自动封装换袋垃圾桶的设计＊

黄 河，李新杰，曲宏博

（郑州科技学院车辆与交通工程学院，河南 郑州 450052）

1 研究背景

在智慧城市建设不断深化的影响下，越来越多的人选择使用智能家电，智能垃圾桶自然也在其中，它们的出现，给人们的生活带来了极大的便利。随着智能家具的不断更新，智能垃圾桶功能也从一开始的仅能自动开盖[1-3]升级到现在的可以一键打包换袋[4-6]。

以前人们所使用的垃圾桶多为敞口设计，桶内异味容易散发，特别是在夏天，如果垃圾桶内装有一些容易腐烂的垃圾，一旦不及时清理，不仅桶内异味会到处乱窜，还容易滋生很多小飞虫，严重影响生活品质。另外，以前人们所使用的垃圾桶在清理时还需要亲自动手收拾垃圾、给垃圾袋封口、更换新垃圾袋等，不仅步骤烦琐，还必须直接接触垃圾，和垃圾上附着的细菌病毒“打交道”，在当下疫情爆发的形势下，尤为不卫生。针对这些问题，设计一种封闭式的可以自动打包换袋的垃圾桶可以很好地解决这些问题。

2 自动打包换袋垃圾桶的总体设计

采用3Dmax软件对垃圾桶的结构设计进行，采用Polylactic acid材料及3D打印机对垃圾桶的结构进行加工、组装，基于STC89C51技术[7]和传感器技术[8-10]对垃圾桶的功能进行设计。

2.1 自动打包换袋垃圾桶的结构设计

自动打包换袋垃圾桶的结构设计具体如下：①STC89C51单片机作为自动打包换袋垃圾桶的中央处理器，是整个装置数据处理、算法实现和逻辑控制的中心。②触摸开关用于判断使用者下达的工作命令，给中央处理器判断工作模式提供数据基础。③滑动式弧型桶盖内部有一条齿带，通过齿轮机构与舵机相连，在舵机的控制下可以完成上下滑动；同时对桶盖进行了密封设计，在桶盖关闭时不仅可以隔绝桶内异味，还能阻断垃圾桶内部的病毒细菌向外扩散。④热红外人体传感器为系统提供了视觉平台，当有人靠近或离开垃圾桶时会向中央处理器反馈2种不同的信号。⑤激光对射传感器通过记录并处理从光脉冲发出到返回并被接收所经历的时间，来计算垃圾袋距传感器的距离，进而判断垃圾袋是否到达指定高度。⑥气泵通过硅胶软管与弹簧吸盘相连，通过气泵抽气使弹簧吸盘内部产生负压强进而吸附垃圾袋，完成垃圾袋的抓取工作。⑦封口设备采用2组电热丝，加热电热丝到一定温度再与垃圾袋接触可以融化垃圾袋进而完成垃圾袋的封口工作。⑧温度传感器用于判断电热丝是否达到预值，给中央处理器的下一步工作提供数据基础。⑨传动板上组装着弹簧吸盘、电热丝和温度传感器，2块传动板通过正反丝螺母与双丝丝杆相连，是整个垃圾桶的传动装置，可以通过控制传动板的移动进而控制吸盘的移动。⑩压紧板主要负责在垃圾袋撑开后，将垃圾袋压在弹簧吸盘上，保证在气泵断电后垃圾袋不滑落。⑪垃圾袋固定装置由滚筒和夹板组成，把垃圾袋缠绕在滚筒上再通过底部夹板将垃圾袋固定在竖直方向。

