孫冬嬌，劉 琪

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044）

隨著科技的發(fā)展和環(huán)保理念的深入，人們對垃圾桶的設(shè)計提出了更高的要求［1］。市場上已經(jīng)出現(xiàn)了智能感應(yīng)開蓋式、智能充電式垃圾桶，為垃圾的投放和運輸帶來了便利。目前，當垃圾袋裝滿垃圾后，需要手工將垃圾袋封口，這不可避免地造成了人體與垃圾直接或間接的接觸，特別在醫(yī)院等公共場所，會給人帶來一定的健康風險。因此，設(shè)計能夠自動將垃圾袋封口的垃圾桶具有實際應(yīng)用價值和社會價值［2］。然而，目前鮮有這方面的報道。

筆者采用電動熱封口技術(shù)，設(shè)計了一種電動熱封口式垃圾桶，以減少人體與垃圾的接觸，降低健康風險。

1 垃圾桶的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 垃圾桶的結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的電動熱封口式垃圾桶如圖1所示，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。垃圾桶的結(jié)構(gòu)主體為低成本的雙立式梯形絲桿。步進電機通過聯(lián)軸器與梯形絲桿相連。絲桿上裝有螺母，壓條裝置通過螺母孔與螺母相連。其中：壓條裝置由鋼條、鐵氟龍膠帶和封口壓條等組成，封口壓條用鐵氟龍膠帶包裹固定于鋼條；發(fā)熱裝置由鋼條、鐵氟龍膠帶、電熱絲和封口壓條等組成，緊固在桶口邊緣，其上下層電熱絲通過交錯間隔包裹的方式穿插在鐵氟龍膠帶中。

圖1 電動熱封口式垃圾桶Fig.1 Electric heat sealing garbage can

圖2 電動熱封口式垃圾桶的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of electric heat sealing garbage can

相比于傳統(tǒng)的自動封口套袋垃圾桶、按壓式熱封口垃圾桶［2-3］，電動熱封口式垃圾桶簡化了傳動機構(gòu)，使用時可省去繁瑣的塑料袋封口處理的步驟。其結(jié)構(gòu)對稱，桶身與地面采用面接觸的形式，由固定板通過2個支架固定，強化了其穩(wěn)定性。梯形絲桿、鋼條選用304不銹鋼材質(zhì)，其硬度大、強度高、耐腐蝕性好［4-6］，可使垃圾桶在不同環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。

1.2 垃圾桶工作原理

電動熱封口式垃圾桶通過電動熱封口的方式對塑料垃圾袋進行封口。與傳統(tǒng)的穿繩式自動收口、向中集結(jié)封口方式相比，其更為實用、方便和環(huán)保。垃圾桶工作原理如圖3 所示。采用超低功耗的MSP430F149單片機作為控制核心，控制垃圾桶封口單元穩(wěn)定運行；采用3個相同的L298N電機驅(qū)動模塊作為輔助控制器，用來驅(qū)動2個步進電機和開閉繼電器的觸點。通過步進電機的轉(zhuǎn)動帶動梯形絲桿的傳動，進而控制壓條裝置作直線往返運動。繼電器觸點的開閉決定電熱絲電源、電熱絲、繼電器所組成回路的開閉，進而控制電熱絲是否加熱。當壓條裝置移向發(fā)熱裝置時，電熱絲加熱；將垃圾袋封口時，電熱絲繼續(xù)加熱一段時間；當封口完成，壓條裝置遠離發(fā)熱裝置時，電熱絲停止加熱。為了使整個封口過程更為直觀，選用LCD12864液晶顯示器顯示封口過程，使用語音單元播報封口過程，用按鍵控制整個封口過程的開啟。

2 垃圾桶封口單元的設(shè)計

2.1 封口溫度的設(shè)定

封口溫度、封口時間、封口壓力是影響封口質(zhì)量的重要因素。須根據(jù)塑料垃圾袋的材質(zhì)、厚度、熔點設(shè)定合適的封口溫度、封口時間和封口壓力。垃圾袋封口完成后，須測試垃圾袋的封口強度，檢驗封口質(zhì)量，進而決定是否需要調(diào)整封口溫度、時間和壓力［7-8］。

圖3 垃圾桶工作原理示意Fig.3 Schematic of the working principle of garbage can

常用塑料袋的材質(zhì)有低密度聚乙烯（low-density polyethylene，LDPE）、高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）、聚丙烯（polypropylene，PP）和聚氯乙烯（poly vinyl chloride，PVC），其對應(yīng)的熔點如表1所示［9-10］。

