智能壓縮垃圾桶的設計與實現探究

摘要：在追求高品質生活和環保意識日益增強的今天，室內生活垃圾的處理成為了一個亟待解決的問題。傳統垃圾桶由于空間利用率低、頻繁更換垃圾袋等問題，不僅給家庭帶來不便，還加劇了白色污染。針對這一挑戰，提出了一種創新的室內小型可壓縮垃圾的垃圾桶設計（以下簡稱壓縮垃圾桶）。用物聯網技術，通過單片機AT89S51進行控制，配合小程序實現垃圾的自動壓縮，有效減少了垃圾體積，降低了垃圾清理的頻率，并減少了垃圾袋的使用。與傳統垃圾桶相比，壓縮垃圾桶在提升家庭使用體驗的同時，也有助于減少環境污染，具有顯著的實用價值和社會意義。

關鍵詞：物聯網智能環保自動控制智能垃圾桶

中圖分類號：TP29

ExplorationoftheDesignandImplementationofIntelligentCompressibleGarbageBin

HEYiZHANGYanZHAOYikai

SchoolofInformationScienceandEngineering，DalianOceanUniversity，Dalian，LiaoningProvince，116023China

Abstract：Inpursuitofahigh-qualitylifeandtheincreasingawarenessofenvironmentalprotectiontoday，thedisposalofindoordomesticwastehasbecomeanurgentissuetobeaddressed.Traditionalgarbagebins，withtheirlowspaceutilizationandfrequentneedforbagreplacement，notonlybringinconveniencetohouseholdsbutalsoexacerbatetheproblemofwhitepollution.Inresponsetothischallenge，thispaperproposesaninnovativedesignforanindoorminicompressiblegarbagebin（hereinafterreferredtoasthe"compressiblegarbagebin"）.ThedesignutilizesInternetofThingstechnology，controlled byamicrocontrollerAT89S51，andworksinconjunctionwithanapplettoachieveautomaticcompressionofgarbage，effectivelyreducingthevolumeofgarbage，loweringthefrequencyofgarbagedisposal，anddecreasingtheuseofgarbagebags.Comparedtotraditionalgarbagebins，thecompressiblegarbagebinsnotonlyenhancetheuserexperienceathomebutalsohelpstoreduceenvironmentalpollution，demonstratingsignificantpracticalvalueandsocialsignificance.Thisstudyaimstoprovideamoreefficientandenvironmentallyfriendlysolutionforindoorgarbagemanagementthroughtechnologicalinnovation.

KeyWords：InternetofThings;Intelligentenvironmentalprotection;Automaticcontrol;Intelligentgarbagebin

針對當前市面上所存在的垃圾桶大多功能較為單一、型號較大不便于家居使用的問題，如一種可以通過語音識別實現垃圾分類的智能垃圾桶[1]，本文的設計方向為用于室內的小型壓縮垃圾桶，旨在對垃圾桶的垃圾壓縮過程進行優化，改善室內生活垃圾過多、多次清理的不便、資源利用率不足等問題；降低垃圾袋更換頻率，追求更加智能化、自動化的生活方式。

1系統整體設計

1.1系統方案設計

基于對市面上垃圾桶的功能以及社會需求的分析，壓縮垃圾桶以單片機AT89S51為控制中心，結合檢測模塊、控制模塊、電機驅動模塊及其外圍電路構成了垃圾桶的智能控制和管理部分[2-3]。系統總體結構圖見圖1。

1.2垃圾桶結構設計

根據一般家用垃圾桶的尺寸，本次設計的壓縮垃圾桶尺寸為：300mm×300mm×400mm；壓縮垃圾桶由控制系統、輔助小程序和垃圾桶主體構成，其中垃圾桶主體分為壓縮部分、除臭吸附部分、踏板開蓋部分。電動壓縮垃圾桶由桶身、內膽、前后兩塊壓板、步進電機、電池、滾珠絲桿、直線軸承固定座、軸承座、導桿支撐座、滑軌、滑塊、背板、拉板、腳踏、蓋子、除臭蓋、除臭盒、活性炭網、銷、轉軸、底座、蓋子推桿、底座和螺絲螺母等所組成本設計的壓縮垃圾桶有3個功能，分別是垃圾自動壓縮功能、腳踏開蓋功能和垃圾除

