关于一种新型垃圾桶的研究

张颜+袁昊+陈延贵+张鑫+周阳+刘友英

摘 要：此智能垃圾桶主要由红外线探测装置，机械装置和连杆机构组成，拥有自动升降开合盖及自动打包功能，是集机、光、电于一体的高科技新产品，具有性能可靠，使用寿命长，耗电低等优点。小组成员已验证了其机构设计的合理与实用性，并制作出垃圾桶成品。

关键词：红外线传感器，机械连杆，智能垃圾箱

前言：

垃圾桶是社会发展的产物，处于公共场合的它是一个国家国民素质以及经济发展水平的侧面反映物。①现如今公共场合中的垃圾桶多数是无盖或需要手动打开盖子的，虽然国家一直倡导民众保护环境垃圾入箱，但是效果并不如人意，很大一部分原因在于人们双手不愿接触垃圾桶，总是将垃圾扔在桶边或桶盖上，使得桶内“一无所有”，桶外“垃圾遍地”。故此，具备自动开合功能的智能垃圾桶应运而生。智能垃圾桶使人们无需接触垃圾桶的任何部位即可投放垃圾，环保卫生；也可在不外接电源的情况下依靠普通电池运行，耗电低，使用寿命长；此外它的密封性能较之传统垃圾桶更好，减少了感染病菌的机率，防止了垃圾异味溢出，确保四周空气清新。但市面上智能垃圾桶价格普遍偏高，故我们研究目的在于降低智能垃圾桶的制造成本，使其在公共场合普及，希望我们此次关于垃圾桶改良的想法能够得以实现。

功能分析：

我们对于此项目的初步设想：垃圾桶为双层，具有外壁与内胆，在两层中间架设线路以及传动机构等，该垃圾桶主要功能为自动固定，自动打包与自动感应开合。对于这些功能我们初设研究技术路线为：以力学实现对垃圾桶的位置的控制；通过红外线感应系统实现及一系列传动系统实现对桶盖开关的控制；通过重力实现对垃圾自动打包。以下为垃圾桶三个主要功能的分析：

一、自动固定功能：

技术难点：

1）如何运用摩擦角或其他固定装置如吸盘进行固定。

2）可解除固定装置的设计。

3）在降低成本的基础上，力求簡化装置结构。

组成结构：

固定杆，摇杆与特制吸盘。

装置原理：

1）吸盘原理 ②

平直型真空吸盘的工作原理如下叙述：首先将真空吸盘通过摇杆与附着物（玻璃、地面等）接触，通过摇杆压平吸盘，使吸盘内产生负气压，从而将接触物吸牢，完成固定。当想要解除固定时，再次用力压平吸盘，轻轻提起吸盘边缘，吸盘内吸入气体，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压，真空吸盘即可脱离接触物，从而完成解除固定。

2）杠杆原理

当对垃圾桶中较大的杆件施加一个向上的力时，吸盘上部受到向下的力，吸盘排气，则与地面紧密接触，可达到固定的目的。当想要解除固定时，给较大的杆件施加一个向上力，此时吸盘与地面充分接触。同时，给较小的杆件一个向下的力，吸盘接触端便被轻轻提起，吸盘内部吸入空气，此时吸盘解除固定。③

二、自动打包功能

技术难点：

1）如何设计特殊摇杆尾部结构，使其能简便安装橡皮圈，同时在按下外部圆环时可及时释放橡皮圈。

2）如何确定固定杆固定的位置，使得打包时垃圾袋内部的垃圾尽量多，避免垃圾袋浪费。

3）如何简化内部结构，降低成本，提高装置的灵敏度，同时美化外观。

装置原理：

当垃圾袋中的垃圾达到一定体积与重量，打开垃圾桶盖，解除内桶上端的固定垃圾袋的圆环结构时，垃圾袋释放，同时收紧留在外端的细绳，此时垃圾袋扎紧，打包成功。

三、自动感应开合功能

技术难点：

1）红外线感应装置的设计与测试。

2）械连杆传动装置的设计与安装。

3）箱盖开合时间的控制。

装置原理：

人体具有恒定体温，一般在37度左右，所以会发出大约波长为10微米的红外线，当红外线聚集红外线感应源上，感应器内的元件在接收到人体辐射温度变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路检测出来后就将信号转换为电流信号，即有人靠近传感器输出高电平，反之输出低电平。若有人体在其感应范围内活动，传感器输出将一直为高电平，人离开后延时变为低电平。④

