智能垃圾桶设计

摘 要：随着人们生活水平的不断提高，人们对城市智能垃圾桶的要求也越来越高。垃圾桶是人们日常生活中不可缺少的一部分，在城市公共社会生活中，必须配备大量的垃圾桶。但目前市场上的垃圾桶，存在的缺点是，结构功能单一、需要人频繁的更换垃圾袋，不能够适应越来越快速的生活节奏。尤其是近年来，垃圾分类的理念深入人心。人们更加追求功能齐全的智能就家居垃圾桶。本文在研究大量文献的基础上，分析整合了前任的相关研究经验，设计了一种，人工语音控制的智能垃圾桶，此种垃圾桶能够在人工语音的控制下自动打开和闭合，运用连杆机构，能够自动打包和放置新的垃圾袋，省去人工频繁弯腰开盖的过程，具有一定的市场前景。

关键词：智能;垃圾桶;连杆;自动化

一.引言

智能垃圾桶已经越来越多的受到众多国家科研人员的关注，尤其是带有多种功能的智能垃圾桶，研究智能垃圾桶，有助于提高人们的生活水平。目前，在国内市场上，大部分使用的还是传统的机械式垃圾桶，功能复杂，成本较高的智能垃圾桶并没有得到应用。垃圾箱的发展，可以说经过了从最原始的简易垃圾箱、到不要求人弯腰的脚踏垃圾箱，再到了现在研究最热门的智能垃圾箱，又经过了很漫长的时间发展[1，2]。21世纪10年代，在美国纽约接头出现了太阳能垃圾桶，此种垃圾桶能够将太阳照射的太阳能转化为供给垃圾桶使用的电能。

世界上较为普及的智慧垃圾箱主要是指一些新型智慧垃圾箱[3]，这一类垃圾箱目前只能实现定时包装所提供的作用，仅限于使用者即时操控其运行，且由于缺乏定位管理系统而根本无法实现对垃圾处理袋的定时投递，包装也不能完全按照垃圾箱的状态完成，仅限于在约定时段内完成，因此作用受限。而白桂峰[8]采用了STC89C52的家用智慧垃圾箱管理系统，能够实现手动开关盖，对桶中废弃物进行高度监测、异味监测，但是由于高度监测系统不能处理密度较大物体质量差很大而高度不足的情形，易出现废弃物超重的现象。并具有打包的功能。

二.项目设计的内容

1研究目标

此次采用的多功能垃圾箱系统，是本着顺应时代需要，以进一步提高人民生活品质为目的设计的。

通过软件控制，来实现如下功能：

1.垃圾箱满报警;

2.检测是否物体靠近;

3. 垃圾箱自动翻盖，并伴随提示音;

4.定时自动喷洒消毒剂;

2研究内容

设计时选择了STM32F103为主控单片机，以红外传感器、振动感应器、语音芯片为主要功能，主要特征包括：

（1）节能环保。

（2）干净卫生。

（3）娱乐性。

（4）运用广泛。

三.项目设计的步骤

1.设计任务

智能垃圾桶，通过智能车体与智能垃圾桶的结合，实现了垃圾桶可移动的设想，智能车体以两个直流电机为驱动，由单片机控制车体的平衡并实现车体的自由动作。同时在车体上安装智能避障传感器、蓝牙通信接收模块、以及语音模块、通过单片机协调各模块的功能，以实现智能避障，语音开盖以及手机蓝牙掌控。手机APP起主要控制作用，通过蓝牙通信向单片机发送移动指令，根据指令，单片机将控制两直流电机产生不同的动作，以实现垃圾桶前、后、左、右的状态。

智能垃圾桶部分采用內外嵌套两层结构，内部结构可拿出，方便了垃圾的倾倒，整个桶身密闭设计，桶盖上安装有人体红外感应器，当手与垃圾桶达到检测距离后，桶盖自动打开。

3.设计内容

手机上位机软件通过蓝牙通信模块实现与单片机的通信，进而通过单片机实现对电机、舵机的控制（实质是对小车以及开关桶盖的控制）。同时语音模块也可以实现对以上的控制，双控制方案使得我们的产品使用起来更加方便。小车在行进过程中加速度陀螺仪模块不断校准车体的平衡，从而让小车在只有两个轮子的支撑下而不倒。避障模块是为防止人为控制失误而撞到家居而设计。当避障模块检测到前方近距离有障碍物是便不会前行，并提醒用户“要撞上了”。人体红外感应模块安装在垃圾桶盖边缘。当检测到人的手与垃圾桶达到一定距离后，便“通知”单片机，由单片机控制舵机转动，打开桶盖。电源模块为整个系统提供能源。在设计此模块时我们本着节能环保的目标，在实现系统供电的前提下不浪费能源。即能提高能源利用率也省去了，经常充电的麻烦

