一种自升高垃圾箱的研究

谭 贺，王 琪，郭家鹏

(沈阳化工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110142)

当今，国内城市在飞速发展，人们生活节奏的加快和新的环境理念在不断地推进着公共物质文明和精神文明建设，因此，优秀的公共设施设计在改善人居环境、体现城市特色中的作用显得尤其重要。城市垃圾箱作为城市环卫基础设施的一道靓丽风景线，它的样式和洁净程度能充分体现了这座城市的管理水平和文明程度。垃圾箱主要作用是隔离人体与垃圾，在人类的生活中，垃圾箱已成为一种必不可少的居家物品[1]。在生活中有各种垃圾箱，但传统的垃圾箱并没有将人与垃圾彻底隔离开来。因为在投放垃圾的整个过程中，还会有很多时候需要与垃圾产生接触，主要是传统的垃圾箱均是手动翻盖式垃圾箱或者半开放式的垃圾箱，使得人们在倾倒垃圾时会直接接触到垃圾[2]，因此传统的垃圾箱不能起到隔离病菌，更不具有保护人类的健康的作用，因此本文研究了一款自升高垃圾箱来解决上面提到诸多的问题。

本文设计的自升高垃圾箱，主要以提高人们生活质量为最终目的。通过软件的控制，可实现以下主要功能：(1)人群停滞时间较长的地点像公园、车站等地区比较容易产生垃圾，而通常垃圾箱放置数量不足，在这些有可能产生大量垃圾的地区，未能预先设置足够多数量的垃圾箱，常常导致垃圾满溢箱外。针对此问题，本设计设置了箱内垃圾箱的容量检测，用于检测垃圾箱是否装满，当垃圾箱内垃圾已满发出报警信号，方便告诉清洁工人及时清理；

(2)自动检测是否有人靠近垃圾箱；当人靠近时，垃圾箱可自动翻盖，当人远离时，垃圾箱盖自动关闭，避免了人们与垃圾箱直接接触，防止了垃圾腐败产生的细菌对人们产生危害；

(3)现有的垃圾箱通常开口形式或大小不佳，造成垃圾投入取出出不便。本设计是当清洁工人来时，按下操作键，垃圾箱内筒自动升高，并产生倾斜，方便清洁工人将桶内垃圾取出。

自升高垃圾箱的控制系统较为简洁，并在很大程度上的方便对系统的维护和修理，减少维护成本，缩短维护时间。

2 总体设计

为了实现上述三个核心功能，本文计以单片机STC89C52RC为核心元件，同时配合相应传感器和控制电路、数据电路来实现自升高垃圾箱。

2.1 主控STC89C52

由于此款垃圾箱是针对普通民众收集垃圾的设备，针对不同个体的生活习惯，使得垃圾箱是全天候开放的，因而，从节能和环保的角度出发，使得电机能够自动启动和停止。即当检测信号发出垃圾已收集满的指令后，CPU立即控制电动机自动启动，以利于系统发出报警信号等任务，当所有的动作结束以后，电动机又会自动停止运行，等待接受下一次再启动信号的状态。因此，自升高垃圾箱主控采用STC89C52芯片，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可减少的控制垃圾箱内部电源的损耗。

2.2 超声波测距模块

自升高垃圾箱投料口处的垃圾填满或接近填满时，系统会通过执行机构把垃圾进行压缩，以便腾出投料空间。当不能进行压缩时，表明垃圾箱内垃圾已满，便发出报警信号，填满的信号是通过一红外线探测器自动检测发出的，本设计在超声波电路中选用了HC-SR04超声波测距模块，主要是因为超声波穿透力强，可保证在雨雾天超声波测距系统能正常运行。其工作原理为[3]：采用单片机的I/O 端口触动测距，即当单片机发送一个高达10μs的脉冲传递给超声波模块输入端TRIG后，单片机的定时器做清零处理；当输出端ECHO为高电平时，单片机电路定时器就开始工作，而当输出端ECHO 变为低电平时，定时器立刻停止运行，而此时单片机就会读取定时器T0的数值，因此通过公式可计算出距离。

当超声波测量模块检测到垃圾箱具有超声波测距系统，系统能够检测是否有人靠近，在一定范围内可以测出靠近人与垃圾箱之间的距离。当人与垃圾箱之间的距离小于预设距离50cm 时，步进电机就开始正转90 °，从而实现了垃圾箱自动开盖的功能，延时4s后，步进电机开始反转，由此实现了垃圾箱自动关盖的功能。

