟用ADC模數轉換功能并設置相應濃度閾值實時監測煙霧濃度，一旦煙霧濃度超標，煙霧報警裝置將會發出警報。當火災場所發生的煙霧進入到感煙探測器的監測電離室，位于電離室中的檢測源镅241放射a射線，使電離室內的空氣離成正負離子。當煙霧進入時，內外電離室因極性相反，所產生的離子電流保持相對穩定，處于平衡狀態；火災發生初期釋放的氣溶膠亞微粒子及可見煙霧大量進入檢測電離室，吸附并中和正負離子，使電離電流急劇減少，改變電離平衡狀態而輸出檢測電度信號，經后級電路處理識別后，發出報警，并向配套監控系統輸出報警開關信號。能夠實現出現火災隱情和燃氣泄漏的時候進行報警處理，提高了安全性。

2.4 運動機構

在垃圾桶的底部加裝了麥克娜姆輪，利用麥克娜姆輪的特性能夠實現進行全方位的移動便于在有限空間內靈活運動。麥克納姆輪主體由輪轂和輥子組成，輪轂是整個輪子的主體支架，輥子則是安裝在輪轂上的鼓狀物，麥克納姆輪的輪轂軸與輥子轉軸呈45°。理論上這個夾角可以是任意值，根據不同的夾角可以制作出不同的輪子，但多為45°。驅動麥克納姆輪運動的電機采用的是行星減速電機。減速機一般是把輸入的低轉矩高轉速通過齒輪組轉換成高轉矩低轉速輸出。行星齒輪減速機有兩個特點，第一個是輸入軸輸出軸是同軸線；第二個它有3個以上的行星齒輪，在變速中提供較大的合力矩，還有較平穩的速度傳遞（始終有齒輪良好的嚙合）。麥克納姆輪的安裝方式采用O-長方形，四個輪子的著地點形成一個矩形。運用正運動學模型（forward kinematic model）得到一系列公式，通過四個輪子的速度，計算出底盤的運動狀態。

3 工作流程

首先打開桶蓋開關，按下“1”鍵，然后長按桶身正面按鍵，發出“滴”兩聲即可正常使用。放入垃圾，垃圾桶通過自動識別放入隔離平臺。垃圾將受到分類裝置中兩個舵機控制實現垃圾口的打開和選擇，投放至對應區域。若垃圾滿載該裝置會自動報警收縮好垃圾袋口，等待人們取走。同時，該裝置還設置有煙霧報警裝置，當室內煙霧濃度超過設定閾值時，產品會持續發出報警聲，并實時提醒發生到手機對應APP上，由此可進行安全監測，方便了家居生活，進一步提高了安全性。特別要注意地是在更換垃圾袋時要先將電源關閉，然后再打開蓋子，取出舊垃圾袋放入新的，最后關閉蓋子，打開電源。在產品連續“滴”兩聲后，燈帶閃爍，則需充電，充電時保持開機充電10小時，燈帶呈呼吸閃爍，充滿電后燈帶熄滅。

4 結論

此新型家庭智能分類垃圾桶能有效對垃圾進行分類并且使用方便實現了語音控制，能夠檢測垃圾的存儲狀況并反饋，人們可以通過手機獲知其信息，并且為了遵從安全與綠色生活，實現了火災隱情和燃氣泄漏預報，功能較完善。此裝置既適用于家庭也適用于公司、大型企業等，并且可以通過具體的需求進行專門化改進與設計,實用性強，具有很好的應用前景。