2.2 自动打包换袋垃圾桶的控制设计

控制系统由中央处理器、触摸模块、电源模块、传感器模块、运动模块、加热模块和负压模块7部分组成。主控模块采用STC89C51单片机，拥有32个可编程的I/O口线、输入和输出均为电频信号。触摸模块由1个触摸开关组成，通过使用者的触摸次数判断垃圾桶的工作模式。电源模块由12 V直流蓄电池和太阳能电池板组成，在有光的条件下，太阳能电池板可以将光能转换为电能持续为蓄电池充电[11]；在无光的条件下，可以直接接通电源为蓄电池充电，保证系统电量的供应。传感器模块由人体红外传感器模块和激光对射传感器模块组成。人体红外传感器模块用于检测是否有人靠近垃圾桶，为中央处理器控制滑动式弧形桶盖的开启与关闭提供数据基础；激光对射传感器模块用于检测垃圾袋是否上升到指定区域，为中央处理器控制传动板的合离提供数据基础。运动模块主要由步进电机和双丝丝杆组成，步进电机与丝杆通过联轴器相连。当中央处理器下达正转或反转命令后，步进电机会正转或反转进而控制传动板的合、离。加热模块采用电热丝，在中央处理器下达封口命令后，电热丝开始加热，当电热丝加热到达指定温度后会对垃圾袋进行热熔封口。负压模块主要由气泵和弹簧吸盘及硅胶软管组成，在中央处理器下达换袋命令后，气泵抽气，吸盘与垃圾袋接触后，吸盘内产生负气压，会吸附垃圾袋，然后控制吸盘运动进而完成换袋工作。自动打包换袋垃圾桶的控制系统如图1所示。

图1 自动打包换袋垃圾桶的控制系统

2.3 自动打包换袋垃圾桶的工作运行流程

2.3.1 自动打包换袋垃圾桶桶盖工作流程

当使用者靠近自动打包换袋垃圾桶时，热红外人体传感器会接收到特定波长的红外线信号，然后传感器会将所接收到的信号传递到中央处理器（STC89C51），中央处理器经过判断后会向弧形桶盖控制系统下达开盖命令，弧形桶盖随之打开；当使用者远离自动打包换袋垃圾桶后，热红外人体传感器将失去特定波长的红外线信号，然后传感器会再次向中央处理器传递数据，中央处理器经过判断后会向弧形桶盖控制系统下达关盖命令，弧形桶盖随之关闭。自动打包换袋垃圾桶桶盖工作流程如图2所示。

图2 自动打包换袋垃圾桶桶盖工作流程图

2.3.2 自动打包换袋垃圾桶打包换袋工作流程

当使用者按下触摸开关后中央处理器会收到相应的信号，中央处理器收到信号后会判断相应的工作模式。若启动打包模式，中央处理器会下达加热指令，当电热丝加热到180°后温度传感器会向中央处理器传递信号，随后中央处理器会向运动模块下达正转命令，步进电机正转N圈，2块传动板相挤压对垃圾袋进行热熔封口，t秒后，步进电机会在中央处理器的命令下反转N圈回到初始位置，随后红色LED灯闪烁提醒使用者提走垃圾袋，至此封口工作完成；若启动换袋模式，使用者在更换第一个垃圾袋时，需要手动提起第一个垃圾袋，当垃圾袋到达预定位置后，激光对射传感器会收到“异常”信号，随后传感器会将信号传递给中央处理器，当中央处理器收到信号后会向运动模块下达正转命令，步进电机正转N圈，2块传动板相挤压，使弹簧吸盘与垃圾袋接触，随后气泵组开始通电工作，吸盘内产生负压强，在大气压的影响下吸盘会吸附垃圾袋[12]，m秒后电机反转N圈，垃圾袋会在吸盘的吸附下随着传动板的向外移动而随之撑开，当传动板回到初始位置后，压紧板开始工作，将垃圾袋压在吸盘上，随后吸盘断电蓝色LED灯闪烁t秒。

因所有垃圾袋是连在一起的，当使用者提走一个打包完毕的垃圾袋时，一个新的垃圾袋会随之被提起，此时系统会通过激光对射传感器传递的信号自动完成更换垃圾袋的工作。自动打包换袋垃圾桶打包换袋流程如图3所示。

图3 自动打包换袋垃圾桶打包换袋流程图

3 结论

本设计以STC89C51单片机为主控芯片，实现了人体感应、自动打包换袋等主要功能。人体红外传感器模块监测到有人靠近或离开垃圾桶时，垃圾桶自动开/合盖，电热丝挤压垃圾袋完成封口，气泵吸附垃圾袋完成换袋。本产品具有结构简单、操作方便等优点，并响应智慧城市建设号召，在未来有很好的发展前景。