智能压缩垃圾桶的设计与实现探究

摘要：在追求高品质生活和环保意识日益增强的今天，室内生活垃圾的处理成为了一个亟待解决的问题。传统垃圾桶由于空间利用率低、频繁更换垃圾袋等问题，不仅给家庭带来不便，还加剧了白色污染。针对这一挑战，提出了一种创新的室内小型可压缩垃圾的垃圾桶设计（以下简称压缩垃圾桶）。用物联网技术，通过单片机AT89S51进行控制，配合小程序实现垃圾的自动压缩，有效减少了垃圾体积，降低了垃圾清理的频率，并减少了垃圾袋的使用。与传统垃圾桶相比，压缩垃圾桶在提升家庭使用体验的同时，也有助于减少环境污染，具有显著的实用价值和社会意义。

关键词：物联网智能环保自动控制智能垃圾桶

中图分类号：TP29

ExplorationoftheDesignandImplementationofIntelligentCompressibleGarbageBin

HEYiZHANGYanZHAOYikai

SchoolofInformationScienceandEngineering，DalianOceanUniversity，Dalian，LiaoningProvince，116023China

Abstract：Inpursuitofahigh-qualitylifeandtheincreasingawarenessofenvironmentalprotectiontoday，thedisposalofindoordomesticwastehasbecomeanurgentissuetobeaddressed.Traditionalgarbagebins，withtheirlowspaceutilizationandfrequentneedforbagreplacement，notonlybringinconveniencetohouseholdsbutalsoexacerbatetheproblemofwhitepollution.Inresponsetothischallenge，thispaperproposesaninnovativedesignforanindoorminicompressiblegarbagebin（hereinafterreferredtoasthe"compressiblegarbagebin"）.ThedesignutilizesInternetofThingstechnology，controlled byamicrocontrollerAT89S51，andworksinconjunctionwithanapplettoachieveautomaticcompressionofgarbage，effectivelyreducingthevolumeofgarbage，loweringthefrequencyofgarbagedisposal，anddecreasingtheuseofgarbagebags.Comparedtotraditionalgarbagebins，thecompressiblegarbagebinsnotonlyenhancetheuserexperienceathomebutalsohelpstoreduceenvironmentalpollution，demonstratingsignificantpracticalvalueandsocialsignificance.Thisstudyaimstoprovideamoreefficientandenvironmentallyfriendlysolutionforindoorgarbagemanagementthroughtechnologicalinnovation.

KeyWords：InternetofThings;Intelligentenvironmentalprotection;Automaticcontrol;Intelligentgarbagebin

针对当前市面上所存在的垃圾桶大多功能较为单一、型号较大不便于家居使用的问题，如一种可以通过语音识别实现垃圾分类的智能垃圾桶[1]，本文的设计方向为用于室内的小型压缩垃圾桶，旨在对垃圾桶的垃圾压缩过程进行优化，改善室内生活垃圾过多、多次清理的不便、资源利用率不足等问题；降低垃圾袋更换频率，追求更加智能化、自动化的生活方式。

1系统整体设计

1.1系统方案设计

基于对市面上垃圾桶的功能以及社会需求的分析，压缩垃圾桶以单片机AT89S51为控制中心，结合检测模块、控制模块、电机驱动模块及其外围电路构成了垃圾桶的智能控制和管理部分[2-3]。系统总体结构图见图1。

1.2垃圾桶结构设计

根据一般家用垃圾桶的尺寸，本次设计的压缩垃圾桶尺寸为：300mm×300mm×400mm；压缩垃圾桶由控制系统、辅助小程序和垃圾桶主体构成，其中垃圾桶主体分为压缩部分、除臭吸附部分、踏板开盖部分。电动压缩垃圾桶由桶身、内胆、前后两块压板、步进电机、电池、滚珠丝杆、直线轴承固定座、轴承座、导杆支撑座、滑轨、滑块、背板、拉板、脚踏、盖子、除臭盖、除臭盒、活性炭网、销、转轴、底座、盖子推杆、底座和螺丝螺母等所组成本设计的压缩垃圾桶有3个功能，分别是垃圾自动压缩功能、脚踏开盖功能和垃圾除

