有机高分子传感器识别的家用智能分类垃圾桶

郭金鑫 郝 勇* 彭培瑾

(内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010000)

随着科技的进一步发展，带给我们许许多多的便利条件，但是形式多样，数量众多的垃圾也随之而来，这些垃圾给我们日常生活中带来了诸多不便和困扰。而且农村的经济发展尤其迅速，导致垃圾产量的速度以一个非常迅猛的速度发展，使得垃圾对我们环境的影响很大而且从另一个方面来讲，垃圾其实是错误放置的优势资源，并且我们国家的人口基数大，这就是不可多得的丰富资源，所以本设计致力于设计一款方便快捷的家用智能垃圾桶。

根据熊建桥、陆卫等所在的南京一所高校的设计为例，由机械结构、硬件电路、软件程序等部分组成，采用皮带传动机构、剪式机构、丝杠螺母机构等，融合红外感应传感器、金属传感器等，运用典型STC89C51 控制芯片，初步实现桶自动开合、检测分类、压缩储存等功能。研究分析其优点在于整体布局及设计完善，有较高的工作可靠性。但缺点也较为明显，设备较大，不易同比例缩小；以赵鑫为代表的吉林省长春市一研究机构设计的成果为例，其包括壳体、滑道、分类仓、传动及支撑装置、拍照装置、控制器及外置服务器等，主要工作原理为当垃圾被投入壳体时，先由滑道传送至拍照装置，然后拍摄信息传送至外置服务器进行辨别与比对，然后精确分类信息传回，然后由控制器控制传动装置将此垃圾传送至相应的垃圾分类仓。此设计的优势在于能实现精确的信息分类，但是其核心部件精密，维护成本高对家庭来说实用性不大；由王东兴的发明专利可知，装置包括传送带运输装置，材质感应装置和精确识别装置。工作原理简短为，当垃圾被扔进投料口时，感应装置立即检测出该垃圾的属性，促使投料口某一侧的挡板自动缩进去，进而带动挡片板向料筒壁摆动，让垃圾进入属于自己的料筒，进而实现垃圾的分类处理。可实现垃圾高效的分类处理，但是噪音大，属工业用垃圾分类装置，不适宜家用。此外根据市场研究中的智能分类垃圾箱相关资料分析，有些设计组织提出给生活物品外包装加RFID 电子标签，并且给智能分类垃圾桶加装电子射频仪器，这样做虽然理论效果好，但是实际生活中可能会出现较大问题，因为如果外包装含有金属成分，那么将会影响电子射频仪的正常识别，而且如果电子标签在物品使用的时候造成损坏的话，对于识别也会有相当大的影响，况且给生活物品加装电子标签及布置电子射频垃圾箱造价十分高昂，短期内实现将会有极大困难。

本文设计了一款集多种功能于一体智能分类垃圾装置，包括有机高分子识别、红外线检测垃圾投入、STC89C51 芯片控制桶盖开合、特制桶盖防止异味扩散，并将上述功能进行有机结合，使其所覆盖的综合能力更加全面，以此达到设计目的。

1 整体方案设计

首先要选取恰当的地方以及恰当的方式给垃圾箱进行供电(电源、电池两种方式)，当有人进行垃圾投放时，如果明确垃圾类型可直接打开相应类别的桶盖直接进行投放，若不明确垃圾类型时，可将垃圾置于筒体外的小型有机高分子传感识别装置的附近，传感识别装置将会进行识别，将垃圾的热辐射状态转化为电信号，根据电信号判断该垃圾由何种物质组成，再进行分类，最后将会自动打开所属类型桶盖以便直接进行投放，然后，当垃圾被投入时，将干扰垃圾桶内置的红外线感应装置的电信号，从而控制垃圾桶盖延时3 秒后自主关闭。另外，因为此垃圾箱几乎能识别和统一分类储存所有的家庭生活垃圾，为了能够避免异味的散发，4 个分类垃圾桶盖内衬将用一种由皮料、软木、活性炭粉和香料粉组成然后热熔机压制而成的新材料。从而帮助人们识别不同垃圾类型进而指导垃圾分类同时对垃圾无异味化处理，以达到本次研究与设计的最终目的。

2 垃圾桶结构设计

此次所设计的家用智能分类垃圾桶注重结构方面的创新，将力求解决垃圾在家庭进行初步分类的所有问题，制作成的垃圾桶将会有高分子识别未知垃圾类型、红外线感应自动关闭桶盖、防异味扩散等实用功能。

