一種防病毒外溢的智能垃圾桶結構設計和功能實現＊

黃 河，李新杰，孔令強

（鄭州科技學院車輛與交通工程學院，河南 鄭州 450052）

1 研究背景

在疫情爆發的特殊時期，世界各地的醫療垃圾大量產生，這些垃圾主要集中在醫院附近且往往附著著大量的病毒，任病毒的傳播不僅會造成環境污染，還有可能引起疫情的再次爆發。

醫療垃圾桶作為醫療廢物的承載器具，內部自然含有大量的有害病毒，屬于病毒傳播的源頭。如此，減少醫療垃圾桶桶內病毒擴散的問題顯得尤為重要。目前世界上的智能垃圾桶的研究還處于初步階段，大部分的智能垃圾桶只能做到自動開蓋[3-4]，用于醫療的智能垃圾桶更是少之又少。國內的醫用垃圾桶依舊是以高密度聚乙烯原料注塑成型的腳踏式垃圾桶為主，雖然這種垃圾桶有一定的密封性，但垃圾桶內的病毒依然容易擴散，在這個特殊的時期存在很大的安全隱患。如果能設計一款醫用的智能垃圾桶，使其擁有密閉空間[5]的同時還具備負壓的功能[6]以及消毒功能[7]，就能有效地對病毒進行防控。

2 醫療智能垃圾桶的總體設計

2.1 醫療智能垃圾桶的研究目的和研究思路

2.1.1 研究目的

在新冠疫情爆發的環境下，對病毒的防控顯得尤為重要。醫院作為當下時期人流量的較大的地區，對病毒的防控要更加地細致入微。針對現有醫療垃圾桶病毒防控效果差的問題設計一種防病毒外溢的醫療智能垃圾桶，包括內外雙桶的設計、內部的負壓設計以及桶蓋處的密封設計和桶口處的消毒設計。這款垃圾桶在桶蓋未打開時，垃圾桶內部時刻處于密封負壓狀態，有效防止病毒外溢；在垃圾桶蓋打開時，產生對桶內氣流，向垃圾桶內部吸附病毒，同時在桶蓋打開時還能在桶口處噴灑霧狀84消毒液對病毒進行初步的滅活處理。整個垃圾桶功能的實現可以有效降低病毒傳播的風險。

2.1.2 研究思路

主要研究思路如下：①利用密封橡膠條氣密性和負壓的吸附性使桶蓋緊貼在桶口處，在垃圾桶內部桶形成密封環境，用以防止桶內部的病毒向桶外擴散；②利用紅外人體傳感器對人體恒定體溫發射的特定波長（人體在37℃會發射10 μm左右的紅外線）紅外線的針對性檢測（其他物體發出的紅外線不會被接收），針對人體進行探測識別；③利用負壓風扇和單向氣閥相結合的單向抽風性[8]，可以對垃圾桶內部進行降壓處理，制造負壓環境；④利用84消毒液的氧化性在桶口處對病毒進行氧化滅活處理；⑤利用空氣濾清器對垃圾桶內部的空氣進行消毒除菌處理[9]。

2.2 智能醫療垃圾桶的結構設計

醫療智能垃圾桶結構的6部分具體如下：①熱紅外人體傳感器[10]為系統提供了視覺平臺，充當著智能負壓垃圾桶的眼睛，為中央處理器分析周圍環境和下一步行動決策提供數據基礎。②STC89C51單片機作為智能醫療垃圾桶的中央處理器[11]，是整個裝置的數據處理、算法實現和邏輯控制的中心。③負壓風扇和單向氣閥作為智能醫療垃圾桶的負壓裝置，在垃圾桶打開時可以引導氣流對內流動（從桶口流向桶底的氣體過濾裝置），防止病毒從桶口處擴散；在垃圾桶關閉時可以抽出桶內的空氣，為垃智能醫療圾桶的內部制造負壓環境，避免病毒外溢。④滑動式弧型桶蓋[12]，通過齒輪傳動機構與舵機相連。在待機時，桶蓋關閉且與密封橡膠條緊密相貼，保證氣密性，有效阻斷垃圾桶內部病毒向外擴散；工作時，在打開或關閉的瞬間引起的氣流變化較小，不易引起桶內病毒擴散。⑤消毒液噴灑裝置在弧型桶蓋打開或關閉時，在垃圾桶桶口處噴灑霧狀的84消毒液，對病毒進行簡單的滅活處理；⑥微型空氣濾清器作為智能醫療垃圾桶的氣體凈化裝置，與單向氣閥相連接，會將負壓風扇運轉時所引導的氣流進行凈化，進一步加強對病毒防控。

