基于 Arduino开发板的智能垃圾桶设计

2021-08-20杨晨李伟

机电工程技术 2021年11期

杨晨李伟

摘要：基于 Arduino开发板，主要对智能垃圾桶的“行走模块”“红外感应自动开盖模块”和“自动封口模块”进行设计。该设计涉及到单片机和部分传感器的基本原理及应用，不仅可以实现通过红外感应动作的“自动开盖”功能，而且可以实现“多个地点召唤”和“自动封口”的功能。该设计可以实现在特定路线和红外遥控的辅助之下到达预定地点，并且可以完成“收垃圾”的工作，这是一次将智能垃圾桶、智能小车和封口机三者结合的设计，使智能垃圾桶具有功能多、应用广等特点。

关键词： Arduino;智能垃圾桶;传感器;封口机

中图分类号：TP23文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0179-04

Design of Intelligent Trash Can Based on Arduino Development Board

Yang Chen ，Li Wei

（Zhengzhou University of Science and Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract： Based on Arduino development board， the walking module， infrared sensing automatic opening module and automatic sealing module of intelligent trash can were designed. The design involves the basic principle and application of single chip microcomputer and some sensors， which can not only realize the "automatic opening" function through infrared induction action， but also realize the functions of "calling multiple places" and "automatic sealing". The design can reach the predetermined place with the help of specific route and infrared remote control， and can complete the work of "garbage collection". It is a design that combines intelligent garbage can， intelligent car and sealing machine， so that the intelligent garbage can has the characteristics of multi-function and wide application.

Key words： Arduino; intelligent trash can; sensor; sealer

0 引言

现如今人们的生活水平不断提高，对生活质量有了新的需求。人们开始对自身及周围的环境卫生有了更高的要求，从人们自身生活的角度考虑，垃圾桶是不可或缺的存在[1]。但是，生活中的普通垃圾桶也存在着很多的弊端，比如异味溢出、细菌传播等[2]。由此可看出，垃圾桶其实是有着很大的改进空间，如今又是“智能化”时代，所以有了在现有的基础之上[3]，对还未普及的智能垃圾桶进行一次创新设计。首先，对于“异味溢出”这一问题，应从垃圾桶的结构角度考虑，其解决方案：第一，对其结构的密封性进行优化;第二，减少垃圾桶开盖时间和次数。再者，对于“细菌传播”这一问题，应从人们与垃圾袋的接触次数的角度考虑，其解决方案：实现自动封口功能，在垃圾桶开盖之前完成垃圾桶的封口[4]。最后，在一些像家庭、办公室一样的公共场所，如果每个地点都要放一个垃圾桶，那么垃圾的存储量会变大只会加快细菌的传播。所以，针对这一问题，决定用“多地点召唤”这一功能的实现来解决，只需一个公共垃圾桶。用这3个功能，能够解决现实生活中大部分垃圾桶存在的问题。为了实现这3个功能，需要将垃圾桶的主要部分分为3个模块——行走模块、垃圾桶自动开盖模块和自动封口模块。在实现这3大模块的同时，还需要将这3个模块相结合，融入现实生活之中。

1 智能垃圾桶整体结构设计

（1）底盘和侧板

智能垃圾桶的行走机构选用的是两驱动机构，即 2个主动轮、1个万向轮作为从动轮。底盘是整个行走机构的核心，几乎所有的重要硬件都固定在底盘上，所以在设计底盘的过程中，安装孔的位置设计是很重要的。这时需要主要硬件的三维建模，在设计过程中，主要是底盘的草图绘制。底盘的总体尺寸设计为：长×宽×高=230 mm×230 mm×4 mm 。在底盤上需要安装直流减速电机、Arduino mega2560 R3开发板、L298N 电机驱动模块、船型开关、18650锂电池组（12 V）、红外巡线传感器、超声波传感器和直径为6 mm的铜柱，其中还需要留出直流减速电机与 L298N驱动芯片、红外巡线传感器与 Arduino mega2560 R3开发板连线的孔，除此之外，为了之后其他没有被考虑到的硬件，留出2个宽度为3 mm的槽[5]。为了防止在制作过程中误差的影响，将所有孔和槽的尺寸加上2 mm。

