智能環(huán)保的壓縮垃圾桶設(shè)計(jì)

李智杰，李吉清，盧志明，盧卓浩

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 200000）

通過查閱相關(guān)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(gè)顯著的特點(diǎn)，體積比較大，但是可壓縮性強(qiáng)，在垃圾桶中占有大量的空間。

2019 年中國(guó)垃圾分類治理全面展開，但對(duì)于扔垃圾這件事，仍有很多不便，對(duì)于現(xiàn)在的城市來(lái)說(shuō)，生活節(jié)奏的一致導(dǎo)致扔垃圾的時(shí)間相對(duì)比較集中，其中包裝所產(chǎn)生的垃圾就占有不小的比例。包裝一般體積大，但可壓縮，會(huì)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(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jī)械部分及電子部分組成。

機(jī)械部分主要是壓縮裝置、桶體設(shè)計(jì)及材料。

電子部分包括紅外線感應(yīng)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(shè)計(jì)圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 桶體的設(shè)計(jì)

為了防止酸堿的腐蝕且保證桶體有一定的強(qiáng)度，同時(shí)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(duì)垃圾桶進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。如圖2 所示。

圖2 桶體設(shè)計(jì)圖

2.2 壓縮裝置

壓縮裝置作為最重要的部分之一，其結(jié)構(gòu)采用套裝式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置螺桿，下用圓形支撐板用于接觸垃圾。如圖3 所示。這種設(shè)計(jì)讓整體的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，且耐壓，但是制作的成本相對(duì)較高一些。

圖3 壓縮裝置

動(dòng)力源是24 V 電機(jī)提供動(dòng)力，采用遙控器控制電機(jī)。需要壓縮時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，壓縮裝置運(yùn)動(dòng)，當(dāng)支撐板底部壓力傳感器檢測(cè)到達(dá)一定壓力后，壓縮裝置回到初始狀態(tài)。當(dāng)即完成一次壓縮。當(dāng)垃圾超過一定體積時(shí)，通過紅外線感應(yīng)裝置，感應(yīng)垃圾已滿，提醒人員垃圾已滿，等待處理。

3 電子結(jié)構(gòu)

電子結(jié)構(gòu)有壓力傳感器及壓縮裝置的通信控制裝置，還有用于檢測(cè)溢滿的紅外線感應(yīng)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(jié)構(gòu)牢固穩(wěn)定更適合桶底的復(fù)雜環(huán)境；還可以對(duì)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(nèi)部為應(yīng)變阻抗，傳感器在受到外力時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變，進(jìn)而引起緊貼傳感器內(nèi)部的應(yīng)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(hào)也線性增加或減小，傳感器通過組橋、調(diào)零、配平靈感度和溫補(bǔ)等之后輸出信號(hào)。

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(huì)對(duì)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(jī)械性能優(yōu)異的聚酯薄膜、高導(dǎo)電材料和納米級(jí)壓感材料組成。底層是柔性薄膜和復(fù)合其上的導(dǎo)電層，頂層是柔性薄膜和復(fù)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(dǎo)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(cè)量上采用分壓式測(cè)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(gòu)成基本的分壓電路，分壓電壓接出為Vout。可以將壓力大小變化對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電阻變化轉(zhuǎn)為電壓變化信號(hào)。

圖5 柔性壓力傳感器電路

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

Vout 接單片機(jī)ADC 接口，則可以檢測(cè)壓力的大小；接MCU 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(duì)射式傳感器，其動(dòng)作可靠，環(huán)境需求低。紅外線傳感器安裝部位有2 個(gè)，一個(gè)是在進(jìn)出口下方10 cm 處水平安裝，另一個(gè)則是安裝在進(jìn)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(hù)與控制。其參數(shù)為出光面為6 mm；感應(yīng)光電間距為0.4 mm；光纖外徑為φ1.3 mm；光纖內(nèi)經(jīng)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(hù)與警示設(shè)計(jì)

當(dāng)壓縮動(dòng)作已經(jīng)被執(zhí)行時(shí)，壓縮裝置會(huì)進(jìn)行兩環(huán)反饋控制，一個(gè)是支撐板處壓力傳感器傳導(dǎo)的壓力信號(hào)及垂直安裝的紅外線感應(yīng)裝置的信號(hào)。指令發(fā)出后，進(jìn)入循環(huán)，若感應(yīng)到壓力超過設(shè)定值或紅外線感應(yīng)接收端已經(jīng)無(wú)信號(hào)則停止壓縮動(dòng)作。壓縮裝置恢復(fù)初始狀態(tài)。

紅外線傳感器的保護(hù)作用在于，當(dāng)人員手部進(jìn)入垃圾桶時(shí)，或其他物品卡住垃圾桶進(jìn)出口時(shí)，則壓縮動(dòng)作被打斷，起保護(hù)作用。

壓力傳感器的作用有2 個(gè)，一是正常地設(shè)定壓力值反饋，即已經(jīng)完成壓縮的判斷標(biāo)準(zhǔn)。二也是為了保護(hù)人員不會(huì)被壓傷及裝置不會(huì)損壞。當(dāng)紅外線感應(yīng)器出現(xiàn)故障時(shí)，卡住的物體會(huì)對(duì)傳感器施力到達(dá)設(shè)定值則停止壓縮，人員不會(huì)手部使勁推壓縮桿時(shí)也有相同的作用，進(jìn)而起到保護(hù)作用。

警示燈的設(shè)計(jì)也出于2 個(gè)目的，垃圾桶滿則是已滿提醒，當(dāng)人員手臂進(jìn)入垃圾桶時(shí)也會(huì)亮起，提醒人員危險(xiǎn)。如圖7 所示。

圖7 控制與反饋

5 溢滿設(shè)計(jì)

溢滿設(shè)計(jì)采用了2 個(gè)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?yàn)檫^重的垃圾不利于后續(xù)的處理。所以，在體積與質(zhì)量的雙檢測(cè)上共同決定垃圾桶適不適合再壓縮，再承裝。

但溢滿設(shè)計(jì)的兩信號(hào)控制環(huán)與保護(hù)控制環(huán)的優(yōu)先級(jí)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(gè)動(dòng)作，只要紅外線接收器信號(hào)消失，則停止動(dòng)作，壓縮裝置恢復(fù)初始狀態(tài)。

但桶底部的壓力傳感器和水平傳感器的信號(hào)只作用于動(dòng)作開始階段，命令開始執(zhí)行后，并不能打斷動(dòng)作的繼續(xù)。這主要是因?yàn)橹伟宓撞繅毫鞲衅鞯脑O(shè)定壓力與桶底部設(shè)定壓力不同，桶底部的壓力傳感器設(shè)定值低于支撐板處的壓力設(shè)定值，隨著壓縮進(jìn)行，底部壓力傳感器會(huì)持續(xù)地加大受力，進(jìn)而超過設(shè)定值。壓縮時(shí)水平安裝的紅外線傳感器也會(huì)被壓縮裝置切斷信號(hào)。若簡(jiǎn)單地設(shè)定為平行控制標(biāo)準(zhǔn)則會(huì)相互干擾。

選取桶底部壓力設(shè)定值5 kg，支撐板壓力設(shè)定值為35 kg。

6 結(jié)束語(yǔ)

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(jìn)一步提升生活幸福感，進(jìn)行智能環(huán)保的壓縮垃圾桶設(shè)計(jì)，通過在功能的設(shè)計(jì)及傳感器的設(shè)定與反饋系統(tǒng)的設(shè)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。