绿色智能分类生活垃圾桶设计初探

周鹏程，马超俊，朱勇辉

（南京信息工程大学滨江学院，江苏 南京 210044）

引言

当前人们的物质生活相比于以前有了极大的丰富，与此同时生活垃圾也在与日俱增。“我国垃圾产生量以年均5%～8%的速度增长，1990—2010年，城市生活垃圾已从6 767万t增长至15 805万t”[1]。“城市中的生活垃圾的产生量、清运量不断增加，给城市生活垃圾管理和处置带来巨大压力，城市垃圾管理已成为城市发展所面临的重要环境问题”[2-3]，“根据2004年的数据，城镇生活垃圾无害化处理仅有 52.13%”[4]。

“据统计，2017年环卫市场公开招投标的环卫项目年合同额达1 200亿元”[5]。“2017年3月，发改委和住建部颁布的《生活垃圾分类制度实施方案》要求全国46个城市开展生活垃圾分类项目，并要求在2020年底回收利用率达到35%以上”[5]。因此，从居民日常生活角度出发探索一种绿色环保经济高效的城市垃圾处理系统是亟需解决的课题。

1 我国城市生活垃圾处理的现状及问题

目前，各地城市环保部门在城市生活垃圾分类处理方面还存在差异。如在北京，政府采用垃圾分为可回收垃圾、厨余垃圾、其他垃圾三大类进行回收处理；在杭州，分类方法就会比北京的三分法分更加详细，将有害垃圾从其他垃圾中划分出来单独归为一类。这样的做法试图引导居民进行垃圾分类。为此，政府、企业通过更新改进垃圾桶外观、投放垃圾分类公益广告等途径宣传生活垃圾分类的意义和重要性，还有志愿者走入小区内进行垃圾分类的宣传监督。虽然环保部门和相关企业积极通过设置分类投放的垃圾桶和垃圾分类进行宣传，实际效果却不理想。

目前我国的垃圾处理水平还处于较低级的状态，现在的城市生活垃圾的处理流程为集中混合收集、集中运输，集中处理。在城市垃圾处理各环节，居民生活垃圾处理不到位，且很少家庭会有意识地对产生的生活垃圾提前进行分类处理操作。拾荒人主要在垃圾桶中寻找容易回收的垃圾废品，在实际翻找过程中，容易造成垃圾桶的损伤及其他垃圾散落，增加环卫工人的负担。最后作为垃圾桶清理维护的环卫工人平均年龄较高，文化水平较低，无法进行较为复杂的操作，在大多数情况下只能进行简单的垃圾运输和清扫工作。

垃圾桶涉及城市垃圾的倾倒、分拣、处理各个环节，在城市生活垃圾处理中扮演着重要的纽带作用。目前存在的各种问题也基本都由垃圾桶设计不合理或使用不当造成了生活垃圾混杂、滋生蚊蝇。

2 绿色智能分类生活垃圾桶设计方案

2.1 设计理念

本作品选用HT46F49E作为主控单片机，利用红外传感器、震动传感器等模块，主要实现以下功能。

1）绿色环保。该产品若长时间无人使用，单片机将自动关闭除红外感应外的电路电源，单片机进入休眠，当再次有人接近，单片机则会被唤醒，将关闭电路重新通电进入正常工作状态，从而大大减少能源的浪费。

2）干净卫生。智能垃圾桶突破了传统带盖垃圾桶用手或脚开盖的模式，红外感应开、关的桶盖减少了手与生活垃圾的接触，降低了接触细菌的机率。同时密封性更好，避免垃圾异味传出，减少了垃圾桶对周围空气的污染、蚊蝇滋生的现象。