（2）“自动开盖”模块

这一模块的结构设计主要是将舵机、智能垃圾桶上盖与后板连在一起的结构设计。其中，需要用到舵机附带的摆臂，一个合页。首先，第一个设计的连接件1（图1）是将舵机与智能垃圾桶上盖连接起来的零件，第二个设计的连接件2（图2）是将舵机与智能垃圾桶后板连接起来的零件。为了设计方便，选择在装配体内建立新零件（图3）。

（3）“自动封口”模块

第一，这一模块采用丝杆与螺母之间的机械传动方式，在实践中发现打印的连接件用来连接步进电机输出轴与丝杆、正反牙丝杆的连接刚度不够，所以选用联轴器连接步进电机输出轴与丝杆，正反牙丝杆选用氩弧焊焊接[6]。

第二，本次设计的联轴器还有另一个要求，就是尺寸应该尽量小，节省最大的空间。

第三，另一个需要设计的零件就是轴承端盖（图4）。在设计过程中，需要将轴承的尺寸、装配位置相结合，为了消除制作时误差的影响，应将该零件的圆孔尺寸加上0.2 mm ，还应注意这个轴承端盖的固定孔的位置不要与智能垃圾桶的边缘干涉。

第四，在装配零件时发现，如果将42步进电机安装在智能垃圾桶内，那么螺母的运动范围将大大减少，大约在70 mm左右，那么智能垃圾桶的工作范围将由原来的尺寸（长×宽=214 mm×214 mm）减少为现在的尺寸（长×宽=214 mm×140 mm），这样设计是不合理的。因此，为了节省空间，只能将42步进电机安装在智能垃圾桶的外侧，即智能垃圾桶的左板上。

第五，行程开关的安装位置很关键，决定整个系统的能否运行。因为其将随着螺母的运动而运动，所以需要设计一个将螺母、行程开关与夹杆连接在一起的连接件3 （图5），另一个连接件4（图6）与此相似，不同的是在其上端连接的是可以触发行程开关的螺栓，为了装置的可调性[7]，先连接一个直径为5mm的螺母，再将螺栓装配在上面。总体的结构如图7所示。

2 三大模块的系统设计

（1）“行走”模塊

智能垃圾桶在实现“多地点召唤”功能的方式与智能小车相似。用12 V 电池通过驱动芯片给直流电机、Ar- duino开发板供电。首先要实现智能垃圾桶的巡线可随意到达目的地，因此用到红外巡线传感器来检测智能垃圾桶所处的位置，然后给 Arduino开发板发送信号;在智能垃圾桶行走同时，会随机遇到障碍物，因此需要超声波传感器通过测距给 Arduino 开发板发送信号[8]，与此同时，Arduino开发板通过程序对每种情况的解决方案输出控制信号，从而通过驱动芯片控制直流电机的转速和方向[9]。以此可达到两个目的：第一，通过特定的路线到达目的地;第二，在与障碍物一定的距离之内，智能垃圾桶停止行走一定的时间，以此达到避开障碍的目的。硬件清单，如表1所示。

（2）“自动开盖”模块

智能垃圾桶的系统是通过红外避障传感器检测外界人的动作，对 Arduino mega 2560开发板输入数字信号（1或0），信号为“0”时不工作;信号为“1”时，通过在单片机中编写的程序被判断为“有人正在扔垃圾”，此时所给的“对策”就是通过输出模拟信号给伺服电机，使伺服电机转动特定的角度，然后等待人将垃圾投入垃圾桶，在特定的时间之后关闭盖子。硬件清单如表2所示。

（3）“自动封口”模块

首先对于控制方面，选用了 Arduino mega2560 R3开发板控制步进电机，机械传动方面选择丝杆螺母的传动。这一模块总体的系统设计：当 Arduino mega2560 R3开发板接到指令之后，通过编写程序给 Arduino mega2560 R3开发板特定的指令，开发板再给步进电机输入特定的信号，步进电机会以特定的转速转动特定的圈数[10]。中间通过丝杆滑块机械传动将垃圾袋夹成一条直线，此时滑块上的螺钉会触碰到行程开关，步进电机停止转动，电阻丝发热，加热2 s 之后，电阻丝停止加热，步进电机反转，并使滑块复位。此时，智能垃圾桶的“半自动封口”完成。其中的难点是机械结构的设计、编程的逻辑思维。硬件清单如表3所示。