1.3壓縮功能設計

本設計的壓縮機構由前后兩塊壓板、步進電機、電池、滾珠絲桿、直線軸承固定座、軸承座、導桿支撐座、滑軌、滑塊、背板和拉板等所組成。通過步進電機經由聯軸器帶動滾珠絲桿轉動，使安裝在滾珠絲桿上的直線軸承固定座下移，而直線軸承固定座帶動拉板一并下移，拉板（圖3側面白色立板）帶動前后兩塊壓板（圖3綠色部分）下移并對垃圾桶內的垃圾進行壓縮，最終通過電機提供動力完成對垃圾的自動壓縮功能。通過設計拉板的整體高度及前后兩塊壓板本身的桿的長度，最終電動壓縮垃圾桶可以將垃圾壓縮到垃圾桶的2/3。根據設計的壓縮垃圾桶的三維設計模型，截取壓縮垃圾桶在自動壓縮垃圾時的不同階段的剖視圖如圖3所示。當不需要對垃圾進行壓縮時，拉板帶動前后壓板上移，前后壓板分開后分別架在垃圾桶內膽圓弧切面上，不影響垃圾的投放。

2硬件設計

2.1主控模塊

AT89C51是一款功能豐富的8位單片機，具有可編程閃存存儲器、外設接口、中斷處理能力和低功耗特性等。AT89C51與Intel8051系列單片機兼容，還擁有兩種不同的節電工作方式可供選擇。它廣泛應用于多種嵌入式系統和控制應用中，包括智能家電、汽車電子、工業自動化和消費電子等領域。通過單片機輸出PWM波，并與電路中一些相應的儲能元件配合，改變了輸送到電樞電壓的幅值，從而實現電機的停止和啟動的目的。電機經由聯軸器帶動滾珠絲桿轉動，使安裝在滾珠絲桿上的直線軸承固定座下移，直線軸承固定座帶動拉板下移，拉板帶動前后兩塊壓板下移并對垃圾桶內的垃圾進行壓縮，最終通過步進電機完成對垃圾的自動壓縮功能。

2.2電源模塊

電源模塊以7805芯片進行穩壓以后為單片機提供5V的電壓。7805結構組成是用78/79系列三端穩壓IC來組成穩壓電源，所需的外圍元件極少，7805三端穩壓集成電路電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。

2.3檢測模塊

使用超聲波模塊檢測容器內雜物的裝載程度。單片機會向超聲波模塊發送一個至少持續10μs的高電平信號，這個信號被稱為“Trig”信號。接收到Trig信號后，超聲波模塊會自動發出8個頻率為40kHz的超聲波方波。當這些超聲波遇到容器內的雜物后，它們會反射回來。模塊會檢測這些反射回來的超聲波信號。一旦檢測到反射回來的超聲波，模塊會在“Echo”端口輸出一個高電平信號。單片機會使用內部的定時器來測量Echo端口高電平的持續時間，然后根據測量到的時間來計算超聲波與雜物之間的距離。

2.4電機驅動模塊

51單片機的最大電壓為5V，最大輸出電流為10mA。不能依靠單片機引腳去驅動電機，因此需要借助電機驅動芯片來完成。本系統采用L298N芯片。將電機連接到L298N芯片的輸出端口，以便控制電機的轉向。電源連接到L298N芯片的VCC和GND引腳，確保電壓和電流與電機的需求相匹配。將控制信號連接到L298N芯片的IN1、IN2引腳。連接L298N芯片的ENA引腳到單片機的數字引腳（P1.0），以控制電機的開啟和關閉，再通過使用相應的程序來控制L298N芯片，實現電機的轉向和速度控制；檢測模塊對應的I/O口變成高電平，電機則在L298N控制下進行工作，當電機轉速小于2r/s時前后壓板完成壓縮，檢測模塊對應的I/O變為低電平，電機停止工作，前后壓板停止壓縮。

2.5通信模塊

信號傳輸是物聯網的核心，云服務器是整個系統數據的處理及存儲站，是整個物聯網系統的重要組成部分[4]。物聯網技術的運用使得智能垃圾桶的操作變得更加便捷，如一種基于無線傳感器網絡的智能垃圾桶管理系統實現實時檢測和智能管理的垃圾桶[5]

本設計在物聯網技術控制方面采用云端控制，通過ESP8266通信模塊和小程序的方式來實現遠程控制和報警功能。使用騰訊云服務器來達到設計要求，將單片機的RX、TX引腳與ESP8266的TX、RX引腳相連（即交叉相連）并將波特率設為相同值來實現串行通信。利用串口助手發送指令及固件使其連接服務器。

