智能环保的压缩垃圾桶设计

李智杰，李吉清，卢志明，卢卓浩

（上海工程技术大学，上海 200000）

通过查阅相关资料，可以了解到，现有的垃圾主要分为金属垃圾、玻璃垃圾、塑料垃圾、纸张垃圾和其他垃圾。纸张垃圾主要为纸张和包装盒，塑料和玻璃垃圾主要为饮料瓶和啤酒瓶，其中塑料垃圾及纸张垃圾占比较大。这种垃圾都有一个显著的特点，体积比较大，但是可压缩性强，在垃圾桶中占有大量的空间。

2019 年中国垃圾分类治理全面展开，但对于扔垃圾这件事，仍有很多不便，对于现在的城市来说，生活节奏的一致导致扔垃圾的时间相对比较集中，其中包装所产生的垃圾就占有不小的比例。包装一般体积大，但可压缩，会让垃圾桶虚满，以至于出现垃圾丢弃于垃圾桶周围的现象，既不美观也不卫生。本项目设计一种智能环保的压缩垃圾桶，是集控制、压缩和反馈于一体的垃圾桶，用于缓解垃圾处理的压力，便利生活。

1 整体设计

本项目设计了智能环保压缩垃圾桶，以解决垃圾处理问题，提升垃圾处理的效率。垃圾桶主要由机械部分及电子部分组成。

机械部分主要是压缩装置、桶体设计及材料。

电子部分包括红外线感应装置、通信装置、压力传感器、警示灯及反馈装置。如图1 所示。

图1 整体设计图

2 机械结构

2.1 桶体的设计

为了防止酸碱的腐蚀且保证桶体有一定的强度，同时防止高温破坏桶体，桶体的材料采用铝合金，外形依然选用圆柱体形，圆柱体型的桶体在相同的材料面积下可以制作出最大的体积，且易加工，节约制作成本。采用SolidWorks 软件对垃圾桶进行建模设计。如图2 所示。

图2 桶体设计图

2.2 压缩装置

压缩装置作为最重要的部分之一，其结构采用套装式结构，内置螺杆，下用圆形支撑板用于接触垃圾。如图3 所示。这种设计让整体的结构更稳定，且耐压，但是制作的成本相对较高一些。

图3 压缩装置

动力源是24 V 电机提供动力，采用遥控器控制电机。需要压缩时启动电机，压缩装置运动，当支撑板底部压力传感器检测到达一定压力后，压缩装置回到初始状态。当即完成一次压缩。当垃圾超过一定体积时，通过红外线感应装置，感应垃圾已满，提醒人员垃圾已满，等待处理。

3 电子结构

电子结构有压力传感器及压缩装置的通信控制装置，还有用于检测溢满的红外线感应装置及警示灯。

3.1 压力传感器

压力传感器。在不同的部位采用了不同的压力传感器，桶底的压力传感器采用了平面压力传感器，如图4 所示。其易于安装，结构牢固稳定更适合桶底的复杂环境；还可以对接显示器，显示现在的压力数值，易于观察、收集和记录数据。

图4 桶底压力传感器

其基本原理为内部为应变阻抗，传感器在受到外力时会产生形变，进而引起紧贴传感器内部的应变片阻抗线性增加或减小，在有外部供电的情况下，输出的差分mv 信号也线性增加或减小，传感器通过组桥、调零、配平灵感度和温补等之后输出信号。

而压缩装置的支撑板底部的压力传感器采用的是薄膜压力传感器，这样可以紧贴压板不会对压缩造成影响，且可以做压力触发功能。

薄膜压力传感器由综合机械性能优异的聚酯薄膜、高导电材料和纳米级压感材料组成。底层是柔性薄膜和复合其上的导电层，顶层是柔性薄膜和复合其上的压感材料。两者通过双面胶贴合，并隔离上下两层彼此分离的线路导通，金属端口的输出电阻随着压力的不同而发生变化。

柔性压力传感器在测量上采用分压式测量，如图5 所示，将压力传感器与R1 串联，2 端分别接VCC 和GND，构成基本的分压电路，分压电压接出为Vout。可以将压力大小变化对应的传感器输出电阻变化转为电压变化信号。

图5 柔性压力传感器电路

根据不同的应用需求可以适当地选择负载电阻R1，通常选取在1 k～100 kΩ。

Vout 接单片机ADC 接口，则可以检测压力的大小；接MCU 的外部中断IO 口，则可以做压力触发功能。

3.2 红外线传感器

红外线传感器采用的是对射式传感器，其动作可靠，环境需求低。红外线传感器安装部位有2 个，一个是在进出口下方10 cm 处水平安装，另一个则是安装在进出口的凹槽处垂直安装。

水平安装的红外线传感器用于警示与提醒，垂直安装的红外线传感器则用于保护与控制。其参数为出光面为6 mm；感应光电间距为0.4 mm；光纤外径为φ1.3 mm；光纤内经为φ0.25 mm×16 芯×2；工作温度为-55～70 ℃；最小弯曲半径为R15 mm。如图6 所示。

图6 红外线传感器

4 保护与警示设计

当压缩动作已经被执行时，压缩装置会进行两环反馈控制，一个是支撑板处压力传感器传导的压力信号及垂直安装的红外线感应装置的信号。指令发出后，进入循环，若感应到压力超过设定值或红外线感应接收端已经无信号则停止压缩动作。压缩装置恢复初始状态。

红外线传感器的保护作用在于，当人员手部进入垃圾桶时，或其他物品卡住垃圾桶进出口时，则压缩动作被打断，起保护作用。

压力传感器的作用有2 个，一是正常地设定压力值反馈，即已经完成压缩的判断标准。二也是为了保护人员不会被压伤及装置不会损坏。当红外线感应器出现故障时，卡住的物体会对传感器施力到达设定值则停止压缩，人员不会手部使劲推压缩杆时也有相同的作用，进而起到保护作用。

警示灯的设计也出于2 个目的，垃圾桶满则是已满提醒，当人员手臂进入垃圾桶时也会亮起，提醒人员危险。如图7 所示。

图7 控制与反馈

5 溢满设计

溢满设计采用了2 个传感器完成，一是水平安装的红外线传感器，二是安装在桶底部的压力传感器，为了保证桶体不被破坏，且垃圾不过重，因为过重的垃圾不利于后续的处理。所以，在体积与质量的双检测上共同决定垃圾桶适不适合再压缩，再承装。

但溢满设计的两信号控制环与保护控制环的优先级并不相同，垂直安装的红外线传感器的控制环适用于整个动作，只要红外线接收器信号消失，则停止动作，压缩装置恢复初始状态。

但桶底部的压力传感器和水平传感器的信号只作用于动作开始阶段，命令开始执行后，并不能打断动作的继续。这主要是因为支撑板底部压力传感器的设定压力与桶底部设定压力不同，桶底部的压力传感器设定值低于支撑板处的压力设定值，随着压缩进行，底部压力传感器会持续地加大受力，进而超过设定值。压缩时水平安装的红外线传感器也会被压缩装置切断信号。若简单地设定为平行控制标准则会相互干扰。

选取桶底部压力设定值5 kg，支撑板压力设定值为35 kg。

6 结束语

随着城市化的不断发展，垃圾处理环节和垃圾的再利用环节是同样重要的，为了生活的便利和进一步提升生活幸福感，进行智能环保的压缩垃圾桶设计，通过在功能的设计及传感器的设定与反馈系统的设置上提出一定思路，为解决垃圾处理问题提供了方案，提升垃圾处理的效率，在一定程度上降低了人力的损耗。