一種新型家庭智能分類垃圾桶設(shè)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(shè)計背景

垃圾分類是對垃圾收集處置傳統(tǒng)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(tài)環(huán)境治理的關(guān)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(jù)調(diào)查很多人不能正確的區(qū)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(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識逐漸增強，對于整潔的生存環(huán)境和對高質(zhì)量生活品質(zhì)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(shè)計能夠有效地進行垃圾類別智能識別，最大限度地實現(xiàn)垃圾資源利用，改善生存環(huán)境狀態(tài)。

2 設(shè)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(xiàn)方便快捷的智能垃圾分類并且能夠?qū)崿F(xiàn)煙霧報警的功能，從而進行安全監(jiān)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：總體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的云臺，由其上方和下方的兩個舵機控制其旋轉(zhuǎn)方向和角度，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)四種不同的垃圾，實現(xiàn)準確分類。分類機構(gòu)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(yīng)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(nèi)部分別套上相應(yīng)的塑料袋以方便人們的拿取。垃圾收集空間結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3：垃圾收集結(jié)構(gòu)

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(tǒng)總體框圖如圖4所示。電控裝置采用stm32f103作為主控芯片，配有l(wèi)d3320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(xiàn)垃圾分類。同時煙霧傳感器模塊可感受到室內(nèi)煙霧濃度，當發(fā)生火災(zāi)煙霧超過正常室內(nèi)濃度時將信號傳遞給stm32單片機主控板再通過揚聲器發(fā)出警報并通過短信模塊向用戶手機發(fā)送火情信息。

圖4：系統(tǒng)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(qū)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(qū)域。

（2）紅外傳感器可檢測垃圾桶內(nèi)部垃圾是否裝滿，通過調(diào)節(jié)靈敏度可實現(xiàn)：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(tài)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(tài)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(yù)警功能

在垃圾桶上加裝5-30V供電的靈敏度可調(diào)的煙霧傳感器報警器，煙霧傳感器通過將外界煙霧濃度轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換功能并設(shè)置相應(yīng)濃度閾值實時監(jiān)測煙霧濃度，一旦煙霧濃度超標，煙霧報警裝置將會發(fā)出警報。當火災(zāi)場所發(fā)生的煙霧進入到感煙探測器的監(jiān)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(nèi)的空氣離成正負離子。當煙霧進入時，內(nèi)外電離室因極性相反，所產(chǎn)生的離子電流保持相對穩(wěn)定，處于平衡狀態(tài)；火災(zāi)發(fā)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(tài)而輸出檢測電度信號，經(jīng)后級電路處理識別后，發(fā)出報警，并向配套監(jiān)控系統(tǒng)輸出報警開關(guān)信號。能夠?qū)崿F(xiàn)出現(xiàn)火災(zāi)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(gòu)

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?qū)崿F(xiàn)進行全方位的移動便于在有限空間內(nèi)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(zhuǎn)軸呈45°。理論上這個夾角可以是任意值，根據(jù)不同的夾角可以制作出不同的輪子，但多為45°。驅(qū)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(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速通過齒輪組轉(zhuǎn)換成高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)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(wěn)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(tài)。

3 工作流程

首先打開桶蓋開關(guān)，按下“1”鍵，然后長按桶身正面按鍵，發(fā)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(xiàn)垃圾口的打開和選擇，投放至對應(yīng)區(qū)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?nèi)∽?。同時，該裝置還設(shè)置有煙霧報警裝置，當室內(nèi)煙霧濃度超過設(shè)定閾值時，產(chǎn)品會持續(xù)發(fā)出報警聲，并實時提醒發(fā)生到手機對應(yīng)APP上，由此可進行安全監(jiān)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(guān)閉，然后再打開蓋子，取出舊垃圾袋放入新的，最后關(guān)閉蓋子，打開電源。在產(chǎn)品連續(xù)“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(jié)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(xiàn)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(xiàn)了火災(zāi)隱情和燃氣泄漏預(yù)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(yè)等，并且可以通過具體的需求進行專門化改進與設(shè)計,實用性強，具有很好的應(yīng)用前景。