一种新型家庭智能分类垃圾桶设计

石羽倩 汪伟君

（安徽理工大学机械工程学院 安徽·淮南 232001）

1 设计背景

垃圾分类是对垃圾收集处置传统方式的改革，是对垃圾进行有效处置的一种科学管理方法。它可以在源头将垃圾分类投放，并通过分类的清运和回收使之重新变成资源，是生态环境治理的关键词之一。目前全国已有237个城市启动垃圾分类，上海、厦门、杭州、宁波、广州、深圳等18个城市垃圾分类覆盖率超过70%。但是，据调查很多人不能正确的区分垃圾的种类，市面上的常用垃圾桶无法进行智能识别分类。随着社会经济的不断发展，人们的环保意识逐渐增强，对于整洁的生存环境和对高质量生活品质的不断渴求，智能分类垃圾桶的提出，极大的方便了人们的生活。

本设计能够有效地进行垃圾类别智能识别，最大限度地实现垃圾资源利用，改善生存环境状态。

2 设计方案

本智能分类垃圾桶选取单片机和舵机作为控制单元，通过语音控制实现方便快捷的智能垃圾分类并且能够实现烟雾报警的功能，从而进行安全监测，方便家居生活，而且进一步提高了安全性。智能分类垃圾桶包括垃圾分类装置、收集装置、电控装置和运动装置，总体结构如图1所示。

图1：总体结构图

2.1 垃圾分类装置

该分类装置主要由倾倒板，二自由度云台和舵机组成。采用了二自由度的可旋转的云台，由其上方和下方的两个舵机控制其旋转方向和角度，能够实现水平和俯仰两个方向的运动，从而可以朝下方的四个垃圾桶进行垃圾的倾倒。四个单独的垃圾收集装置分别对应四种不同的垃圾，实现准确分类。分类机构如图2所示。

图2：分类装置

2.2 垃圾收集装置

垃圾的收集装置采用了四块相互独立的空间（如图1所示），分别对应四种种类的垃圾，分别为干垃圾、湿垃圾、可回收垃圾和有害垃圾，垃圾桶的内部分别套上相应的塑料袋以方便人们的拿取。垃圾收集空间结构如图3所示。

图3：垃圾收集结构

2.3 电控装置

智能分类垃圾桶的电控装置主要由三部分组成。系统总体框图如图4所示。电控装置采用stm32f103作为主控芯片，配有ld3320语音模块，两路pwm信号分别控制两个舵机的先后运动进而实现垃圾分类。同时烟雾传感器模块可感受到室内烟雾浓度，当发生火灾烟雾超过正常室内浓度时将信号传递给stm32单片机主控板再通过扬声器发出警报并通过短信模块向用户手机发送火情信息。

图4：系统总体框图

2.3.1 垃圾分类功能

（1）把垃圾放入垃圾桶并说出垃圾名称，ld3320会自动识别人声并区分垃圾种类，将处理后的信息通过串口传送给单片机，单片机收到指令，分别控制1号，2号舵机将垃圾送入指定区域。

（2）红外传感器可检测垃圾桶内部垃圾是否装满，通过调节灵敏度可实现：当垃圾未装满时，红外接收管接收不到红外线，输出端输出状态1；当垃圾装满时，红外线被垃圾反射，红外接收管接收到红外线，输出端输出状态0。

（3）OLED显示模块通过i2c与单片机通信，将通过光电传感器获取的垃圾是否满的信息显示出来。便于人们对垃圾的处理与垃圾袋的更换。

2.3.2 火情预警功能

在垃圾桶上加装5-30V供电的灵敏度可调的烟雾传感器报警器，烟雾传感器通过将外界烟雾浓度转换为电压大小的方式将电压模拟量从输出端输出，单片机io口启用ADC模数转换功能并设置相应浓度阈值实时监测烟雾浓度，一旦烟雾浓度超标，烟雾报警装置将会发出警报。当火灾场所发生的烟雾进入到感烟探测器的监测电离室，位于电离室中的检测源镅241放射a射线，使电离室内的空气离成正负离子。当烟雾进入时，内外电离室因极性相反，所产生的离子电流保持相对稳定，处于平衡状态；火灾发生初期释放的气溶胶亚微粒子及可见烟雾大量进入检测电离室，吸附并中和正负离子，使电离电流急剧减少，改变电离平衡状态而输出检测电度信号，经后级电路处理识别后，发出报警，并向配套监控系统输出报警开关信号。能够实现出现火灾隐情和燃气泄漏的时候进行报警处理，提高了安全性。

2.4 运动机构

在垃圾桶的底部加装了麦克娜姆轮，利用麦克娜姆轮的特性能够实现进行全方位的移动便于在有限空间内灵活运动。麦克纳姆轮主体由轮毂和辊子组成，轮毂是整个轮子的主体支架，辊子则是安装在轮毂上的鼓状物，麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子转轴呈45°。理论上这个夹角可以是任意值，根据不同的夹角可以制作出不同的轮子，但多为45°。驱动麦克纳姆轮运动的电机采用的是行星减速电机。减速机一般是把输入的低转矩高转速通过齿轮组转换成高转矩低转速输出。行星齿轮减速机有两个特点，第一个是输入轴输出轴是同轴线；第二个它有3个以上的行星齿轮，在变速中提供较大的合力矩，还有较平稳的速度传递（始终有齿轮良好的啮合）。麦克纳姆轮的安装方式采用O-长方形，四个轮子的着地点形成一个矩形。运用正运动学模型（forward kinematic model）得到一系列公式，通过四个轮子的速度，计算出底盘的运动状态。

3 工作流程

首先打开桶盖开关，按下“1”键，然后长按桶身正面按键，发出“滴”两声即可正常使用。放入垃圾，垃圾桶通过自动识别放入隔离平台。垃圾将受到分类装置中两个舵机控制实现垃圾口的打开和选择，投放至对应区域。若垃圾满载该装置会自动报警收缩好垃圾袋口，等待人们取走。同时，该装置还设置有烟雾报警装置，当室内烟雾浓度超过设定阈值时，产品会持续发出报警声，并实时提醒发生到手机对应APP上，由此可进行安全监测，方便了家居生活，进一步提高了安全性。特别要注意地是在更换垃圾袋时要先将电源关闭，然后再打开盖子，取出旧垃圾袋放入新的，最后关闭盖子，打开电源。在产品连续“滴”两声后，灯带闪烁，则需充电，充电时保持开机充电10小时，灯带呈呼吸闪烁，充满电后灯带熄灭。

4 结论

此新型家庭智能分类垃圾桶能有效对垃圾进行分类并且使用方便实现了语音控制，能够检测垃圾的存储状况并反馈，人们可以通过手机获知其信息，并且为了遵从安全与绿色生活，实现了火灾隐情和燃气泄漏预报，功能较完善。此装置既适用于家庭也适用于公司、大型企业等，并且可以通过具体的需求进行专门化改进与设计,实用性强，具有很好的应用前景。