红外感应器得到输入信号，信号经过处理成为一个控制电路。即有物体出现在垃圾桶上方时，得到与没有物体时不同的信号。再经过电路使电动机转动，通过相应的传动装置使得桶盖升降，达到自动控制的目的，其中传动装置即是由机械连杆构成。

软硬件调试：

调试通常包括硬件调试、软件调试以及整体联调，但软件与硬件的设计又是独立的，因此在硬件完成之前就要配合做软件调试以寻出不适当的地方，而硬件也是在无完整软件条件下进行调试的。在完成所有硬件设计后，就要对软硬件进行联合调试，调试过程即测试电路以及程序运行方式是否满足设计结果，以找出设计不合理的地方。以下为制作过程中主要争执点：

一、芯板上电路连接：

为实现红外线感应开合，需要自行设计电路与焊接电路，初始焊接时我们采用电烙铁手动焊接，在进行演示时却发现焊接点精度不足，垃圾桶在接收信号后不能及时作出反应。故我们尝试用protues软件先进行模拟，再做pcb打样文件进行打样，效果较手动更为好些。

二、电池和齿轮电机固定问题：

一些成员考虑到资金有限与制作条件的问题，不同意把齿轮再另外固定在架子上，认为前期做好后黏在板子上即可。而另一些认为齿轮装配误差比较大，另外弄个架子可以使安装更精准方便，经过协商最终选择了后一种方案，即齿轮另外固定。

三、感应开合的精准性问题：

在初期尝试阶段，垃圾桶自动开合功能并不理想，有时没东西靠近它也会自动打开，而真正需要扔东西的时候，它却反应迟钝需要感应好几秒才开启，对于这个问题我们很难准确控制时间。我们觉得如果在使用pcb打样后还不能对他进行精准控制的话，后期将把单片机控制应用到其中，以汇编语言程序控制开合⑤。虽然会加大我们的工作量，但效果可能更佳。

垃圾箱现状与发展：

据分析，现在在公共场合普遍使用的垃圾箱主要存在以下问题：一、垃圾桶普遍需要人接触才能开盖投入垃圾，不能满足人们高节奏的生活与工作需要，且人们的心理并不愿与之接触，故使得垃圾放置比较随意。二、除却有盖垃圾箱，一些无盖垃圾箱不具备一点点密封性，故垃圾箱附近异味巨大，极易滋生细菌、寄生虫，极大危害了附近人们的身体健康。

在计算机高速发展与各种传感技术逐渐成熟的今天，自动化设备快速进入到人们生活，各种智能机械设备为人们节约了许多人力、财力与物力。在智能化社会中，智能垃圾桶只能说是发展的必然趋势。

由于物质文明与精神文明的发展，垃圾桶在改善人居环境，体现城市特色中的作用显得尤为重要。⑥从垃圾入桶来讲，人们普遍不愿接触垃圾桶，而我们项目设计的初衷就在于解放人们扔垃圾的双手，我们以自动升降开合门提醒人们扔垃圾并不在需要他们与垃圾桶接触，减少了许多病菌问题。

日本山本教授认为地球的承载极限不是人和物，而是环境，即污染源。而污染源需要一个容器或处理器，故我认为垃圾桶的研究将不间断的持续下去，也期待这个新型垃圾桶能够得到大众的认可。

参考文献：

①《机械工程师》2016年第四期

②《真空吸盘的真空负压吸附原理》赵艳妮编，真空技术网

③《理论力学》王永廉、唐国兴编，第二版，机械工业出版社，2011.7

④红外线感应器说明书

⑤《单片机原理及应用》徐泳龙编，第二版，机械工业出版社，2013.12

⑥《中国化工报》2016-6-17

作者简介：

张颜（1996.1），女，汉族，江苏东海人，本科，南京工程学院，学生，研究方向：过程装备与控制工程.