智能環(huán)保的壓縮垃圾桶設計

李智杰，李吉清，盧志明，盧卓浩

（上海工程技術大學，上海 200000）

通過查閱相關資料，可以了解到，現(xiàn)有的垃圾主要分為金屬垃圾、玻璃垃圾、塑料垃圾、紙張垃圾和其他垃圾。紙張垃圾主要為紙張和包裝盒，塑料和玻璃垃圾主要為飲料瓶和啤酒瓶，其中塑料垃圾及紙張垃圾占比較大。這種垃圾都有一個顯著的特點，體積比較大，但是可壓縮性強，在垃圾桶中占有大量的空間。

2019 年中國垃圾分類治理全面展開，但對于扔垃圾這件事，仍有很多不便，對于現(xiàn)在的城市來說，生活節(jié)奏的一致導致扔垃圾的時間相對比較集中，其中包裝所產生的垃圾就占有不小的比例。包裝一般體積大，但可壓縮，會讓垃圾桶虛滿，以至于出現(xiàn)垃圾丟棄于垃圾桶周圍的現(xiàn)象，既不美觀也不衛(wèi)生。本項目設計一種智能環(huán)保的壓縮垃圾桶，是集控制、壓縮和反饋于一體的垃圾桶，用于緩解垃圾處理的壓力，便利生活。

1 整體設計

本項目設計了智能環(huán)保壓縮垃圾桶，以解決垃圾處理問題，提升垃圾處理的效率。垃圾桶主要由機械部分及電子部分組成。

機械部分主要是壓縮裝置、桶體設計及材料。

電子部分包括紅外線感應裝置、通信裝置、壓力傳感器、警示燈及反饋裝置。如圖1 所示。

圖1 整體設計圖

2 機械結構

2.1 桶體的設計

為了防止酸堿的腐蝕且保證桶體有一定的強度，同時防止高溫破壞桶體，桶體的材料采用鋁合金，外形依然選用圓柱體形，圓柱體型的桶體在相同的材料面積下可以制作出最大的體積，且易加工，節(jié)約制作成本。采用SolidWorks 軟件對垃圾桶進行建模設計。如圖2 所示。

圖2 桶體設計圖

2.2 壓縮裝置

壓縮裝置作為最重要的部分之一，其結構采用套裝式結構，內置螺桿，下用圓形支撐板用于接觸垃圾。如圖3 所示。這種設計讓整體的結構更穩(wěn)定，且耐壓，但是制作的成本相對較高一些。

圖3 壓縮裝置

動力源是24 V 電機提供動力，采用遙控器控制電機。需要壓縮時啟動電機，壓縮裝置運動，當支撐板底部壓力傳感器檢測到達一定壓力后，壓縮裝置回到初始狀態(tài)。當即完成一次壓縮。當垃圾超過一定體積時，通過紅外線感應裝置，感應垃圾已滿，提醒人員垃圾已滿，等待處理。

3 電子結構

電子結構有壓力傳感器及壓縮裝置的通信控制裝置，還有用于檢測溢滿的紅外線感應裝置及警示燈。

3.1 壓力傳感器

壓力傳感器。在不同的部位采用了不同的壓力傳感器，桶底的壓力傳感器采用了平面壓力傳感器，如圖4 所示。其易于安裝，結構牢固穩(wěn)定更適合桶底的復雜環(huán)境；還可以對接顯示器，顯示現(xiàn)在的壓力數(shù)值，易于觀察、收集和記錄數(shù)據(jù)。

圖4 桶底壓力傳感器

其基本原理為內部為應變阻抗，傳感器在受到外力時會產生形變，進而引起緊貼傳感器內部的應變片阻抗線性增加或減小，在有外部供電的情況下，輸出的差分mv 信號也線性增加或減小，傳感器通過組橋、調零、配平靈感度和溫補等之后輸出信號。

而壓縮裝置的支撐板底部的壓力傳感器采用的是薄膜壓力傳感器，這樣可以緊貼壓板不會對壓縮造成影響，且可以做壓力觸發(fā)功能。

薄膜壓力傳感器由綜合機械性能優(yōu)異的聚酯薄膜、高導電材料和納米級壓感材料組成。底層是柔性薄膜和復合其上的導電層，頂層是柔性薄膜和復合其上的壓感材料。兩者通過雙面膠貼合，并隔離上下兩層彼此分離的線路導通，金屬端口的輸出電阻隨著壓力的不同而發(fā)生變化。