4.设计原则

1 自动翻闭盖功能

通过红外感应系统控制启动电路开关，电源给予动作电路提供电 能转化为机械能，带动设计的曲柄滑块传动机 构完成自动翻闭盖。

2自动压缩功能

采用压缩机制对垃圾进行了压缩，达到了节省垃圾空间的目的。该压缩装置连接到垃圾箱盖板上，使得垃圾在自动关闭时，能带动压缩装置进行垃圾的压缩。针对压力设备的最佳位置、工作时的联动性，以及压力范围和效率，设计了一个能够有效地把垃圾压到不影响垃圾盖开闭的连杆机构上，并对机构的运动和动态情况加以分析，以便进行适当的结构设计和刚度、形状等分析，以实现工程设计目的。

3语音提示功能

4 满箱检测感应功能

5 具地域特色的外形设计

四.智能垃圾桶的设计

4.1结构示意图

通过减速器减速后，减速器的输出轴连接到转台，转台的一端与连接件的一端相铰接，而连接件的一端则与直线杆的下端相连接，而直接驱动杆的上端则连接到直线杆的上端。

与水平拉杆下部铰接，在水平拉杆的最前端与盖铰接，主要的机械传动部分就设在筒的背面，通过筒体与盖铰合相连，下部还设有推拉式的内盖。当红外线感应器探测到人靠近时，将开启电路，旋转电机工作，并带动转盘，转台带动水平连杆回转至最低点，直动杠杆会上下滑动，并利用水平拉杆把覆膜拉起，在开启时，利用覆膜将水平顶杆拉起，这时，由时间延迟系统的控制，垃圾桶会一直处于开启状态，以便于扔进垃圾。在人走后，红外线感应开关再次启动，电机继续旋转180度，转台驱动杆旋转到最高，盖关闭，压板可以将垃圾压入，停止工作，如果垃圾对压力板的压力超过了预设值，语言电路就会发出声音提示。当垃圾桶内的废物达到一定的容积时，可以用手工把垃圾从容器中取出，然后把垃圾倒入容器中。

4.2智能垃圾桶的材料选定

在废弃物处理的整个生产活动中，由于机器臂并不需要承受较大的机械压力，为良好的应对复杂多变的工作环境，整个机制必须尽可能灵活而轻便，并且充分考虑到生产的生产成本情况，综上几点，选用密度相应较少，而刚度也较大的铝合金作为生产垃圾桶的主要材质。下面是几个品牌铝合金的性能参数表2-1：

为适应垃圾桶对强度的需求以及尽可能的是比智能垃圾桶更轻巧，因此优先选用了牌号为六千零六十一的铝合金作为垃圾箱的主要材质。

4.3 智能垃圾桶大小臂长度的确定

该垃圾处理桶系统采取了立体滑架结构、双滑块连杆机构结构、锁扣构造，自定滑车传动系统构造，双曲柄连杆机构等产品设计，并搭配了特殊的桶行垃圾处理袋，以实现对不同用途的协调有效实现。

垃圾盖的打开依靠传统的连杆原理，利用发电机牵引曲柄，经连杆动力的作用，完成了盖物的向上打开。

滑架结构通常是有直线轴承和与之相配的光轴所平行组成。光轴座与轴承的配合能够有效的降低摩擦阻力，而轴承在光轴上运动的过程中也有助于较好的保持平衡，从而确保了轴承行业上各机构的工作都顺利完成。由于轴承座的安装是确保与光轴座平行运动的最主要原因，所以装配精度也是滑架结构的重要保障。

锁扣结构很精巧。想要完成右边横梁的稳定和位移就需要有一套电子"开关"控制系统，但现在的建筑构件中大都是采用了电子开关控制系统，这就需要增加较多的附属结构。本工程中的锁扣结构，为纯机械结构，利用簧片的收缩特性和瞬时完成特性来达到"开关"的作用。合理的装配使"开关"与滑架结构充分地融合。

定滑轮传动结构，解决了过去因为滑架结构高大而造成的发电机安装的困难。利用定滑轮的特点，只改变力矩的方向而不改变力矩的大小，这样只要通过加大绳索的直径就实现了传动目的。

曲柄连杆机构是使用最少的部件来达到多种作用的结构理念。省时省力，为节约资源大大提高了效率。通过人手伸提供的力量，以及通过连杆进行动力的作用，就可以完成水平底板的向前翻升和边门的向前开启，从而实现了垃圾封装完成后可以自行清除的目的，简单而实用。

模拟过程：

垃圾打包了出来，掉在下面的抽屉中，下面是一个抽屉的结构图。抽屉门装在连接件一上，而抽屉连接到连接件3上。如果清洗工人踩着踏板（如图中的红字箭头），抽屉门将会被连杆一拉动，按顺时针方向转动，使垃圾桶抽屉的大门被开启，并在连杆三的作用下，抽屉门被按逆时针方向转动，将污物清除。

结果分析：经CAD模拟，总功率：P≤20W;

适合垃圾箱类型：通孔长筒形，直径d=40～50mm;

密封后的垃圾包尺寸：L=150mm;

