一款校园便携式自动化废纸回收装置设计

文/许少泽 张曦文

1 背景分析

中国人口数量庞大，每天产生的垃圾数量也非常庞大，废纸实际上是各类垃圾中回收利用量较大的可再生资源。然而，我国的废纸利用率不足50%。美国的该项数据为65%，日本的该项数据则高达80%（2012年）。由此可见，我国的废纸回收利用率远远低于部分发达国家和发达地区。而提升废纸的回收率是提升废纸利用率的关键，目前我国大多数的废纸回收公司没有规范的收购方式，同时回收方式不够先进与科学，没有规范的废纸回收、分拣与打包程序，也不具有完备的管理体制，收购的废纸质量差、杂质量大，而且成本高，效率低下，还尚未建立完善的废纸回收体系。

于此同时，我国相关机构不断地针对国内废纸现状推行相应政策。《造纸工业发展“十二五”规划》提出了“加大废纸回收和利用力度”和“健全废纸分类回收利用体系”等标准和办法。2019年3月21日，中国再生资源回收利用协会废纸分会2019年一季度副会长工作会议上就近期与国家发改委、商务部、国税总局等国家部委沟通，对2019年即将出台的废纸回收行业政策方向进行了传达。废纸的回收和处理技术也在不断的研发更新，如中华纸业的徐红霞老师针对废纸处理打浆装置做了最新的技术更新。我国废纸的回收、整合、处理等各个环节的完善都在稳步推进。但是虽然在国家政策层面对于废纸回收的规范逐步细化严格，但仍旧缺乏日常执行上的可行方案，没办法直接提高居民的废纸再利用意识，因此提出了这个可以应用在用纸量较大的如校园或办公区等地的废纸回收装置，可以简化废纸回收的步骤，帮助人们养成废纸回收的习惯，真正实现“点纸成金”的效果以提高废纸的回收率。

2 装置简介

本项目实现的废纸回收装置由废纸存贮箱、硬币存贮及吐出槽、回收电机核心装置三部分构成。以DP801单片机为核心主控板，以红外传感器、电动机及齿轮传动装置分别为输入和输出装置。

（1）自动吐硬币奖励机制可以提高公民的废纸回收积极性，培养废纸回收的意识和习惯，以减少可利用废纸的流失；

（2）该装置可以适用于学校等废纸产量大的场所，因为可以集中回收，更加便利了繁琐的废纸回收过程，也解决了废纸回收、分拣与打包程序不规范，管理体制不完善的问题，保证废纸回收的数量及质量；在装置装饰上可进行相关宣传，培养社会的废纸回收意识。

3 模型装置设计

本装置以DP801单片机为“大脑”，可通过编程，实现电路的开闭以实现硬币装置的运转，实现循环奖励的设计理念。

红外传感器通过电源拓展板与单片机相连构成输入装置，控制整个电路的“开关”。电动机与单片机相连构成输出装置，当红外传感器接收到一次信号时，电路接通，通过预设编程，可实现电动机进行相同时长的正转与反转，再通过D型齿轮与条型齿轮组合传动装置的运行，进而实现一次硬币的掉落，并且该过程可实现循环进行，最终达到我们想要的“点纸成金”的效果。

整件装置主体框架材料为透明的3MM亚克力板，并使用亚克力胶完成连接，以保证装置的牢固性。制作过程中利用电锯完成装置的形状构建。其中，单独制作的硬币抽屉可以实现对硬币的拿取。为了贯彻绿色环保的理念，该装置辅以太阳能电池板为供电装置，使装置节能且可持续利用。

图1

图2

4 关键技术

4.1 自动化核心

DP801单片机为核心部件，通过编程，实现对整个装置电路的控制，以电源拓展板为桥梁，连接输入与输出装置。通过单片机的通转指令，将输入装置的信号转化为输出装置的运行，达到自动化目的。

4.2 循环奖励装置

电动机与齿轮联动装置采用D型齿轮与条型齿轮组合。当输入装置输入信号后，经单片机处理，形成输出装置电动机的转动，D型齿轮与电动机转轴相连，通过D型齿轮转动带动条型齿轮横向移动，打有硬币通过孔的亚克力板附着在条型齿轮上，随条型齿轮横向移动，实现硬币落入小抽屉内，然后在单片机编程控制下，条型齿轮带动亚克力板回到原始位置，完成一个循环过程。并且上述过程可循环进行，实现多次放纸，多次出币的效果。