表1 塑料垃圾袋的材質(zhì)及對應(yīng)的熔點Table 1 Material and melting point of plastic garbage bag

LDPE 材質(zhì)的塑料袋常用于食品包裝，PP、PVC材質(zhì)塑料袋常用于紡織品和化妝品包裝。生活中塑料垃圾袋的材質(zhì)主要為HDPE。可以根據(jù)需要，采用調(diào)節(jié)電壓的方式調(diào)節(jié)封口溫度，實現(xiàn)對不同材質(zhì)塑料垃圾袋的封口。

為了達到電動熱封口的目的，封口時應(yīng)使垃圾袋處于熔融狀態(tài)。PVC 的熱穩(wěn)定性較差［11］，其他材質(zhì)都具有一定的熔點范圍，如表1所示。當加熱溫度達到熔點時，這些材質(zhì)會處于穩(wěn)定的熔融狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗，封口溫度一般需高于材質(zhì)熔點溫度15～30 ℃［12］。因此，不同材質(zhì)塑料垃圾袋的封口溫度如表2所示。

表2 不同材質(zhì)塑料垃圾袋的封口溫度Table 2 Sealing temperature of plastic garbage bag with different materials

2.2 封口用電熱絲的選擇

封口用電熱絲的材質(zhì)常為鐵鉻鋁合金和鎳鉻合金［13-14］。由于鎳鉻合金的可塑性比鐵鉻鋁合金好，且其不易變形，不具備磁性，因此采用鎳鉻合金電熱絲。鎳鉻合金有多種類型，如Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr15Ni60、Cr20Ni35 和Cr20Ni30 等。Cr 含量越高，合金的高溫抗氧化性越好，且能夠提高合金的電阻率；Ni含量越高，合金的熔點越高，塑性越好，且能夠降低合金的電阻溫度系數(shù)。從表2可知，除PVC材質(zhì)外，其他垃圾袋的最高封口溫度均低于200 ℃，又因封口頻繁，所以對電熱絲的抗氧化性要求不高，對其塑性、熱穩(wěn)定性的要求較高［15-16］。經(jīng)綜合考慮，選用Ni含量較高的Cr20Ni80作為封口用電熱絲的材質(zhì)。

根據(jù)GB/T 1234—2012《高電阻電熱合金》，Cr20Ni80的基本特性參數(shù)及電阻溫度修正系數(shù)分別如表3、表4所示。

表3 Cr20Ni80的基本特性參數(shù)Table 3 Basic characteristic parameters of Cr20Ni80

表4 Cr20Ni80的電阻溫度修正系數(shù)Table 4 Resistance temperature correction coefficient of Cr20Ni80

Cr20Ni80 的最高使用溫度遠大于200 ℃，符合封口的溫度要求。電阻溫度修正系數(shù)的表達式為：

式中：Rt、R20分別為溫度為t和20 ℃時Cr20Ni80 的電阻。

由表4 可知，Cr20Ni80 材質(zhì)的電熱絲熱穩(wěn)定性好，在加熱過程中其電阻不會急劇變化。

本設(shè)計采用雙層電熱絲結(jié)構(gòu)。電熱絲的總電阻Rd為：

式中：ρd為電熱絲的電阻率；Ld為電熱絲的長度；Sd為電熱絲的橫截面積。

取Ld=20 cm，電熱絲直徑為0.6 mm，則在20 ℃時，有：

為了進一步分析Rd隨溫度的變化情況，經(jīng)實驗測試，得出電熱絲在不同溫度下的電阻，如表5所示。

表5 不同溫度下Cr20Ni80電熱絲的電阻Table 5 Resistance of Cr20Ni80 wire at different temperatures

從表5可知，Cr20Ni80電熱絲的電阻隨溫度的升高逐漸減小，但變化范圍小，基本穩(wěn)定在1.54 Ω左右。

2.3 封口結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了使Cr20Ni80電熱絲的發(fā)熱溫度達到垃圾袋封口溫度，須控制好加熱時間和電壓。

設(shè)加熱時間為t1，電壓為U1，環(huán)境溫度為T0，電熱絲的電熱轉(zhuǎn)換效率為η，則可根據(jù)式（3）得到電熱絲的發(fā)熱溫度T1。

式中：Cd為Cr20Ni80 比熱容；md為電熱絲質(zhì)量，md=2×Ld×Sd×ρ1，其中ρ1為電熱絲的密度，可得md=2 × 20 × π × 0.32× 10-2× 8.40 ≈0.95 g。

