自動封裝換袋垃圾桶的設計＊

黃 河，李新杰，曲宏博

（鄭州科技學院車輛與交通工程學院，河南 鄭州 450052）

1 研究背景

在智慧城市建設不斷深化的影響下，越來越多的人選擇使用智能家電，智能垃圾桶自然也在其中，它們的出現，給人們的生活帶來了極大的便利。隨著智能家具的不斷更新，智能垃圾桶功能也從一開始的僅能自動開蓋[1-3]升級到現在的可以一鍵打包換袋[4-6]。

以前人們所使用的垃圾桶多為敞口設計，桶內異味容易散發，特別是在夏天，如果垃圾桶內裝有一些容易腐爛的垃圾，一旦不及時清理，不僅桶內異味會到處亂竄，還容易滋生很多小飛蟲，嚴重影響生活品質。另外，以前人們所使用的垃圾桶在清理時還需要親自動手收拾垃圾、給垃圾袋封口、更換新垃圾袋等，不僅步驟煩瑣，還必須直接接觸垃圾，和垃圾上附著的細菌病毒“打交道”，在當下疫情爆發的形勢下，尤為不衛生。針對這些問題，設計一種封閉式的可以自動打包換袋的垃圾桶可以很好地解決這些問題。

2 自動打包換袋垃圾桶的總體設計

采用3Dmax軟件對垃圾桶的結構設計進行，采用Polylactic acid材料及3D打印機對垃圾桶的結構進行加工、組裝，基于STC89C51技術[7]和傳感器技術[8-10]對垃圾桶的功能進行設計。

2.1 自動打包換袋垃圾桶的結構設計

自動打包換袋垃圾桶的結構設計具體如下：①STC89C51單片機作為自動打包換袋垃圾桶的中央處理器，是整個裝置數據處理、算法實現和邏輯控制的中心。②觸摸開關用于判斷使用者下達的工作命令，給中央處理器判斷工作模式提供數據基礎。③滑動式弧型桶蓋內部有一條齒帶，通過齒輪機構與舵機相連，在舵機的控制下可以完成上下滑動；同時對桶蓋進行了密封設計，在桶蓋關閉時不僅可以隔絕桶內異味，還能阻斷垃圾桶內部的病毒細菌向外擴散。④熱紅外人體傳感器為系統提供了視覺平臺，當有人靠近或離開垃圾桶時會向中央處理器反饋2種不同的信號。⑤激光對射傳感器通過記錄并處理從光脈沖發出到返回并被接收所經歷的時間，來計算垃圾袋距傳感器的距離，進而判斷垃圾袋是否到達指定高度。⑥氣泵通過硅膠軟管與彈簧吸盤相連，通過氣泵抽氣使彈簧吸盤內部產生負壓強進而吸附垃圾袋，完成垃圾袋的抓取工作。⑦封口設備采用2組電熱絲，加熱電熱絲到一定溫度再與垃圾袋接觸可以融化垃圾袋進而完成垃圾袋的封口工作。⑧溫度傳感器用于判斷電熱絲是否達到預值，給中央處理器的下一步工作提供數據基礎。⑨傳動板上組裝著彈簧吸盤、電熱絲和溫度傳感器，2塊傳動板通過正反絲螺母與雙絲絲桿相連，是整個垃圾桶的傳動裝置，可以通過控制傳動板的移動進而控制吸盤的移動。⑩壓緊板主要負責在垃圾袋撐開后，將垃圾袋壓在彈簧吸盤上，保證在氣泵斷電后垃圾袋不滑落。?垃圾袋固定裝置由滾筒和夾板組成，把垃圾袋纏繞在滾筒上再通過底部夾板將垃圾袋固定在豎直方向。

