厨房生活垃圾处理装置的设计与研究*
2021-10-11许成年杨应洪王浩宇桑庆林尹显明
许成年，杨应洪，王浩宇，桑庆林，尹显明
(西南科技大学 工程技术中心,四川 绵阳 621010)
0 引言
随着科学技术的不断进步，人们环保意识的增强，现代厨房在不断追求智能化的同时也在追求节能环保[1]。针对厨房生活垃圾处理问题，现有的厨房垃圾粉碎机通常利用研磨锤在高速旋转时产生的惯性力将垃圾击碎，再通过齿板、齿条的相对运动进行再次切割、研磨，粉碎后的垃圾随下水道冲走[2]。目前，这类产品技术不够成熟，通常存在工作时噪声大、破碎不彻底等问题。针对这些问题，本文设计了一款以STM32单片机为控制核心的新型厨房生活垃圾处理装置。
1 厨房生活垃圾处理装置总体设计
该装置选择型号为STM32F103单片机作为主控制器，选用AMS1117-3.3与AMS1117-5型号的两款DC-DC稳压器作为电源部分，分别实现3.3 V与5 V电压的维稳[3]，结合霍尔传感器、语音模块等实现系统的有效运行。主控系统总体结构如图1所示。可以通过物理按键或者语音模块对装置进行启动和停止操作；霍尔传感器检测电机运行时电流的变化，将采集到的电流值转换为电信号发送给主控板；报警模块在采集返回的电流值超过阈值时，发出警报，并立即停止装置的运行；外置的显示屏可以实时显示装置的运行情况。该装置采用静音电机降低了破碎时噪声,同时在装置腔体的外围附有隔音棉，进一步增强了降噪的能力。
图1 主控系统总体结构框图
2 硬件设计
2.1 垃圾处理装置的结构
借助SolidWorks软件设计了垃圾处理装置的结构，该装置总体尺寸为230 mm×230 mm×350 mm，主要由三级研磨机构及控制检测模块等构成，如图2所示。首先，由电机8转动带动撕裂刀片组1实现一级破碎，然后生活垃圾进入下方的第二腔体；由电机6带动磨盘7转动，同时刀片及研磨锤2也随之转动，在离心力的作用下，粉碎后的生活垃圾与刀片之间发生相对运动，使得生活垃圾被再次撕碎，实现二级破碎；最后，在离心力作用下，垃圾被研磨锤2在过滤壁3上不断研磨，实现三级研磨。控制检测模块的核心元件是霍尔传感器4，霍尔传感器4检测电机6和电机8运行时的电流值来判断是否出现电机卡死的情况，并将检测信号反馈给主控。
1-撕裂刀片组；2-研磨锤；3-过滤壁；4-霍尔传感器；5-主控；6，8-电机；7-磨盘
本装置采用的撕裂刀片如图3所示。该撕裂刀片的材质为合金工具钢，具有硬度高、耐磨性强等优点，可将较大的厨余生活垃圾撕裂并送入二级研磨腔，提高了研磨效率，可满足厨余生活垃圾的破碎需求。
图3 撕裂刀片
该装置可扩展使用，三维安装结构示意图如图4所示。将该装置置于洗碗槽2的下方，顶部接口直接与洗碗槽2相连，安装方便。厨余垃圾从洗碗槽2与装置的接口进入装置，在经过三级的破碎研磨后，随着水流排入下水道。装置右侧增设了洗碗机的拓展接口4，可配合家用洗碗机3使用，将洗碗机3工作时产生的污水再次利用，水流配合装置达到更好的研磨效果，提高了该装置的实用性。装置右下方接口6与下水道相连，垃圾在研磨完全之后通过接口6排出。
1-OLED显示；2-洗碗槽；3-洗碗机；4-洗碗机水管；5-紫外线消毒模块；6-下水道接口；7-STM32主控；8-开关；9-霍尔传感器；10-电源；11-破碎机；12-语音模块和报警模块
2.2 传感器模块
装置增加的语音功能模块以及报警功能需要用到霍尔电流传感器和语音传感器，如图5所示。
图5 各传感器模块
霍尔电流传感器具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点。在垃圾处理装置工作时，由于过载或异物卡顿导致电机卡住的时候，会产生较大电流，通过该传感器检测电流知道电机是否卡住，如果卡住后会断电保护，再通过报警模块提醒用户，进一步增强了该装置的安全性。
选用LD3320语音控制模块来控制厨房垃圾处理装置，实现了基于听觉的人机交互方式来控制装置，用户通过语音模块便可控制装置的运行。
2.3 报警模块
报警模块采用蜂鸣器进行报警[4]，其工作原理如图6所示。蜂鸣器BEEP1一端接3.3 V电源，一端通过三极管连接单片机端口并接地。当输入高电平时，电路堵塞，蜂鸣器关闭。输入低电平时，电路连通，蜂鸣器驱动，表示装置运行出现问题发出警报。
图6 报警模块工作原理
3 软件设计
编程软件选择较为常见的Keil，编程语言选择基础的C语言。外部传感器获取运行环境数据，并将数据反馈到装置，系统得到响应。系统运行流程如图7所示。
图7 系统运行流程
该装置上电，系统初始化，用户可以通过语音模块或者按键启动装置。在运行过程中，霍尔电流传感器分别检测两个电机的电流参数，并及时反馈到主控单元，再通过对电流参数值的判断进一步实现装置的有效运行。
4 小结
该装置结合了单片机技术和传感器检测技术，采用逐级破碎研磨生活垃圾，提高了破碎效率。利用霍尔传感器对电机的工作状态进行实时监测，注重静音设计，减少了噪声污染。该装置具有操控方便、实用性强且成本低廉等特点，具有一定的市场推广价值。