适合的垃圾：各种医疗垃圾，直径d1≤150mm

4.4 创新点及其应用

1）自动封装垃圾包系统。采用了电阻加热原理和塑料垃圾袋受热粘结的特点，利用电阻加热丝进行了对垃圾袋的自动密封。

2）手动更换垃圾箱功能。使用了专门的垃圾袋，并配备手动控制器，从而实现了对垃圾袋的周期性切换，进而达到了对垃圾箱的手动换袋功能。

3）感应及自动处理垃圾功能。垃圾箱内部通过设置传感器，可以将垃圾箱里的垃圾总量，以及垃圾存放时间等信号即时传输给自动控制芯片，从而使得该垃圾桶在垃圾袋充满量或垃圾储存时间过长时，对垃圾袋进行智能封装管理。

4）利用变形双滑块机构，可以完成垃圾箱底平板的门式开合，以便于把包装好的杂物袋移出垃圾箱。此机构以及电阻加热丝的运动使用了特殊的锁扣连接方式，并由同一台电机驱动，结构更紧密，节能有效。

5）采用控制系统管理的臭氧发生片，能够定期地为垃圾桶箱体和垃圾杀菌，从而能够充分保持垃圾桶的无菌状态，同时减少了垃圾中的安全隐患。

6）使用双曲柄的连杆机构，以实现每一个动力源产生二种不同方向的动力，进而完成下底板的向前翻起和侧门的向前翻起。

六.设计总结

这次采用的多功能垃圾桶管理系统，主要做到了桶满时自动报警和手动翻盖。多用途垃圾箱控制系统是一个很好的环境保护措施，可以有效的降低人类和垃圾之间的接触，降低人类的传染概率。中国的智能垃圾箱产品一般并不象外国那样丰富，而且功能也不多，这是因为外国人早已开始了对垃圾箱产品的设计与研究。到目前为止，很多国家都在实行垃圾分类循环，在一些国家，太阳能垃圾箱也得到了广泛的应用。多用途垃圾桶在国内并不为人所熟知，大眾对它的重视程度也很低，所以它的市场规模很小，很多商家和普通的家庭都不愿意买，这就造成了多用途垃圾箱产业在国内没有任何的技术和资金，也没有办法迅速地发展起来。但是，由于中国经济社会的发展，人民的环境意识也在进一步地加强，多用途垃圾桶也将逐步进入我们的生活，成为我们的一大助力。

参考文献

[1]伊怀杰.太阳能垃圾箱亮相纽约街头[J]. 广西城镇建设，2005（10）：91-91.

[2]戴蒙.英国试验太阳能压缩式垃圾桶[J]. 环卫科技网，2011（03）：6-7.

[3]张海宁，郑世帅，孙龙鹤.无线环保与火警监测智能垃圾箱[J]. 科技创新与应用，2013（11）：27-28.

[4]蒋晶，李琴.环保垃圾箱[J].科技展望，2006 （04）：22-22.

[5]Felip Gracia， Jordi Llorens. Emilio Gil Performance of an Ultrasonic Ranging Sensor in Apple Tree Canopies[J].Sensors 2011（03）：2460-2477.

[6]Queiros， R. ;Correa Alegria，F. Silva Girao. Cross-Correlation and Sine-Fitting Techniques for High-Resolution Ultrasonic Ranging[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 2010（12）：3227-3236.

[7]李伟国.网记看两会：太阳能垃圾桶盖子可自动开关http：//www.bjstm.com/news_311.html，2013.6.6.

[8]郭爱民.多功能垃圾箱[J]. 中小企业科技，2006 （05）：52-53.

[9]汤俊良，黄国清.智能垃圾箱[J]. 无线电杂志，2004（11）：12-14.

[10]张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计[M].电子工业出版社，2008.

[11]国胜，陆明，常天庆.基于光电传感器电路的迷宫机器人设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2011（01）：65-67

[12]Mohanty Kant Nalin;Muthu Ranganath.Microcontroller based PWM controlled four switch three phase I nverter fed induction motor drive[J]. Serbian Journal of Electrical Engineering 2010（02）：195-204.

[14]孔明，侯蕊，赵军.基于FPGA的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器，2013（06）：78-83.

[15]郑晖，林树青.超声检测[M].中国劳动社会保障出版社，2008.

[16]王春武，刘春玲，秦政坤，王广德，王立忠. 基于WT588D模块的语音播报系统设计[J].电子技术应用，2012（01）21-121.

[17]唐国明，王智群.C语言程序设计[M].清华大学出版社，2009.

[18]陈大为.新型太阳能环保垃圾桶[J].海外英语，2009（11）：13-17.

[19]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（03）：85-94.

[20]徐强民，陈学平，唐洪兴，张华.农户庭院卫生垃圾箱制作及利废技术[J].农村能源，1996（01）：24-25.

作者简介：姜博（2000.12月2日），男，汉族，辽宁省绥中县人，本科;研究方向 ：机械设计制造及其自动化