2.3 垃圾箱箱体自动升高功能

基于人机工程学，针对不同身高的人群设计可自动升降的垃圾箱[4]，方便不同人群的使用，使产品更为人性化。自升高及自开箱都由红外线开关控制。其工作过程如下：当红外线传感器感应到人手动作，控制开关先接通自升高垃圾箱侧面的电机，箱体在条形齿条的作用力下缓慢上升，待升高到设定好的位置后，箱体触碰到限位开关，箱体停止上升，使垃圾箱桶体的底面上具有斜切面，同时箱体触碰到用来控制垃圾箱箱盖的微动开关，微动开关闭合后[5]。当今社会里环保受到了越来越重视，尤其是太阳能，任何需要能源的地方都可以看到它的身影。因此本设计的采用弧形太阳能电池板，晴天通过充分的吸收太阳能把剩余能量转化为电能储存在蓄电池中， 蓄电池放置在垃圾箱底部，对垃圾箱的液压系统进行提供能源。

2.4 垃圾箱盈缺检测

自升高垃圾箱检测垃圾箱内垃圾箱的满溢度状况采用光幕检测方法，主要是利用光电感应原理制成的安全保护装置。通过对光幕覆盖区域不同位置的遮挡情况可进行差量检测来判断垃圾是否装满。本文将光幕安装在垃圾箱箱体内筒的两侧。当垃圾箱内筒储存量超过5/6时，单片机STC89C52会进行判断，关闭垃圾箱盖，确保停止向垃圾箱内投放垃圾并会发出警报，并生成一条提醒消息，提醒清洁工人来清理垃圾[6]。

自升高垃圾箱后续将增加语音功能，使产品设计更加人性化，当人们投入垃圾后得到控制的语音系统发出的感谢语，鼓励人们尤其孩子将废物投放至垃圾箱，培养孩子的环保意识[7-9]。此外，自升高垃圾箱带有光敏元件，当黑天时，使LED灯开始发光，方便人们在漆黑的环境里也能垃圾箱。

3 总结

智能垃圾箱是城市环境中的重要设施之一，它不仅是保持城市环境卫生的主要设施之一，同时也是构建城市景观，体现社会文明程度的一个关键指标，因此在设计中要充分考虑其视觉性、实用性和环保性。自升高垃圾箱可实现垃圾箱的开关以及语音提示重要信息这些基本功能，同时具有垃圾箱内筒自动升高，并产生倾斜，方便清洁工人将桶内垃圾取出这一主要功能。以后还可在此基础上添加更多的智能功能，比如实现对散落垃圾的自动拾取、自动打包、以及对垃圾的自动分类等一些高科技的功能。本设计在尽量设计简单的情况下，减小维护成本，方便维修人员维修，并采用普通交流电和太阳能电池板智能替换的供电方式，采用大容量锂电池保证续航，减少维护成本。

[1]戴 蒙.英国试验太阳能压缩式垃圾桶[J].环卫科技网,2011(3):6-7.

[2]聂诗良,李磊民.采用单片机发送并接收红外遥控信号的方法[J].信息技术,2004,28(2):21-96.

[3]张毅刚,彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京:电子工业出版社,2008.

[4]王治雄.新型公共垃圾箱的设计探析[J].黄冈职业技术学院学报,2015(6):143-144.

[5]郑振杰,江衍煊,游德智.单片机结合ULN2003 驱动步进电机[J].电机技术,2010(6):44-46.

[6]王春武,刘春玲,秦政坤,等.基于WT588D模块的语音播报系统设计[J].电子技术应用,2012(1):115-117.

[7]马建玮,章锦荣.城市中垃圾箱现状分析及设计思想的探究[J].艺术与设计,2015(1):113-115.

[8]冯喆文.新型绿色环保垃圾箱的推广和应用[J].化学工程与装备,2015(6):280-282.

[9]汤迎红,李 超,何 凯.一款新型绿色环保垃圾箱的设计[J].装备制造技术,2013(10):95-97.

(本文文献格式：谭贺，王琪，郭家鹏.一种自升高垃圾箱的研究[J].山东化工,2018,47(7):191-192.)