柔性壓力傳感器在測量上采用分壓式測量，如圖5 所示，將壓力傳感器與R1 串聯(lián)，2 端分別接VCC 和GND，構成基本的分壓電路，分壓電壓接出為Vout?？梢詫毫Υ笮∽兓瘜膫鞲衅鬏敵鲭娮枳兓D為電壓變化信號。

圖5 柔性壓力傳感器電路

根據(jù)不同的應用需求可以適當?shù)剡x擇負載電阻R1，通常選取在1 k～100 kΩ。

Vout 接單片機ADC 接口，則可以檢測壓力的大?。唤覯CU 的外部中斷IO 口，則可以做壓力觸發(fā)功能。

3.2 紅外線傳感器

紅外線傳感器采用的是對射式傳感器，其動作可靠，環(huán)境需求低。紅外線傳感器安裝部位有2 個，一個是在進出口下方10 cm 處水平安裝，另一個則是安裝在進出口的凹槽處垂直安裝。

水平安裝的紅外線傳感器用于警示與提醒，垂直安裝的紅外線傳感器則用于保護與控制。其參數(shù)為出光面為6 mm；感應光電間距為0.4 mm；光纖外徑為φ1.3 mm；光纖內經為φ0.25 mm×16 芯×2；工作溫度為-55～70 ℃；最小彎曲半徑為R15 mm。如圖6 所示。

圖6 紅外線傳感器

4 保護與警示設計

當壓縮動作已經被執(zhí)行時，壓縮裝置會進行兩環(huán)反饋控制，一個是支撐板處壓力傳感器傳導的壓力信號及垂直安裝的紅外線感應裝置的信號。指令發(fā)出后，進入循環(huán)，若感應到壓力超過設定值或紅外線感應接收端已經無信號則停止壓縮動作。壓縮裝置恢復初始狀態(tài)。

紅外線傳感器的保護作用在于，當人員手部進入垃圾桶時，或其他物品卡住垃圾桶進出口時，則壓縮動作被打斷，起保護作用。

壓力傳感器的作用有2 個，一是正常地設定壓力值反饋，即已經完成壓縮的判斷標準。二也是為了保護人員不會被壓傷及裝置不會損壞。當紅外線感應器出現(xiàn)故障時，卡住的物體會對傳感器施力到達設定值則停止壓縮，人員不會手部使勁推壓縮桿時也有相同的作用，進而起到保護作用。

警示燈的設計也出于2 個目的，垃圾桶滿則是已滿提醒，當人員手臂進入垃圾桶時也會亮起，提醒人員危險。如圖7 所示。

圖7 控制與反饋

5 溢滿設計

溢滿設計采用了2 個傳感器完成，一是水平安裝的紅外線傳感器，二是安裝在桶底部的壓力傳感器，為了保證桶體不被破壞，且垃圾不過重，因為過重的垃圾不利于后續(xù)的處理。所以，在體積與質量的雙檢測上共同決定垃圾桶適不適合再壓縮，再承裝。

但溢滿設計的兩信號控制環(huán)與保護控制環(huán)的優(yōu)先級并不相同，垂直安裝的紅外線傳感器的控制環(huán)適用于整個動作，只要紅外線接收器信號消失，則停止動作，壓縮裝置恢復初始狀態(tài)。

但桶底部的壓力傳感器和水平傳感器的信號只作用于動作開始階段，命令開始執(zhí)行后，并不能打斷動作的繼續(xù)。這主要是因為支撐板底部壓力傳感器的設定壓力與桶底部設定壓力不同，桶底部的壓力傳感器設定值低于支撐板處的壓力設定值，隨著壓縮進行，底部壓力傳感器會持續(xù)地加大受力，進而超過設定值。壓縮時水平安裝的紅外線傳感器也會被壓縮裝置切斷信號。若簡單地設定為平行控制標準則會相互干擾。

選取桶底部壓力設定值5 kg，支撐板壓力設定值為35 kg。

6 結束語

隨著城市化的不斷發(fā)展，垃圾處理環(huán)節(jié)和垃圾的再利用環(huán)節(jié)是同樣重要的，為了生活的便利和進一步提升生活幸福感，進行智能環(huán)保的壓縮垃圾桶設計，通過在功能的設計及傳感器的設定與反饋系統(tǒng)的設置上提出一定思路，為解決垃圾處理問題提供了方案，提升垃圾處理的效率，在一定程度上降低了人力的損耗。