进行“自动开盖”和“自动封口”功能，只有当智能垃圾桶的超声波模块检测到人时智能垃圾桶停止，开启“自动开盖”功能;当智能垃圾桶到达预定地点时，开启“自动开盖”功能，完成之后，智能垃圾桶就会回到起点位置。

3 模拟路线设计及总体方案

（1）模拟路线设计

为增强智能垃圾桶的适应性，需要包括所有的将来智能垃圾桶所遇到的状况，其中包括多个左转、多个右转和多个十字路口的情况下不同的选择[11]。以这样的原则，设计了智能垃圾桶的模拟路线，“0号”位置即为起点，“1号”“2号”“3号”“4号”和“5号”位置是智能垃圾桶的预到达的各个地点，如图8所示。

（2）总体方案

本次设计选择了红外遥控的方式进行控制，遥控上的“1～5的按键”分别对应智能垃圾桶预到达的5个位置，当在预到达的地点按下相应的按键时，智能垃圾桶就会到达该位置。

总方案：第一，在起点（即0号位置）智能垃圾桶开启“自动开盖”和“自动封口”功能;第二，在“行走”过程中，不允许进行“自动开盖”和“自动封口”功能，只有当智能垃圾桶的超声波模块检测到人时智能垃圾桶停止，开启“自动开盖”功能;第三，当智能垃圾桶到达预定地点时，开启“自动开盖”功能，完成之后，智能垃圾桶就会回到起点位置。

4 程序调试和分析

在“行走”模块中，为了使智能垃圾桶灵活地执行命令，采用通过 Arduino开发板模拟输出引脚（ PWM 值的范围在0～255之间）控制直流电机的速度[12]。六路巡线的内容如表4所示。经过实验验证，垃圾桶能按照预设的位置准确到达各个地点。

5 结束语

本文主要对智能垃圾桶的3大模块“行走模块”、“红外感应自动开盖模块”和“自动封口模块”进行设计。此设计涉及到单片机和部分传感器的基本原理了解及应用，不仅可以实现通过红外感应动作的“自动开盖”功能，而且可以实现“多个地点召唤”和“自动封口”的功能。该设计可以实现3个模块的所有功能，并且可以将3个模块结合起来。可以实现在特定路线和红外遥控的辅助之下到达预定地点，并且可以完成“收垃圾”的工作。工作过程中可以通过红外避障传感器的“感应”，实现盖子的“开和关”。在原点可以通过红外遥控控制步进电机和丝杆机构实现垃圾袋的封口。经过现场模拟实验，垃圾桶完成了预期的“自动开盖”“多个地点召唤”和“自动封口”功能。

参考文献：

[1]鞠海翔，樊东燕.公共场所智能垃圾桶系统的设计[J].山西电子技术，2017（6）：28-31.

[2]宋楠，韩广义.Arduino 开发从零开始学—学电子的都玩这个[M].北京：清华大学出版社，2014.

[3]姜磊.基于 ARM的嵌入式系统在无线视频传输中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[4]陈爱华，韩利春.红外感应翻盖垃圾桶的驱动连接装置：

CN201220831[P].2009-04-15.

[5]程晨.Arduino 电子设计实战指南[M].北京：机械工业出版社.2013.

[6]陈吕洲.Arduino程序设计基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[7]郭爱民.多功能垃圾箱[J].中小企业科技，2006（5）：52-53.[8]汤俊良，黄国清.智能垃圾箱[J].无线电杂志，2004（11）：12-14.

[9]周慧，许锦标.新型智能垃圾桶的设计方案[J].广东工业大学学报，2006（3）：85-94.

[10]白金婷，潘存云，吴懋亮.三自由度智能零售柜的传动设计与力学分析[J].机电工程，2019，36（11）：1208-1211.

[11]汪元超.智能垃圾桶的发明及使用[J].科学咨询（科技·管理）， 2017（10）：54-55.