简易型垃圾瓶自动分类回收装置

沈煜恒，李昕玲

（湖南师范大学附属中学，湖南 长沙 410006）

据统计，我国易拉罐年用量高达1.24×1010只；每年产生废弃塑料瓶3.5×106t，废玻璃瓶用量达2.0×106t，但其回收再利用率只有20%。因此，笔者设计了一种垃圾瓶自动分类回收箱，压力传感器自动检测垃圾瓶中的剩余饮料量，通过金属传感器自动识别垃圾瓶的材质；通过单片机控制技术驱动电动门，阻挡剩余饮料过多的垃圾瓶回收；同时应用单片机系统控制一种“V”型结构的电动门，利用重力作用自动分开、回收2种不同材质的垃圾瓶，无需机械传输装置。这种自动分类回收箱结构简单、成本低，放置于校园、公园、候车室等场所，可引导人们自觉将垃圾瓶回收。对节约资源、杜绝浪费具有一定作用，对有效实施垃圾分类处理、抑制乱扔垃圾、保护环境有重要意义。

1 垃圾瓶材质、质量分布

对目前市场上饮料瓶、矿泉水瓶使用的材质和空瓶质量进行了调查分析。在长沙几个大型超市进行调研，结果如表1所示。

表1 材质种类分布情况

同时，调查了饮料、汽水、矿泉水瓶的空瓶质量情况：收集了容量为 0.25、0.38、0.5、0.55、1.25、1.50 L的垃圾瓶塑料瓶、易拉罐，共计50个，合计19个品种，采用精度为0.01 g的电子秤，称其空瓶质量，得到的空瓶质量分布如图1所示。从图1可知，市场上的塑料饮料瓶、易拉罐空瓶质量为20～50g。

图1 空瓶质量分布

2 系统的结构

设计的垃圾瓶自动分类回收箱结构如图2所示，包括3部分：回收箱体、自动分类控制器和分类执行机构。

图2 垃圾瓶自动分类回收箱结构

回收箱体，分成易拉罐回收箱、塑料瓶回收箱和电气控制室3个部分，用于放置回收的易拉罐瓶、塑料瓶以及安装电源、电机、控制电路等电气设施。根据表1，塑料瓶回收箱容量比易拉罐回收箱容量大。

自动分类控制器，包括传感器和单片机控制电路，其功能是通过传感器自动检测垃圾瓶的质量和材质，将检测信息送至单片机控制电路，单片机进行处理分析，发出分类等相应指令至执行机构。

分类执行机构，即由3张电动门及其驱动电机等构成，其功能是：接收单片机控制电路发出的分类指令，自动开启/关断电动门，挡住剩余饮料过多的垃圾瓶，或者将塑料垃圾瓶、易拉罐分别放置不同的回收箱体。

所研制的垃圾瓶自动分类回收箱具有2个功能特点：①能自动识别瓶中是否残留过多的剩余饮料；②能自动识别塑料瓶和金属罐。工作原理为：当有垃圾瓶放置入口时，传感器自动检测垃圾瓶质量，当检测到剩余饮料量过多时，挡住垃圾瓶，并发出警报，提醒人们喝光剩余饮料；若垃圾瓶内无剩余饮料，则打开电动门1，垃圾瓶掉入“V”型槽；接着“V”型槽处的传感器检测垃圾瓶材质，若为金属，则“V”型电动门右边打开，垃圾瓶掉进易拉罐回收箱，否则左边打开，垃圾瓶掉进塑料瓶回收箱。

3 自动分类控制器

自动分类控制器是自动分类回收的核心部分，由传感器检测电路、单片机控制电路、继电器电路构成，其结构示意如图3所示。承担着2项任务：①自动识别垃圾瓶中是否残留过多的饮料；②自动识别垃圾瓶的材质。

图3 自动分类控制器的结构示意

残留饮料过多的垃圾瓶识别：由压力传感器、整形放大电路、单片机控制系统、警报器、继电器电路构成。其工作原理是：压力传感器将垃圾瓶质量转换为电信号，整形并将它转换为标准的电压信号送至单片机控制系统，单片机应用软件进行数据处理，将接受的质量信息与基准质量50 g进行比较，当比较结果超出50 g时，单片机将信号发至警报器，警报器发出警告，提示扔垃圾者，喝完剩余的饮料；当比较结果未超出50 g时，则单片机将相关信号发至电动门1的功率放大器，自动开启电动门1，让垃圾瓶进入箱体内。

垃圾瓶材质自动识别：由金属传感器、整形放大电路、单片机控制电路、继电器电路构成。其工作原理是：当垃圾瓶接近金属传感器时，金属传感器发出电压信号，该信号进行整形放大为标准电压信号，送入单片机，单片机对信号进行对比，识别检测物是否为金属，若垃圾瓶材质为金属，则发出指令至电动门3的继电器放大电路，电动门3打开，垃圾瓶进入易拉罐回收箱；若垃圾瓶材质为塑料，则发出指令至电动门2的继电器放大电路，电动门2打开，垃圾瓶进入塑料瓶回收箱。从而达到易拉罐、塑料瓶的分类目的。

分类控制器如图4所示，为MCS-51系列单片机控制系统。其中，压力传感器采用LSM-2K-B，量程2 kg，四线；金属传感器采用电容式接近开关，型号为LJc12A3-4-Z/BX，可以识别钢、铁、铝等金属，圆柱形，检测距离4 mm，直流输出6 V，三线制常开，输出状态NPN。2种传感器经过通用端口送至地址选择器，经过AD转换，再送入单片机系统P0口，单片机进行处理分析，发出的指令从P3口送至各电动门的继电器驱动电路。

图4 分类控制器电路原理

单片机控制系统的程序流程如图5所示。

图5 自动分类程序流程

其工作过程是：当有垃圾瓶放置入口处时，发送中断至单片机，开启工作模式，首先单片机从输入端口读取压力传感器的垃圾瓶质量信息，将垃圾瓶质量与50 g比较，若超过50 g，则系统发出警示，提示消费者喝完剩余饮料；若垃圾瓶质量未超过50 g合格，则发出开启电动门1的指令。垃圾瓶掉入“V”字型的底部，等待5 s，单片机获取金属传感器检测信息。若为金属，则发出开启电动门3指令；若为塑料瓶，则发出开启电动门2指令。

4 结论

自动分类回收技术为垃圾处理提供一条有效途径。针对人们在户外、候车、公园等场所丢弃大量的垃圾瓶，设计了饮料垃圾瓶自动回收箱，既回收了可利用垃圾，保护了环境，又减轻了保洁人员的工作量［2］。其结构简易、成本低、回收效率高，具有较好的实用价值和市场前景。本研究获湖南师范大学附属中学研究性课题奖项一等奖。

［1］ 黄伦，刘沛，谭涛.智能垃圾分拣系统的模拟与实现［J］.机电工程，2014，31（11）:1452-1456.

［2］ 陈漩，李婷婷，黄晓梅，等.根据可回收垃圾的特性将垃圾自动分类［J］.河南科技，2014（8）:190.