1.3压缩功能设计

本设计的压缩机构由前后两块压板、步进电机、电池、滚珠丝杆、直线轴承固定座、轴承座、导杆支撑座、滑轨、滑块、背板和拉板等所组成。通过步进电机经由联轴器带动滚珠丝杆转动，使安装在滚珠丝杆上的直线轴承固定座下移，而直线轴承固定座带动拉板一并下移，拉板（图3侧面白色立板）带动前后两块压板（图3绿色部分）下移并对垃圾桶内的垃圾进行压缩，最终通过电机提供动力完成对垃圾的自动压缩功能。通过设计拉板的整体高度及前后两块压板本身的杆的长度，最终电动压缩垃圾桶可以将垃圾压缩到垃圾桶的2/3。根据设计的压缩垃圾桶的三维设计模型，截取压缩垃圾桶在自动压缩垃圾时的不同阶段的剖视图如图3所示。当不需要对垃圾进行压缩时，拉板带动前后压板上移，前后压板分开后分别架在垃圾桶内胆圆弧切面上，不影响垃圾的投放。

2硬件设计

2.1主控模块

AT89C51是一款功能丰富的8位单片机，具有可编程闪存存储器、外设接口、中断处理能力和低功耗特性等。AT89C51与Intel8051系列单片机兼容，还拥有两种不同的节电工作方式可供选择。它广泛应用于多种嵌入式系统和控制应用中，包括智能家电、汽车电子、工业自动化和消费电子等领域。通过单片机输出PWM波，并与电路中一些相应的储能元件配合，改变了输送到电枢电压的幅值，从而实现电机的停止和启动的目的。电机经由联轴器带动滚珠丝杆转动，使安装在滚珠丝杆上的直线轴承固定座下移，直线轴承固定座带动拉板下移，拉板带动前后两块压板下移并对垃圾桶内的垃圾进行压缩，最终通过步进电机完成对垃圾的自动压缩功能。

2.2电源模块

电源模块以7805芯片进行稳压以后为单片机提供5V的电压。7805结构组成是用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源，所需的外围元件极少，7805三端稳压集成电路电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

2.3检测模块

使用超声波模块检测容器内杂物的装载程度。单片机会向超声波模块发送一个至少持续10μs的高电平信号，这个信号被称为“Trig”信号。接收到Trig信号后，超声波模块会自动发出8个频率为40kHz的超声波方波。当这些超声波遇到容器内的杂物后，它们会反射回来。模块会检测这些反射回来的超声波信号。一旦检测到反射回来的超声波，模块会在“Echo”端口输出一个高电平信号。单片机会使用内部的定时器来测量Echo端口高电平的持续时间，然后根据测量到的时间来计算超声波与杂物之间的距离。

2.4电机驱动模块

51单片机的最大电压为5V，最大输出电流为10mA。不能依靠单片机引脚去驱动电机，因此需要借助电机驱动芯片来完成。本系统采用L298N芯片。将电机连接到L298N芯片的输出端口，以便控制电机的转向。电源连接到L298N芯片的VCC和GND引脚，确保电压和电流与电机的需求相匹配。将控制信号连接到L298N芯片的IN1、IN2引脚。连接L298N芯片的ENA引脚到单片机的数字引脚（P1.0），以控制电机的开启和关闭，再通过使用相应的程序来控制L298N芯片，实现电机的转向和速度控制；检测模块对应的I/O口变成高电平，电机则在L298N控制下进行工作，当电机转速小于2r/s时前后压板完成压缩，检测模块对应的I/O变为低电平，电机停止工作，前后压板停止压缩。

2.5通信模块

信号传输是物联网的核心，云服务器是整个系统数据的处理及存储站，是整个物联网系统的重要组成部分[4]。物联网技术的运用使得智能垃圾桶的操作变得更加便捷，如一种基于无线传感器网络的智能垃圾桶管理系统实现实时检测和智能管理的垃圾桶[5]

本设计在物联网技术控制方面采用云端控制，通过ESP8266通信模块和小程序的方式来实现远程控制和报警功能。使用腾讯云服务器来达到设计要求，将单片机的RX、TX引脚与ESP8266的TX、RX引脚相连（即交叉相连）并将波特率设为相同值来实现串行通信。利用串口助手发送指令及固件使其连接服务器。

