一種智能社區垃圾桶壓縮系統的設計

葉銜真 何世偉

（集美大學誠毅學院，福建 廈門 361021）

0 引言

垃圾桶作為一種常見的垃圾容納工具，在家庭、酒店和社區等場合應用廣泛[1]。隨著時代的進步，人們生活水平不斷提高，垃圾桶形式及用途也不斷更新發展，提高垃圾桶內的有效利用空間成為現代人類生活的迫切需要，設計一種智能社區垃圾桶自動壓縮系統，將產生良好的社會效益和經濟效益。本文從機械結構設計、壓縮板計算校核和單片機控制系統等三方面介紹智能社區垃圾桶壓縮系統的設計。

1 智能垃圾桶的機械結構設計

智能垃圾桶的機械結構包括傾斜機構、壓縮機構和升降機構等三部分，機構的靜態和上升狀態分別如圖1、圖2所示。

1.1 傾斜機構設計

由傾斜機構和垃圾桶本身組成了一個四連桿機構，其運動簡圖如圖3所示。DE為固定結構，保持水平，AB為傾斜機構短桿，而BC為傾斜機構長桿，CD為垃圾桶。傾斜機構ABC初始角度α保持在40°，在上升期間，由于地球引力，傾斜機構A′B′C′所組成的角度α逐漸變大，直至α=α′=180°，即∠ABC=180°，短桿與長桿重合成為一條直線。AE代表升降機構中的齒條，跟隨垃圾桶升降。

傾斜機構如圖4所示，可移動四連桿機構由上下移動桿、短桿、長桿和垃圾桶組合而成，隨著垃圾桶升起，由于垃圾桶自身和裝入其中的垃圾的重量，短桿與長桿所組成的α會逐漸變大，使垃圾桶傾斜。

1.2 壓縮機構設計

壓縮機構運動簡圖如圖5所示。MN為絲桿，O為壓縮板，壓縮板相當于一個滑塊在絲桿上做直線運動。壓縮機構由步進電機、絲桿、支撐桿、壓縮板和軸承座構成，采用雙電機為原動力，將旋轉運動轉化為直線運動。

1.3 升降機構設計

升降機構運動簡圖與壓縮機構運動簡圖類似，其升降機構都是由齒輪齒條來實現運動過程的。

垃圾桶傾卸垃圾前需升高到一定高度，這就需要用到升降機構。垃圾桶滿后工作人員來傾卸垃圾，按下上升按鈕，大功率直流電機帶動齒輪同步轉動，齒輪轉動使與之嚙合的齒條上升，齒條兩端固定在上、下兩根移動桿上，垃圾桶底部和下移動桿連接，桶身上部則由傾斜機構連接到上移動桿，齒條上升帶動垃圾桶整體一起上升。垃圾桶下降也是根據同樣的原理，按下下降按鈕，只要讓直流電機反方向轉動即可。

升降機構由導軌、上/下移動桿、固定桿、電機、齒輪齒條構成。固定桿的作用是裝載直流電機，即固定住齒輪高度，當齒輪齒條相對運動時，實質上是讓齒條產生位移量[2]。

2 壓縮板計算校核

壓縮板材料為亞克力板，尺寸規格為230 mm×230 mm×5 mm，在受力計算校核中將其視為一根橫梁，兩端固定在絲桿上，主要受到絲桿對其產生的力，壓縮板上下移動，將其簡化為一端固定、一端可移動的簡支梁模型來分析，如圖6所示。

點A和點B分別是壓縮板與兩絲桿的固定位置，其中，AB的長度為200 mm；力F為壓縮板對垃圾所施加的力，FA和FB是絲桿給予壓縮板的反力，點C是垃圾主要受力的集中點，假設AC長度為m，F=4 N。

根據平衡方程ΣM=0，對點B進行分析，ΣMB=0，即：

解得：

對A點進行分析，ΣMA=0，即：

解得：

以壓縮板左端A點為原點坐標，直線AB為x軸，過A點垂直于AB建立y軸，建立平面直角坐標系，如圖7所示。

根據剪力和彎矩的計算方法，如圖8所示，求得這一截面上的Fs和M分別為：

以上兩式為壓縮板在AC段中的剪力方程和彎矩方程。而在BC段剪力方程和彎矩方程為：

Fs在m=100時左右兩邊相等，當m無限接近于0和200時，剪力達到最大值，該最大值為4 N，遠遠小于材料的斷裂疲勞強度；從彎矩方程來看，彎矩的大小不僅與m有關，還與截面距離點A的長度x有關，結合彎矩圖可以看出，無論x取何值，彎矩最大處總是與參數m的值即F的受力點有關。當m=100時，彎矩最大為200 kN·m，小于壓縮板材料的抗彎強度，因此壓縮板可正常使用。

3 單片機控制系統

采用HT66F70A單片機作為整個系統的核心，控制垃圾桶的各項功能，使其獨立準確地完成各項工作。HT66F70A是HT66Fx0A系列的其中一款單片機，共有8組IO口，分別命名為PA、PB、…、PH，每組含有8個IO端口，用組名加上數字命名，從數字0開始，分別是PA0、PA1、…、PA7，其引腳圖如圖9所示，每個引腳都具有復用功能，編寫程序時應對3個IO口的寄存器和引腳共用寄存器進行初始化設置。

桶蓋壓縮機構采用電機控制驅動機械結構，而單片機的IO口無法直接驅動電機，采用L298N專用電機驅動芯片，其不僅可同時驅動兩個兩相電機，還可驅動一個四相電機[3]。采用PWM調速的方法對電機進行調速，開關管在一個周期內的導通時間為t，周期為T，則電機兩端的平均電壓U=Vcc·（t/T）=αVcc，其中，α=（t/T）為占空比，Vcc為電源電壓，電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快。

4 結語

智能社區壓縮垃圾桶桶蓋由紅外感應控制，不用時關閉，能有效抑制垃圾散發氣味，防止其他動物亂翻垃圾桶，也有利于里面的壓縮機構安全操作；內置壓縮機構通過其他傳感器的檢測，控制壓縮機構行程，合理利用空間，減少人力、物力的消耗；短信收發模塊會在垃圾桶滿后自動發短信到手持終端上，提醒人及時處理，節約資源。該設計適用于不同工況的公共區域，其獨特的智能壓縮系統大大提升了垃圾桶的利用率及工作效率，具有良好的市場前景和利用價值。