3）适用宽泛。本作品可设计成多种色彩、多种容量、多种材料和款式，满足人们日益崇尚的个性化需求，广泛使用于办公、家用、公用、会议、医疗等场合。

2.2 外观设计

外观的设计尺寸、颜色可根据购买者进行私人订制，通过内外双层结构的设计增加其抗撞击性和内部的稳定性，并给智能传感器系统预留空间，整体外观设计方案图如图1所示。

图1 作品设计整体方案

为避免垃圾处理不及时易滋生蚊蝇、影响美观并对人体健康有着潜在威胁的问题，内部设计利用分布均匀的小孔，进行固液分离，并利用通过纳米TiO2光催化氧化灭菌技术，在垃圾桶内部表面涂覆相应的纳米TiO2涂层[6]，实现垃圾桶抑菌除臭、消除垃圾桶周边蚊蝇的目的，储水层利用絮凝剂聚合硫酸铁对污水进行初步净化，水经排水口定时排除或给有需求的人使用。

2.3 功能设计

该设计的功能是由电源模块和通过一系列的传感器进行实现的，其中传感器系统由HT46F49E芯片控制模块、信号检测电路模块和控制电路模块三部分组成。电源模块给HT46F49E单片机提供动力；HT46F49E芯片建立输入输出模型，实现与信号检测电路模块的串行通信功能，以及实现基本控制功能；信号检测电路模块中的信号检测部分是由各插孔的检测电路分别与各个电器相串联组成，实现外部的热释红外传感器对外部红外热源的检测；震动传感器模块实现对外部重量和形变的检测；红外光传感器模块在信号检测电路模块中进行红外遥控发射与接收。控制电路模块主要是实现桶盖的开启与关闭。

当有人进入热释红外传感器的探测范围，传感器接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，产生中断信号；震动传感器是将垃圾桶的震动（被物体撞击）或者重量变化转变成电平信号，通过I/O口单片机可以查询到此信号；有人靠近垃圾桶时通过查询I/O信号，判断是否打开垃圾桶盖。其整体架构如图2所示。

图2 作品系统架构图

2.4 系统设计

在开发设计过程中，采用了高运算速度、高性能、低功耗、高性能、灵活控制的输入/输出和低成本等特性的HT46F49E单片机作为核心控制模块，信号检测电路分为热释红外传感器、震动传感器、红外光传感器以及电源动力部分三大模块。

1）电源为产品提供动力外还需要解决电信号中的干扰问题。电源电路模块设计由变压器、桥式整流电路、集成器7085及部分电容所组成，并且在集成器7085的两边并接电容用以滤波。

2）热释红外传感器模块。HN911型热释电红外探头模块的内部电路框图如图3所示。人体发出的红外线波长10μm左右，利用这种探头波长为10μm左右的红外辐射可以用来探测人体辐射，并对环境的干扰有明显的控制。

图3 HN911型热释电红外探头模块外观

3）震动传感器。此模块在使用中通过采用可以将应变片应变产生的电阻转换为差分电压的惠斯通电桥，将差动电桥、应变片、薄膜和厚膜应变片传感器设计成震动传感器，并将应变片贴在垃圾桶的内侧面，利用全桥电路灵敏度高的特点测量垃圾桶震动幅度，并转换成电压接入单片机进行分析和相应的应对。

4）红外光传感器。PT2262/2272是由一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片组成。PT2262-IR 发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。

PT2272各输出端通过各种接口即可控制相应的负载。其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集于一身，简化了发射电路。

5）控制电路模块。控制电路模块主要实现桶盖的打开与关闭，实现方式主要通过采用电磁铁来控制。当电磁铁通电后，产生电磁吸力，借助杠杆原理使桶盖打开；断电后，电磁吸力消失，桶盖由于重力作用关闭。

3 结语

充分处理生活垃圾不仅仅能够减少因生活垃圾对城市环境的污染，减轻城市垃圾回收站的负荷，而且能带动当地一系列行业的发展，创造财富价值。利用绿色智能分类生活垃圾桶进行分类处理，是一种新型的垃圾处理方式，以提高人们垃圾分类的意识，同时提高城市居民的生活舒适度。