一种智能分类垃圾桶的设计研究

吕汝金，苏庚辰，徐永博

（1.桂林电子科技大学教学实践部，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541004；3.桂林电子科技大学材料科学与工程学院，广西 桂林 541004）

1 引言

新时期，人们对“美好”生活环境的向往不断促进着环保产业的发展，而传统的生活垃圾收集模式是造成一部分环境污染和资源难以再利用的根源之一，因此，国内正在加速推进生活垃圾分类制度和措施的落实[1-5]。

生活垃圾首次投放时的正确分类，是从源头上对传统垃圾收集方式的变革，也是对垃圾进行后续高效处理和资源再利用的前提。目前，一般生活小区和街道边有按国家垃圾分类标准设置的常规垃圾桶，但由于人们的不自觉、无意识或不了解垃圾分类标准，致使生活垃圾仍然不能有效分类[6]。因此，设计一种新型智能垃圾自动分类收储装置，解决目前垃圾收集智能化程度不高的问题，对落实垃圾分类制度具有重要意义。

2 整体方案与工作流程

针对以上问题，设计的一种智能垃圾自动分类收储装置，是一个集机、电、控、测于一体的系统。其主要组成包括：垃圾桶机械部分，含垃圾分类机构、垃圾压缩机构、垃圾分类存储机构和垃圾桶壳体等；控制与检测模块；语音与显示模块。垃圾桶工作流程为：用户将垃圾投入垃圾投放口后，可以通过输入语音或触摸显示屏来发出垃圾分类控制指令，由控制模块控制垃圾分类机构将垃圾分类投放到垃圾分类存储机构，如果是可压缩的垃圾，会另行经过压缩机构压缩，再由垃圾分类机构分类投放，以此来提高垃圾存储量；分类收纳完成后，垃圾检测模块可监测各分类箱的垃圾存储情况，并通过语音输出模块适时播报分类完成结果和满量时进行预警提醒，用户通过触屏显示也可点击查看垃圾分类结果和垃圾存量情况。

3 机械系统设计

3.1 垃圾分类机构

垃圾分类机构位于壳体内的上部，其功能是承接通过壳体顶部垃圾投放口投入的垃圾，并能根据控制指令将垃圾分类投入到对应的垃圾分类箱，其结构，如图1所示。

图1 垃圾分类机构Fig.1 Garbage Sorting Mechanism

机构中上部旋转盘开有上部旋转盘缺口，缺口两侧向上设置有海绵侧板，上部旋转盘可在与之固接步进电机Ⅱ带动下做旋转运动。当装置旋转到一定位置时，侧板带动垃圾一起旋转，上部旋转盘缺口与垃圾入口相对齐时，垃圾自然下落。

与上类似，下部旋转盘在与之固接步进电机Ⅰ带动下做旋转运动，下部旋转盘缺口与上部旋转盘缺口相对齐时，垃圾落入下方的分类存储箱内。

3.2 垃圾压缩机构

垃圾压缩机构其功能是挤压可压缩垃圾，挤压后的垃圾再通过垃圾分类机构来进行分类投放，其结构[7]，如图2所示。

图2 垃圾压缩机构Fig.2 Garbage Compression Mechanism

压缩机构固接在垃圾分类装置的内部，推杆套固定在上部旋转盘上，电推杆通过推杆套导向，电推杆的前部固定有推块，电推杆伸长方向朝向上部旋转盘缺口。在实施的过程中，当投放的垃圾在侧板带动下位于上部旋转盘缺口位置时，电推杆启动推动推块持续前进挤压，通过推块和桶体的侧壁挤压力完成垃圾压缩，压缩完成后电推杆带动推块复位。关键部件电推杆采用24V-500N-24MM/S 型，该型推力较大，可对一般易拉罐类垃圾进行压缩，同时其内部结构采用平滑转子，可减少摩擦和跳动，降低噪音。

3.3 垃圾分类存储机构

垃圾分类存储机构是对压缩分类后的垃圾进行对应分类存储的机构，其设计内容主要包括分类箱的数量（种类）、形状和整体布局等内容：分类箱的数量对应国家标准，将城市生活垃圾分为4类收纳—有害垃圾、可回收垃圾、厨余垃圾和其他垃圾；在布局上，分类箱置于壳体底板上方、位于下部连接支撑板下方，呈一种“田字格”的方式分布；分类箱设计为方形、铝合金材质，具有向上的敞口，可以套设垃圾袋，垃圾通过下部旋转盘缺口进入敞口的分类箱内。垃圾分类存储机构示意，如图3所示。

图3 垃圾分类存储机构Fig.3 Garbage Sorting-Storage Mechanism

4 驱动控制系统和人机交互系统设计

驱动控制系统包括有主控板、传感与检测模块、电机驱动模块和电源模块，人机交互系统包括语音（识别与播报）模块和串口显示屏。

电源模块为主控板和步进电机提供电源；主控板可以通过语音模块和串口屏两种途径实现与外界的指令信息交互，主控板获取垃圾种类信息后，将发送指令给垃圾压缩机构和分类机构，来进一步的做垃圾压缩和分类处理；主控板对检测模块获取的信息进行处理后，可指示语音模块和串口屏分别实现垃圾信息的播报与显示。整机电路，如图4所示。