2.1 结构概念图

图1 智能垃圾桶结构概念图

与常规垃圾桶进行比较，此设计的特点是：

2.1.1 较为沉重的供电设备(电池)位于整体内部的下方，较为牢靠不易倾覆。

2.1.2 位于垃圾桶盖内侧设置的4 个红外传感器在不进行工作时会被垃圾桶盖覆盖进行保护，可延长其精密部件的使用寿命。

2.1.3 4 个垃圾桶盖的合页部分位置居中，使用一个金属舵装置就可以实现整体对于垃圾桶盖的操控，大大节约内部空间。

2.2 垃圾桶流程

当垃圾准备投进上图所示的垃圾桶时，运行流程如图2 所示。

图2 垃圾桶工作流程

上述流程图可以清晰直观的了解到此智能分类垃圾桶运行工作时的具体步骤。若能辨别垃圾种类，可自主手动打开垃圾桶盖进行投放，若不能，需将垃圾置于桶外设置的有机高分子传感器进行识别。

2.3 垃圾桶三维结构

3 硬件部分设计

3.1 有机高分子传感组件

本设计所采用的有机高分子传感器为西克集成智能传感器，此传感器的工作原理为，当有物体(垃圾)靠近传感器时，系统自主进行垃圾材料信息的采集，同时将垃圾的热辐射状态快速转化为系统可识别的电信号，以此来匹配系统内部所包含的不同垃圾种类的信息，来达到对垃圾种类的精确识别，此过程在1.5 秒内完成，经过测试，对目标垃圾的识别准确度在97%左右，足以满足设备对日常生活中所出现的各类垃圾实现精确识别的要求。此传感器的优势在于，能较为准确的感应微弱的电信号提高了精度，改善了系统的抗干扰能力减小了误差。

图3 垃圾桶外观结构图

图4 垃圾桶内部结构图

3.2 红外线感应及STC89C51 芯片控制

当集成智能传感器精确识别垃圾种类工作完成后，下一步衔接的动作为垃圾桶盖的开合便于垃圾的投放。传感器识别判断出垃圾种类之后，STC89C51 芯片接收控制垃圾桶盖打开的指令，芯片控制由直流电机、减速电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的MG996R 金属舵机来实现对应垃圾桶盖的打开工作；当垃圾被投入时，在垃圾投放口处设置的红外线感应系统自动检测出垃圾已被投入完成后，然后由STC89C51 芯片控制MG996R 金属舵机来实现垃圾桶盖的延时3 秒关闭，目的方便于垃圾的完全投放。

3.3 防异味扩散垃圾桶盖

本垃圾桶设置了4 个垃圾分类仓，所以对应设置4 个分类垃圾桶盖，此垃圾桶盖的设计为桶盖内衬将用一种由皮料、软木、活性炭粉和香料粉组成然后热熔机压制而成的新材料。经过试验，此新型防异味垃圾桶盖能有效减小垃圾腐败散发出的难闻气味，来大大减少垃圾产生的难闻气味对民众日常生活的困扰。

3.4 设计整体尺寸

本着保证设计功能完全实现的前提下，经过对结构布局的多次设计为了尽可能达到体积小、重量轻的目的，进行了大量资料的查阅和可行性分析，最终把理论样机的尺寸设定为底边长宽都为42.5 厘米、高度为53 厘米。总重量不超过3.2 千克。并且上述出现的设计材料价格相对低廉容易获取。

通过对上述各个功能部分的论述，本设计已经能弥补市面上具有代表性的智能分类垃圾桶的常见问题，可以实现体积小、重量轻、操作简单方便快捷和维修护理难度小价格相对低廉的设计目标。

4 此垃圾桶可附加功能

根据垃圾桶所放置的地区不同，可根据当地民俗特点和文化特征来对外观进行更改和改进来彰显当地特色；亦可根据个人不同的个人喜好进行涂鸦或者喷绘，当放置在室内公共区域例如地下车库等其他光线较暗的区域时，可对垃圾桶轮廓进行荧光喷涂以便可以快速找到并且避免发生碰撞危险。

5 结论

本设计符合国家对于垃圾分类的方向要求，有利于帮助民众进行合理的垃圾分类，有利于加快建设和谐发展的绿色生态国家。其中所包含的有机高分子识别、红外线检测垃圾投入、STC89C51 芯片控制桶盖开合、特制桶盖防止异味扩散等功能会在日常生活中提供可靠且合理的帮助，在很大程度上满足了市场需求。