本設計選用ESP8266的PDU模式，PDU模式不僅支持中文短信，也能發送數字和英文信息，數據傳輸通過MQTT協議實現。使用MQTT協議時，可以在云服務器上創建一個MQTTbroker，ESP8266模塊將數據發布到broker上，云服務器訂閱broker獲取數據；使用HTTP協議時，ESP8266模塊向云服務器發送HTTP請求，將數據上傳到云端。在本系統中出現事件時，需要主控制器通過ESP8266給用戶發送信息。當系統中的任一傳感器檢測到異常時，控制系統會按照預先設置好的內容發送給用戶。在與主控板連接時，需預先將其與PC連接進行測試，利用串口助手將ESP8266連接到TCP服務器。發送AT+CIPSTART="協議模式"，"服務端IP地址"，端口號建立連接，發送AT+CIPMODE=1，開啟透傳模式。然后，再發送AT+CIPSEND，才真正開始透傳發送。此時，發送的任何數據，能夠直接傳輸到服務器與單片機進行數據傳輸。

3軟件設計

本系統采用結構化模塊程序設計，便于設計、調試和維護，可以增強系統的可靠性。壓縮垃圾桶軟件流程圖如圖5所示。系統開機后，進行初始化并檢測各個傳感器工作狀態，系統進行判斷是否收到壓縮指令，若沒收到指令，判斷垃圾量，若到達超聲波傳感器設置高度就向用戶發送提示，沒滿則重新檢測各個傳感器直到垃圾高度達到壓縮設定高度，到達設定壓縮高度后進行壓縮同時向用戶反饋信息，壓縮完成后重新檢測各個傳感器狀態并向用戶反饋。對于垃圾滿箱檢測時，若桶內剩余空間小于設定值，垃圾桶蓋都會自動閉合，防止異味散出；并通過小程序提醒用戶及時清理。

4小程序設計

為了提高用戶的使用體驗以及服務質量，本文設計了與壓縮垃圾桶控制系統相輔相成的小程序啟動系統，終端部分采用微信小程序使用戶控制垃圾桶的工作狀態。終端利用微信開發者工具開發微信小程序。微信開發者工具能幫助微信后臺頁面的開發者更便捷、安全地調試微信內的網頁，而無須去借助一些模擬類軟件。微信開發者工具開發原理是集成了ChromeDevTools和基本的移動調試模塊，可進行微信內網頁調試與微信小程序調試，開發的小程序具有獨有的優勢，優勢如下：微信小程序無須下載安裝、體驗流暢、與微信生態融合可以大大降低開發成本和運營成本，不用單獨下載App，更為大眾所接受[6]。小程序控制器程序流程圖如圖6所示，啟動后可通過小程序看到界面結果如圖7所示。當高度超過預設值時，小程序將顯示到如圖8所示。

連接到Wi-Fi與服務器，再將程序導入微信小程序開發工具中，修改文件信息與8266中信息相同，點開調試工具上傳，即可連接設備。

5結語

本設計以環境保護為出發點，結合物聯網技術；推進更現代化、智能化、環保化的生活方式。本設計采用SolidWorks將各機構方案進行建模，以此更為直觀地了解之間對各個機構的設計，化方案為具體模型。本文對自動壓縮垃圾桶的總體設計已經全部完成，包括三維建模、二維工程圖以及各種零部件的計算選型，但一些模塊的智能化還有待改善，離真正的智能家居還存在一定的距離。本文所設計的壓縮垃圾桶功能較多，使用方便，確切滿足了當代家庭對垃圾打包需求，壓縮功能有效提高了資源與空間使用率，具有一定的現實意義與使用價值。

參考文獻

<！--[if ！supportLists]-->[1]<！--[endif]-->馬浚剛，朱振興，楊夢龍，等.STM32F103C8T6的語音識別智能垃圾桶[J].電子世界，2021（14）：104-106.

<！--[if ！supportLists]-->[2]<！--[endif]-->李紅娣，李紅強.面向工業自動化的物聯網技術的應用研究[J].中國新通信，2021，23（3）：105-106.

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[6]張昕騰.基于微信小程序的高校校園信息整合平臺的設計與實現[J].科技與創新，2023（8）：54-57.