基于太陽能的智能垃圾分類處理裝置*

孫 帥，閆海敬，李國昊，張學鵬，劉冰心，張佳美，蘇志華

（濱州學院 機電工程學院，山東濱州 256033）

0 引言

本文主要解決垃圾分類問題，國內垃圾分類投放仍缺乏社會氛圍，大部分居民還不能進行“大類粗放”式的分類投放。應采取一些合理有效的措施，使其更加符合經濟性。國內已有一些關于垃圾分類的調查研究，其中有很多針對社區生活垃圾分類情況做的調查，也有許多關于生活垃圾分類應如何設置進行的研究。所以，應該提高居民的垃圾分類意識，使垃圾正確分類投放的社會氛圍變得更家和諧。

通過市場調研發現，目前的分類垃圾箱不能達到垃圾處理的最終目標，無法滿足當今社會的使用需求。本文所設計的裝置在當前市場上的垃圾分類系統裝置的基礎上增加了集彈射分揀、螺旋粉碎、擺錘擊碎、活塞壓縮、稱重收集于一體，通過單片機控制，太陽能供電的智能垃圾分類處理裝備，結合了新鮮垃圾處理設備、垃圾制肥設備、垃圾制磚設備、建筑垃圾處理設備、廢舊塑料處理設備、負壓風選機成套設備等優點。建立對應的機構模型，并在三維建模軟件上進行建模仿真，最終進行機器部件的定位和裝配，以及實物模型試驗驗證與調試，將試驗后的結果反饋進一步優化設計。本裝置所需的動力是通過太陽能板轉化而來，節能環保且節省勞動力。

1 總體設計方案

1.1 設計理念

該裝置的基本設計理念是智能、環保、節能，可同時高效完成分類、粉碎、壓縮等垃圾處理工作，并可廣泛應用于人群集中的場合。

1.2 設計原理

當機外垃圾投入機內時，通過傳感器檢測垃圾的類型，并將信號傳給單片機，單片機發出指令給執行機構，如圖1 所示，通過傳感器識別以及多個傳感器的組合運用，實現金屬、塑料、玻璃等物品的檢測，準確度高達95%。

傳感器檢測垃圾的類型，并將信號傳給單片機，單片機發出指令給執行機構，若為可回收垃圾則傳送帶正轉，否則反轉；傳送帶正傳將可回收垃圾送入不同的垃圾處理機構；若為金屬垃圾則第二傳感器響應，觸發絲桿傳動機構執行金屬壓縮功能，實現對金屬垃圾的壓縮并收集；若為玻璃垃圾則第三傳感器響應，觸發重力錘來回擺動將其擊碎并收集；若為熱固性材料塑料垃圾則第四傳感器響應，觸發粉碎旋刀將其粉碎并收集；傳送帶反轉則將垃圾推離傳送帶，送入不可回收垃圾箱。

2 機械結構

該裝置總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構

2.1 垃圾處理結構

（1）垃圾壓縮機構

當垃圾被傳送帶傳送至壓縮機構時，傳感器檢測到后向控制器反饋信息，滾珠絲杠開始正向旋轉，帶動零部件實現對易拉罐等金屬物品的壓縮，當壓縮完成后，觸發觸碰開關，絲杠反向旋轉復位。

（2）垃圾粉碎機構

旋轉粉碎器經過簡單變形后可變為中心軸支撐周圍刀片，通過軸承座進行固定，通過聯軸器與動力源相連接實現旋轉功能，外圓滾筒與機架相連接，實現了滾刀的相對轉動以達到粉碎的效果。

（3）垃圾收集裝置

垃圾收集器為垃圾收集裝置。系統分為上下兩部分，在機體的中間有足夠的空隙，通過空隙能保證垃圾的通過并到達垃圾分揀中轉站，經過機體下部旋轉粉碎器后的垃圾進入稱重模塊稱重，稱重后按照系統設定的程序將垃圾中轉站中的垃圾運至相應的垃圾收集器中。螺旋狀旋轉粉碎裝置分析智能垃圾分類處理裝置通過識別后可以對塑料瓶、紙杯等進行有效粉碎，且螺旋狀旋刀可使削碎后的垃圾順利落入稱重分類裝置。 通過系統自身形成的閉環控制系統自動運轉，參照發達國家的垃圾車，全部采用是自動封閉式、或自動加壓式，裝入的垃圾可以自動壓實。

（4）供電機構

本產品在使用后電量不足的情況下，太陽能電池板可供給電量，通過51單片機與光敏電阻配合，根據太陽的位置不同，利用舵機調節太陽能電池板的角度，使其光照接收面積最大，采用AD 轉換，運用光敏電阻對光照強度的感應，通過電阻值變化，并將電阻變化的模擬量轉化為數字量，單片機根據返回的數字量來調節太陽能電池板的朝向，使太陽能電池板實時保持最大限度接收光照?？梢詫崿F最大限度的光能轉化。

提高太陽能發電的消納和儲存將會提高太陽能轉換效率。可以參照Yablonovitch 提出了一些新的設計來進一步提升效率迫近理論極限，可以使用solar concentrator，聚焦入射光，對一些材料也適合提升效率。