5 研究过程

5.1 选题过程

在学校生活中，大多数同学将废纸丢入垃圾桶，这样的废纸处理方式太过于浪费。经查阅资料发现，学校生活中的废纸属于A类纸，完全可以被很好地重复利用，例如，报纸等纸质产品就是废纸的再生产物。经过进一步了解，不仅是在学校中，目前我国整体的废纸回收利用率都比较低。废纸过多的情况下，粉碎等回收方法容易造成大量纸资源浪费；平时所采用的一次大量出售废纸方法不够系统化而且较为麻烦。

综合上述问题，笔者想到可以通过设计特殊废纸回收装置，实现定时定量将废纸系统化回收。经过与辅导老师的探讨，确定了可以加装自动出钱装置，每当纸积累到一定程度时，便可弹出对应的钱数，简化繁琐的废纸回收过程。又因为自动化设备一定会使用到电机，可以设置太阳能电池板置于室外供能，实现环保化与贯彻落实可持续发展理念。在装置外表制作环保标语、环保海报等，既使装置美观，又具有宣传价值。

初步确定选题后，通过中国知网、万方数据库等学术网站进行查询。以“废纸”、“回收利用率”为检索词在中国知网和万方数据库中分别查询到155条和35条相关文献，再经过进一步筛选，得到《一种教学用废纸回收利用装置》、《环保红线下废纸回收行业的机遇与挑战第二届中国回收纸行业大会在京隆重召开》等密切相关文献，但与本选题设想并不完全相似，证明本选题具有一定的创新性，确认了选题的可实施性。

5.2 制作过程

按照规划方案，首先根据选题设想画出结构草图，根据草图开始选择材料，购置所需材料，包括亚克力板、电动机、红外传感器、DP801单片机、太阳能电池板等。

画出装置的结构细节图，并设计出具体的尺寸。结构细节图设计完成后，在辅导老师的帮助下，将购买的60CM*60CM*3MM的透明亚克力板切割成相应尺寸。

将装置所需要的单片机进行编程，通过通转指令，控制整个电路的工作运行。随后将红外传感器、单片机以及电动机通过电源拓展板相连，形成完整的电路。

单独制作抽屉，与整体骨架分离，便于抽屉的拉动，并对抽屉进行打孔，制作拉环。

所需部件制作完成后，开始进行装置的组装，利用亚克力胶连接，以保证装置的牢固。

在亚克力胶生效的过程中，将单片机与抽屉上的亚克力片连接，进行初步的实验与调试。调试过程中，针对设计时未考虑到的滑片易错位问题，单独额外制作出滑道，以控制滑片轨道。也同时用纸制作出硬币存储管，并与骨架连接。

将红外传感器—单片机—电动机装置连接到亚克力骨架上，并完成简单的导线布置。并将两个红外传感器并联接到单片机上，以实现纸张与书籍的分类存放。然后，将太阳能电池板与装置相连，把事先设计好的掀盖结构连接到骨架上，粘贴壁纸，完成整个装置制作。

6 研究结果分析

6.1 作品意义及创新点

（1）便利性：该装置牢固、便携，可直接放于学校等废纸量大的地方，使得学生等更加方便地进行废纸回收；可使学校进行系统化的废纸回收，更加便利，省略了人工回收的不便。

（2）经济性：进纸吐钱，提高人们回收废纸积极性的同时，也省略了繁琐的废纸回收程序。

（3）专一性：该装置可回收高质量废纸，有效降低废纸杂质率，也提高了废纸回收率及回收效率。

（4）高效性：该装置完全实现自动化回收过程，有效提高废纸回收效率。

（5）科技性：通过电力及机械装置实现智能化回收，有效降低人工回收过程的复杂程度以及出错率。

（6）该装置可进行分类处理，即实现对书本和废纸的分类回收，最大程度减少材料浪费。

6.2 装置可实施性

便利及简化个人及废纸回收公司等的复杂废纸回收过程，满足了学校等废纸量大的地方的废纸处理需求，该装置实现了废纸回收的程序化、规范化、系统化，更加有利于国家社会的废纸回收工作，利于提高废纸回收率，对我国废纸回收处理工作也具有一定价值。

7 装置后期改进

（1）可设计通过不同的传感器或对编程进行改进，以实现更精确质量与硬币量关系的控制。

（2）加装压缩处理装置，进一步简化废纸回收过程，并调高装置的空间利用率。

（3）进一步实现电子化，融入更多科技含量，例如通过二维码实现网络货币的应用。

（4）加设更多分类，便于回收更多种类的废纸。

（5）拓宽到更广泛的领域，可在学校以外的其他领域实现废纸的回收利用。