2.3 醫療智能垃圾桶的模塊化控制設計

醫療智能垃圾桶的控制系統由中央處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊、消毒模塊、負壓模塊以及動力模塊6部分組成，如圖1所示。中央處理器采用STC89C51單片機，擁有32個可編程的Ⅰ/O口線，輸入和輸出均為電頻信號；電源模塊由太陽能電池板和12 V直流蓄電池組成，2塊6 V PET型太陽能電池板可以持續為蓄電池充電，保證系統電量的供應；傳感器模塊由人體紅外傳感器模塊和氣壓傳感器模塊組成，型號為HC-SR501的人體紅外傳感器模塊用于檢測是否有人靠近垃圾桶，型號為BMP280的氣壓傳感器模塊用于檢測桶內氣壓的高低；消毒模塊用于控制置于桶口處的霧化器噴灑與停止；負壓模塊負責驅動負壓風扇組的開啟與關閉；動力模塊用于控制舵機的轉動。

圖1 醫療智能垃圾控制系統

2.4 醫療智能垃圾桶的工作運行流程

當醫用智能負壓垃圾桶的使用者靠近垃圾桶時，熱紅外人體傳感器會接收到特定波長的紅外線信號，然后將所接收到的信號傳遞到中央處理器（STC89C51），中央處理器經過判斷后會向弧形桶蓋控制系統下達開蓋命令，弧形桶蓋在齒輪傳動裝置和舵機的帶動下打開；桶蓋打開后，垃圾桶內部的氣壓會瞬間增大，置于垃圾桶內部的氣壓傳感器檢測到異常氣壓后會向中央處理器反饋信號，中央處理器經過判斷后會同時向消毒噴灑系統發出噴灑指令和風扇控制系統發出工作指令。

之后，置于垃圾桶桶口處的消毒噴灑裝置會向桶口處噴灑出霧狀消毒液，與此同時負壓風扇開始高速運轉，氣流從桶口處流向桶底部經過單向氣閥流入的過濾盒，最終流向桶外。t秒后，消毒噴灑裝置自動停止噴灑，負壓風扇繼續運轉；當使用者遠離醫療智能負壓垃圾桶后，特定波長的紅外線會消失，熱紅外人體傳感器將失去信號，之后傳感器會再次向中央處理器傳遞信號，中央處理器在經過判斷后會向弧形桶蓋控制系統下達關蓋命令，弧形桶蓋隨之關閉，垃圾桶內部回到密封環境，垃圾桶內部的氣壓隨之開始降低。當桶內氣壓降到一定數值后，氣壓傳感器會將檢測到的信號反饋到中央處理器，中央處理器接收到信號后會對負壓風扇系統發出停止工作指令。負壓風扇隨之停止運轉。至此醫療智能負壓垃圾桶完成一次工作流程，如圖2所示。

圖2 醫療智能負壓垃圾桶工作流程圖

2.5 醫療智能垃圾桶的能耗

醫療智能垃圾桶的能耗如表1所示。

表1 醫療智能負壓垃圾桶的能耗

3 結論

本設計以STC89C51為主控芯片，實現了人體感應、負壓防疫、開蓋消毒等主要功能。人體紅外傳感器模塊監測到有人靠近或離開垃圾桶時，垃圾桶自動開/合蓋，氣壓傳感器模塊檢測桶內氣壓高于預值時，自動運轉降低桶內氣壓，防止病毒外溢。本產品具有結構簡單、操作方便等優點，響應了防疫政策和智慧城市建設需求，在未來有很好的發展前景。