图4 智能分类垃圾桶电路原理图Fig.4 The Circuit Schematic Diagram of Intelligent Classified Garbage Bin

4.1 控制芯片

主控板采用STM32F103RCT6 最小系统核心板，板资源包括：主频72M，ROM 256K，RAM 48K，1 个复位按键，1 个用户按键，1 个电源指示灯，1 个Type-C 接口，8M 主时钟晶振，板载32.76KHz的RTC晶振，用排针引出SWD和串口，预留RTC电池座焊盘，45个空闲IO口全部引出，提供有AD库便于用户进行开发[8]。STM32F103RCT6 在低功耗、低电压运行的基础上集成了高性能的外设，可以满足本机对控制系统的需求。

4.2 步进电机及驱动控制

由于同时控制双层转盘，且控制的转盘扭矩力臂较短，所需电机要具备有一定的转动精度和较大扭矩，为此，上下转盘均选用4线两相57步进电机，并采用步进电机TB6600升级版驱动器作为电机驱动模块，同时使用两个定时器分别对两个电机进行控制，以便单独锁住电机，防止电推杆工作时不稳定导致受力方向改变；驱动器采用9-42V直流供电，内部采用H桥双极恒相流驱动，对输入信号进行了高速光电隔离，具备标准共阳单脉冲接口，有脱机保持功能。

工作时，电机处在初始位置，主控板判断后，两个电机同时带动上下转盘旋转到相应位置，然后上转盘不动，下转盘继续转动90°，上下转盘形成一个90°空洞，垃圾落入对应分类箱。下转盘再反向旋转90°，最后上下转盘复位。如果是可压缩垃圾，主控板会控制垃圾压缩机构先对垃圾进行压缩，再按上述动作进行分类处理。

4.3 传感检测

为检测垃圾存储情况，在垃圾桶上方安装了E3F-DS30C4型光电传感器，它是漫反射式的光电开关，其响应快，寿命长。

通过4个光电开关来进行监控。当有一组开关触发时，光电开关输出24V高电平，从而导通继电器，而低电平通过继电器连接到主控板，主控板相应IO口拉高，当继电器导通，主控板相应IO拉低，主控板触发外部中断。当触发中断后，进入中断程序，此时程序在中断停留3s，3s过后，单片机再次检查此IO口电平状态，如果还为低，则垃圾桶确实满了，如果为高，则认为是误触发。当确认为垃圾桶满后，主控板会发送数据到语音播报模块和串口屏。

4.4 语音（识别与播报）模块

语音识别采用LD3320型识别模块，其直接用串口与主控板进行通讯。通过“你好”指令唤醒模块识别功能，由于模块为非特定人语音识别[9]，只能识别模块内已经录入的关键词，需提前把常用的关键词录入，用户通过说出指定的关键词，来进行语音指令识别。模块完成识别后通过串口发送其对应的二进制数字到主控板，并进入不识别状态，以防止主控板处理时又有新的语音指令进入，扰乱程序进程。

主控板完成指令处理后会通过串口返回一个解除指令，模块在接受中断里进行处理，此时模块回转到睡眠模式，可通过“你好”指令重新唤醒。

采用DY-SV17F 型语音模块来进行语音播报。DY-SV17F是一款智能语音模块，集成IO 分段触发，UART 串口控制，ONE_Line单总线串口控制，标准MP3等7种工作模式，板载5W D类功放，可直接驱动4Ω、3-5W喇叭，支持MP3、WAV解码格式，板载32MBIT（4MBYTE）FLASH储存音频文件，可通过USB数据线连接更新音频文件。播报内容由文字转换语音软件转换后提前录入到模块上，通过对8个IO口进行不同的组合来选择不同的播放内容。如不需要播报，可通过串口屏上“音量”按钮关闭。

4.5 串口显示屏

显示模块采用5寸基本型的USART HMI智能串口屏来进行显示。串口屏通过串口与主控板连接，互相使用串口传送信息，人机界面全部由上位机软件制作完成来提高开发效率，下位MCU只需要用串口与设备交互指令。当串口屏有按键按下，串口屏会发送指令到主控板进行处理。处理流程，如图5所示。

图5 串口显示屏输入指令处理过程Fig.5 The Processing of the Instruction is Input Through the Serial-Port Screen

5 试验样机

试验样机，如图6所示。

图6 垃圾桶的试验样机Fig.6 The Experimental Prototype of Garbage Bin

其质量为6.8kg。试验表明：

（1）垃圾分类机构能对生活中常见的垃圾进行正确的分类；（2）垃圾压缩机构设计有效，能够对易拉罐，矿泉水瓶等可回收垃圾进行压缩，从而提高垃圾的存储量；（3）人机交互系统可以通过语音输入或触屏输入控制指令，在分类完成后可以实现垃圾信息的播报与显示；（4）垃圾桶的实时监控系统能够在满桶的时候进行提醒。

6 结论

垃圾有效分类是资源回收利用和避免环境污染的有效途径之一，智能垃圾分类收储装置将对垃圾处理链前段产生积极影响[10]。通过分析生活垃圾分类现状，提出一种智能垃圾分类收储装置，在对该装置的机械系统、驱动控制系统和人机交互系统等进行研究设计基础上制作了试验样机，试验表明功能能够达成、方案可行，可为同类相关产品的设计提供参考借鉴。