本设计选用ESP8266的PDU模式，PDU模式不仅支持中文短信，也能发送数字和英文信息，数据传输通过MQTT协议实现。使用MQTT协议时，可以在云服务器上创建一个MQTTbroker，ESP8266模块将数据发布到broker上，云服务器订阅broker获取数据；使用HTTP协议时，ESP8266模块向云服务器发送HTTP请求，将数据上传到云端。在本系统中出现事件时，需要主控制器通过ESP8266给用户发送信息。当系统中的任一传感器检测到异常时，控制系统会按照预先设置好的内容发送给用户。在与主控板连接时，需预先将其与PC连接进行测试，利用串口助手将ESP8266连接到TCP服务器。发送AT+CIPSTART="协议模式"，"服务端IP地址"，端口号建立连接，发送AT+CIPMODE=1，开启透传模式。然后，再发送AT+CIPSEND，才真正开始透传发送。此时，发送的任何数据，能够直接传输到服务器与单片机进行数据传输。

3软件设计

本系统采用结构化模块程序设计，便于设计、调试和维护，可以增强系统的可靠性。压缩垃圾桶软件流程图如图5所示。系统开机后，进行初始化并检测各个传感器工作状态，系统进行判断是否收到压缩指令，若没收到指令，判断垃圾量，若到达超声波传感器设置高度就向用户发送提示，没满则重新检测各个传感器直到垃圾高度达到压缩设定高度，到达设定压缩高度后进行压缩同时向用户反馈信息，压缩完成后重新检测各个传感器状态并向用户反馈。对于垃圾满箱检测时，若桶内剩余空间小于设定值，垃圾桶盖都会自动闭合，防止异味散出；并通过小程序提醒用户及时清理。

4小程序设计

为了提高用户的使用体验以及服务质量，本文设计了与压缩垃圾桶控制系统相辅相成的小程序启动系统，终端部分采用微信小程序使用户控制垃圾桶的工作状态。终端利用微信开发者工具开发微信小程序。微信开发者工具能帮助微信后台页面的开发者更便捷、安全地调试微信内的网页，而无须去借助一些模拟类软件。微信开发者工具开发原理是集成了ChromeDevTools和基本的移动调试模块，可进行微信内网页调试与微信小程序调试，开发的小程序具有独有的优势，优势如下：微信小程序无须下载安装、体验流畅、与微信生态融合可以大大降低开发成本和运营成本，不用单独下载App，更为大众所接受[6]。小程序控制器程序流程图如图6所示，启动后可通过小程序看到界面结果如图7所示。当高度超过预设值时，小程序将显示到如图8所示。

连接到Wi-Fi与服务器，再将程序导入微信小程序开发工具中，修改文件信息与8266中信息相同，点开调试工具上传，即可连接设备。

5结语

本设计以环境保护为出发点，结合物联网技术；推进更现代化、智能化、环保化的生活方式。本设计采用SolidWorks将各机构方案进行建模，以此更为直观地了解之间对各个机构的设计，化方案为具体模型。本文对自动压缩垃圾桶的总体设计已经全部完成，包括三维建模、二维工程图以及各种零部件的计算选型，但一些模块的智能化还有待改善，离真正的智能家居还存在一定的距离。本文所设计的压缩垃圾桶功能较多，使用方便，确切满足了当代家庭对垃圾打包需求，压缩功能有效提高了资源与空间使用率，具有一定的现实意义与使用价值。

参考文献

<！--[if ！supportLists]-->[1]<！--[endif]-->马浚刚，朱振兴，杨梦龙，等.STM32F103C8T6的语音识别智能垃圾桶[J].电子世界，2021（14）：104-106.

<！--[if ！supportLists]-->[2]<！--[endif]-->李红娣，李红强.面向工业自动化的物联网技术的应用研究[J].中国新通信，2021，23（3）：105-106.

[3]聂壮壮，李伟恒，冯海杰，等.基于物联网的智能垃圾桶[J].物联网技术，2021，11（3）：62-63，67.

[4]罗洪亮，吴静，周金治，等.数据可视化的智能家居监测系统设计[J].现代信息科技，2021，5（4）：171-174，180.

[5]康庄，杨杰，郭濠奇.基于机器视觉的垃圾自动分类系统设计[J].浙江大学学报（工学版），2020，54（7）：1272-1280，1307.

[6]张昕腾.基于微信小程序的高校校园信息整合平台的设计与实现[J].科技与创新，2023（8）：54-57.