2.2 控制機構

本產品控制結構分為以下3個部分。

（1）自動壓縮控制

本產品采用12 V 電機作為動力來源，運用繼電器控制電機的正反轉，進而實現活塞的進退，控制系統所使用的繼電器為低電平觸發，通過單片機的I/O 口輸出電平高低來實現對繼電開關的控制，進而控制壓縮機構。

（2）粉碎中轉分離控制

傳感器相應引腳與單片機I/O 口相連，通過傳感器反饋給單片機電平信號，單片機將信號處理后輸出不同的信號進而控制機器運轉，構成了此系統的閉環控制，進一步實現了前進后退的壓縮等功能，并且進一步提高了分離垃圾精確度。

（3）電機控制

運用繼電器來控制電機的正反轉，實現垃圾的分揀、壓縮、粉碎、中轉、收集，所使用的繼電器為低電平觸發，通過單片機的I/O 口輸出電平高低實現對繼電器的控制，使控制系統實現命令時更加精確。如圖2 所示，3 個分控制系統相互聯結，經過陽光照射后，會將信號傳遞給控制芯片，并且多路控制方式處理，并用電流環方法進行通信傳輸，編寫好的程序單片機與發射端設置好接口后，讀取數據，再通過簡單地判定，分析收到的指令，從而向電機控制器發送方向和速度，來完成相應的動作。并供各類強弱電標準的輸入輸出接口的辦公多媒體控制系統，使辦公環境中各類電器設備可以共享使用并統一控制。

圖2 線路機構

3 硬件、軟件技術性能測試

3.1 硬件測試

測試內容：（1）電路檢測，先檢查電路板質量是否合格，連接之后用萬用表檢測電路有無短路、斷路情況；（2）檢測繼電器開關是否正常工作，包括是否正確連接電路和電線是否完整；（3）按下主電源按鍵，觀察各個傳感器是否正常工作，同時，觀察各電機是否有轉動的變化。

3.2 軟件測試

產品整機調試改進，進行產品優化，測試軟件調試在Keil 條件下進行，分各個模塊結合硬件調試進行。之后再對得出的結果進行分析，利用設計的模型進行仿真測試，再次確定設計方案，按照設計要求購買所有標準件，并對自行設計的零件進行加工制作；對不足之處進行改進和優化。

3.3 關鍵技術

關鍵技術包括以下幾個方面：（1）多個傳感器的組合運用，實現金屬、塑料、玻璃等物品的檢測，準確度高達95%；（2）螺旋狀旋轉粉碎裝置可以對塑料瓶、紙杯等進行有效粉碎，且螺旋狀旋刀可使削碎后的垃圾順利落入稱重分類裝置；（3）大扭矩電機帶動滾珠絲杠轉動，絲杠螺母連接壓縮裝置可對易拉罐進行有效地壓縮。

4 理論設計

4.1 電機輸出扭矩理論計算

產品所需直流減速電機有兩個。

電機的輸出扭矩：

式中：T為電機的輸出扭矩；P為電機的功率；n為電機轉速。

電機1的功率P=0.015 kW，轉速n=50 r/min，則電機1的輸出扭矩T=2.865 N·m。

電機2的功率P=0.01 kW，轉速n=350 r/min，則電機2的輸出扭矩T=0.273 N·m。

4.2 滾珠絲杠的強度校核

扭矩計算如下：

式中：M為絲杠承受的扭矩；τ為絲杠承受的剪切力；W為抗扭斷面系數。

絲杠外徑D=20 mm，工作時最大扭矩為100 N·m，絲杠桿抗[τ]=60 MPa，則：

絲杠的最大切應力：

綜上所述，絲杠滿足強度條件，所以此滾軸絲杠可安全使用。

5 外部及內部的材料要求

5.1 外部材料要求

基于太陽能供電的垃圾處理裝置的主體框架結構使用30 mm×30 mm×2 mm 的三角鐵。通過調查研究決定采用以下兩種材作為主體支架：Q235B 型材與Q345B 型材（Q345B 用于制造有較高強度的框架；Q235B 用于制造低強度的框架）。

5.2 內部材料要求

（1）從經濟方而考慮，該機的焊接件全部采用普通鋼材焊制，其強度完全可以滿足工作要求。主體框架與內部機架為主要部件，在其上還要布置軸承座、絲桿、光軸等。鑒于垃圾中水分較多，故內部材料選用應首先考慮耐銹蝕材料。

（2）電動機的選擇。電機型號的選擇要既能使箱體內部功能實現，又不至于因太大找不到適應的電源。要防止垃圾分揀處理過程中電流過載使電機和傳感器一起損壞。

6 結束語

受到我國經濟發展水平等相關因素的制約，目前，我國居民的垃圾分類意識依然有欠缺。“社會上缺乏垃圾投放分類的氛圍”，這是中國人民大學暑期調研小組的直接感受。在調研人員對于多個小區的抽樣調查中，近95%的被調查垃圾桶是混裝的。

本設計系統的性能相對于傳統意義上的垃圾回收裝置有較大的提升，有著獨特的預處理和收集裝置。并且較市面上的垃圾回收裝置具有較小的體積，本系統在數據控制下，系統智能化，裝置對垃圾進行自動分揀、粉碎等預處理，并且用機器取代人工，減少后期再次分揀時人力物力的浪費，既節約了生產成本又提高了工作效率。