一种防病毒外溢的智能垃圾桶结构设计和功能实现＊

黄 河，李新杰，孔令强

（郑州科技学院车辆与交通工程学院，河南 郑州 450052）

1 研究背景

在疫情爆发的特殊时期，世界各地的医疗垃圾大量产生，这些垃圾主要集中在医院附近且往往附着着大量的病毒，任病毒的传播不仅会造成环境污染，还有可能引起疫情的再次爆发。

医疗垃圾桶作为医疗废物的承载器具，内部自然含有大量的有害病毒，属于病毒传播的源头。如此，减少医疗垃圾桶桶内病毒扩散的问题显得尤为重要。目前世界上的智能垃圾桶的研究还处于初步阶段，大部分的智能垃圾桶只能做到自动开盖[3-4]，用于医疗的智能垃圾桶更是少之又少。国内的医用垃圾桶依旧是以高密度聚乙烯原料注塑成型的脚踏式垃圾桶为主，虽然这种垃圾桶有一定的密封性，但垃圾桶内的病毒依然容易扩散，在这个特殊的时期存在很大的安全隐患。如果能设计一款医用的智能垃圾桶，使其拥有密闭空间[5]的同时还具备负压的功能[6]以及消毒功能[7]，就能有效地对病毒进行防控。

2 医疗智能垃圾桶的总体设计

2.1 医疗智能垃圾桶的研究目的和研究思路

2.1.1 研究目的

在新冠疫情爆发的环境下，对病毒的防控显得尤为重要。医院作为当下时期人流量的较大的地区，对病毒的防控要更加地细致入微。针对现有医疗垃圾桶病毒防控效果差的问题设计一种防病毒外溢的医疗智能垃圾桶，包括内外双桶的设计、内部的负压设计以及桶盖处的密封设计和桶口处的消毒设计。这款垃圾桶在桶盖未打开时，垃圾桶内部时刻处于密封负压状态，有效防止病毒外溢；在垃圾桶盖打开时，产生对桶内气流，向垃圾桶内部吸附病毒，同时在桶盖打开时还能在桶口处喷洒雾状84消毒液对病毒进行初步的灭活处理。整个垃圾桶功能的实现可以有效降低病毒传播的风险。

2.1.2 研究思路

主要研究思路如下：①利用密封橡胶条气密性和负压的吸附性使桶盖紧贴在桶口处，在垃圾桶内部桶形成密封环境，用以防止桶内部的病毒向桶外扩散；②利用红外人体传感器对人体恒定体温发射的特定波长（人体在37℃会发射10 μm左右的红外线）红外线的针对性检测（其他物体发出的红外线不会被接收），针对人体进行探测识别；③利用负压风扇和单向气阀相结合的单向抽风性[8]，可以对垃圾桶内部进行降压处理，制造负压环境；④利用84消毒液的氧化性在桶口处对病毒进行氧化灭活处理；⑤利用空气滤清器对垃圾桶内部的空气进行消毒除菌处理[9]。

2.2 智能医疗垃圾桶的结构设计

医疗智能垃圾桶结构的6部分具体如下：①热红外人体传感器[10]为系统提供了视觉平台，充当着智能负压垃圾桶的眼睛，为中央处理器分析周围环境和下一步行动决策提供数据基础。②STC89C51单片机作为智能医疗垃圾桶的中央处理器[11]，是整个装置的数据处理、算法实现和逻辑控制的中心。③负压风扇和单向气阀作为智能医疗垃圾桶的负压装置，在垃圾桶打开时可以引导气流对内流动（从桶口流向桶底的气体过滤装置），防止病毒从桶口处扩散；在垃圾桶关闭时可以抽出桶内的空气，为垃智能医疗圾桶的内部制造负压环境，避免病毒外溢。④滑动式弧型桶盖[12]，通过齿轮传动机构与舵机相连。在待机时，桶盖关闭且与密封橡胶条紧密相贴，保证气密性，有效阻断垃圾桶内部病毒向外扩散；工作时，在打开或关闭的瞬间引起的气流变化较小，不易引起桶内病毒扩散。⑤消毒液喷洒装置在弧型桶盖打开或关闭时，在垃圾桶桶口处喷洒雾状的84消毒液，对病毒进行简单的灭活处理；⑥微型空气滤清器作为智能医疗垃圾桶的气体净化装置，与单向气阀相连接，会将负压风扇运转时所引导的气流进行净化，进一步加强对病毒防控。

2.3 医疗智能垃圾桶的模块化控制设计

医疗智能垃圾桶的控制系统由中央处理器模块、电源模块、传感器模块、消毒模块、负压模块以及动力模块6部分组成，如图1所示。中央处理器采用STC89C51单片机，拥有32个可编程的Ⅰ/O口线，输入和输出均为电频信号；电源模块由太阳能电池板和12 V直流蓄电池组成，2块6 V PET型太阳能电池板可以持续为蓄电池充电，保证系统电量的供应；传感器模块由人体红外传感器模块和气压传感器模块组成，型号为HC-SR501的人体红外传感器模块用于检测是否有人靠近垃圾桶，型号为BMP280的气压传感器模块用于检测桶内气压的高低；消毒模块用于控制置于桶口处的雾化器喷洒与停止；负压模块负责驱动负压风扇组的开启与关闭；动力模块用于控制舵机的转动。

图1 医疗智能垃圾控制系统

2.4 医疗智能垃圾桶的工作运行流程

当医用智能负压垃圾桶的使用者靠近垃圾桶时，热红外人体传感器会接收到特定波长的红外线信号，然后将所接收到的信号传递到中央处理器（STC89C51），中央处理器经过判断后会向弧形桶盖控制系统下达开盖命令，弧形桶盖在齿轮传动装置和舵机的带动下打开；桶盖打开后，垃圾桶内部的气压会瞬间增大，置于垃圾桶内部的气压传感器检测到异常气压后会向中央处理器反馈信号，中央处理器经过判断后会同时向消毒喷洒系统发出喷洒指令和风扇控制系统发出工作指令。

之后，置于垃圾桶桶口处的消毒喷洒装置会向桶口处喷洒出雾状消毒液，与此同时负压风扇开始高速运转，气流从桶口处流向桶底部经过单向气阀流入的过滤盒，最终流向桶外。t秒后，消毒喷洒装置自动停止喷洒，负压风扇继续运转；当使用者远离医疗智能负压垃圾桶后，特定波长的红外线会消失，热红外人体传感器将失去信号，之后传感器会再次向中央处理器传递信号，中央处理器在经过判断后会向弧形桶盖控制系统下达关盖命令，弧形桶盖随之关闭，垃圾桶内部回到密封环境，垃圾桶内部的气压随之开始降低。当桶内气压降到一定数值后，气压传感器会将检测到的信号反馈到中央处理器，中央处理器接收到信号后会对负压风扇系统发出停止工作指令。负压风扇随之停止运转。至此医疗智能负压垃圾桶完成一次工作流程，如图2所示。

图2 医疗智能负压垃圾桶工作流程图

2.5 医疗智能垃圾桶的能耗

医疗智能垃圾桶的能耗如表1所示。

表1 医疗智能负压垃圾桶的能耗

3 结论

本设计以STC89C51为主控芯片，实现了人体感应、负压防疫、开盖消毒等主要功能。人体红外传感器模块监测到有人靠近或离开垃圾桶时，垃圾桶自动开/合盖，气压传感器模块检测桶内气压高于预值时，自动运转降低桶内气压，防止病毒外溢。本产品具有结构简单、操作方便等优点，响应了防疫政策和智慧城市建设需求，在未来有很好的发展前景。