2.2 自動打包換袋垃圾桶的控制設計

控制系統由中央處理器、觸摸模塊、電源模塊、傳感器模塊、運動模塊、加熱模塊和負壓模塊7部分組成。主控模塊采用STC89C51單片機，擁有32個可編程的I/O口線、輸入和輸出均為電頻信號。觸摸模塊由1個觸摸開關組成，通過使用者的觸摸次數判斷垃圾桶的工作模式。電源模塊由12 V直流蓄電池和太陽能電池板組成，在有光的條件下，太陽能電池板可以將光能轉換為電能持續為蓄電池充電[11]；在無光的條件下，可以直接接通電源為蓄電池充電，保證系統電量的供應。傳感器模塊由人體紅外傳感器模塊和激光對射傳感器模塊組成。人體紅外傳感器模塊用于檢測是否有人靠近垃圾桶，為中央處理器控制滑動式弧形桶蓋的開啟與關閉提供數據基礎；激光對射傳感器模塊用于檢測垃圾袋是否上升到指定區域，為中央處理器控制傳動板的合離提供數據基礎。運動模塊主要由步進電機和雙絲絲桿組成，步進電機與絲桿通過聯軸器相連。當中央處理器下達正轉或反轉命令后，步進電機會正轉或反轉進而控制傳動板的合、離。加熱模塊采用電熱絲，在中央處理器下達封口命令后，電熱絲開始加熱，當電熱絲加熱到達指定溫度后會對垃圾袋進行熱熔封口。負壓模塊主要由氣泵和彈簧吸盤及硅膠軟管組成，在中央處理器下達換袋命令后，氣泵抽氣，吸盤與垃圾袋接觸后，吸盤內產生負氣壓，會吸附垃圾袋，然后控制吸盤運動進而完成換袋工作。自動打包換袋垃圾桶的控制系統如圖1所示。

圖1 自動打包換袋垃圾桶的控制系統

2.3 自動打包換袋垃圾桶的工作運行流程

2.3.1 自動打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程

當使用者靠近自動打包換袋垃圾桶時，熱紅外人體傳感器會接收到特定波長的紅外線信號，然后傳感器會將所接收到的信號傳遞到中央處理器（STC89C51），中央處理器經過判斷后會向弧形桶蓋控制系統下達開蓋命令，弧形桶蓋隨之打開；當使用者遠離自動打包換袋垃圾桶后，熱紅外人體傳感器將失去特定波長的紅外線信號，然后傳感器會再次向中央處理器傳遞數據，中央處理器經過判斷后會向弧形桶蓋控制系統下達關蓋命令，弧形桶蓋隨之關閉。自動打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程如圖2所示。

圖2 自動打包換袋垃圾桶桶蓋工作流程圖

2.3.2 自動打包換袋垃圾桶打包換袋工作流程

當使用者按下觸摸開關后中央處理器會收到相應的信號，中央處理器收到信號后會判斷相應的工作模式。若啟動打包模式，中央處理器會下達加熱指令，當電熱絲加熱到180°后溫度傳感器會向中央處理器傳遞信號，隨后中央處理器會向運動模塊下達正轉命令，步進電機正轉N圈，2塊傳動板相擠壓對垃圾袋進行熱熔封口，t秒后，步進電機會在中央處理器的命令下反轉N圈回到初始位置，隨后紅色LED燈閃爍提醒使用者提走垃圾袋，至此封口工作完成；若啟動換袋模式，使用者在更換第一個垃圾袋時，需要手動提起第一個垃圾袋，當垃圾袋到達預定位置后，激光對射傳感器會收到“異常”信號，隨后傳感器會將信號傳遞給中央處理器，當中央處理器收到信號后會向運動模塊下達正轉命令，步進電機正轉N圈，2塊傳動板相擠壓，使彈簧吸盤與垃圾袋接觸，隨后氣泵組開始通電工作，吸盤內產生負壓強，在大氣壓的影響下吸盤會吸附垃圾袋[12]，m秒后電機反轉N圈，垃圾袋會在吸盤的吸附下隨著傳動板的向外移動而隨之撐開，當傳動板回到初始位置后，壓緊板開始工作，將垃圾袋壓在吸盤上，隨后吸盤斷電藍色LED燈閃爍t秒。

因所有垃圾袋是連在一起的，當使用者提走一個打包完畢的垃圾袋時，一個新的垃圾袋會隨之被提起，此時系統會通過激光對射傳感器傳遞的信號自動完成更換垃圾袋的工作。自動打包換袋垃圾桶打包換袋流程如圖3所示。

圖3 自動打包換袋垃圾桶打包換袋流程圖

3 結論

本設計以STC89C51單片機為主控芯片，實現了人體感應、自動打包換袋等主要功能。人體紅外傳感器模塊監測到有人靠近或離開垃圾桶時，垃圾桶自動開/合蓋，電熱絲擠壓垃圾袋完成封口，氣泵吸附垃圾袋完成換袋。本產品具有結構簡單、操作方便等優點，并響應智慧城市建設號召，在未來有很好的發展前景。