則：

因此，T1不僅與U1、t1、η有關(guān)，還與T0有關(guān)。為了達到封口溫度，須根據(jù)T0調(diào)節(jié)U1。比如在冬天時須提高電壓，在夏天時應(yīng)降低電壓。另外，t1不宜太大，因為加熱過程太長的話，會降低垃圾桶的實用性。

電熱轉(zhuǎn)換效率η是衡量電熱絲電熱性能的重要指標。本設(shè)計中將雙層電熱絲穿插包裹在鐵氟龍膠帶中，而發(fā)熱裝置暴露在空氣中，因此電熱絲會有一部分熱量損失。使用紅外線點溫計測量在不同T0下電熱絲的發(fā)熱溫度，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)式（4），結(jié)合圖4所示的測量結(jié)果，可知電熱絲的電熱轉(zhuǎn)換效率η=60%～70%。將電壓U1設(shè)定為6～9 V（用旋鈕可調(diào)），便可以達到PE、PP材質(zhì)垃圾袋的封口溫度。

鐵氟龍膠帶的主要材質(zhì)為聚四氯乙烯，具有耐高溫、耐腐蝕、絕緣、防粘的特性。其導(dǎo)熱性低，在250 ℃以下長時間加熱的條件下能保持優(yōu)良的力學性能，對封口壓條不會產(chǎn)生影響。鐵氟龍膠帶主要用于電熱絲的固定和垃圾袋的防粘［17］。若將單層電熱絲直接固定在鐵氟龍膠帶上，如圖5（a）所示，會導(dǎo)致封口時垃圾袋所受熱量太大，塑料容易被熔斷；若將單層電熱絲采用等間隔包裹的方式固定在鐵氟龍膠帶上，如圖5（b）所示，可以對垃圾袋進行封口，但封口不嚴密，有空隙；將雙層電熱絲采用交錯等間隔包裹的方式固定在鐵氟龍膠帶上（即上層電熱絲等間隔包裹的位置對應(yīng)下層電熱絲暴露在空氣中的部分），如圖5（c）所示，則在一次封口的過程中可實現(xiàn)垃圾袋的2 次密封，且封口部位上下互補，保證了封口的密封性，能實現(xiàn)對垃圾袋無間隙封口。因此，采用第3種封口結(jié)構(gòu)。

圖5 垃圾桶封口結(jié)構(gòu)的設(shè)計Fig.5 Design of garbage can sealing structure

2.4 投放口結(jié)構(gòu)的設(shè)計

壓條裝置、發(fā)熱裝置、2 根右旋式梯形絲桿圍合成投放口。本設(shè)計中，壓條裝置和發(fā)熱裝置的長度均為200 mm，2 根絲桿落在桶口的有效長度均為235 mm，由此形成了235 mm×200 mm 的投放口，其周長為：235×2+200×2=870 mm，可以固定市場上常見的口寬為900 mm左右的垃圾袋。

將垃圾袋固定在投放口時，袋口的一邊用夾子固定在軸承座上，另一邊直接包裹在壓條裝置上。在投放垃圾時，垃圾袋不會滑落；當壓條裝置移向發(fā)熱裝置時，垃圾袋可以穩(wěn)定地被推動進行封口；當壓條裝置遠離發(fā)熱裝置時，由于發(fā)熱裝置采用圓角邊緣且其表面的鐵氟龍膠帶光滑防粘，垃圾袋可以很輕松地脫離發(fā)熱裝置。

可以根據(jù)垃圾袋的尺寸調(diào)整垃圾桶桶身及投放口的大小，滿足特定尺寸垃圾袋的封口要求。

3 電動熱封口控制單元的設(shè)計

電動熱封口控制單元用來控制封口溫度、封口壓強和封口時間。通過調(diào)節(jié)電機在梯形絲杠上轉(zhuǎn)動的圈數(shù)及其速度來控制封口壓強和封口時間，并可根據(jù)式（4）控制封口溫度。

采用一對無減速步進電機，其步距角為1.8°，額定工作電壓為+12 V。步進電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)和速度由核心控制器MSP430單片機控制。采用L298N作為電機驅(qū)動模塊［18］。梯形絲桿的導(dǎo)程為8 mm；壓條裝置和發(fā)熱裝置的厚度分別為11 mm和12 mm，且其均裝有封口壓條，具有一定的彈性。

3.1 封口壓強的控制

在實際操作中，僅僅控制封口壓力是不夠的，還須考慮封口的接觸面積，要控制封口接觸面積的壓力即壓力強度p。通常情況下，塑料垃圾袋的封口壓強p=0.1～0.3 MPa。因此，須合理設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)N，使壓條裝置每次平移的長度略小于235 mm，為壓條裝置與發(fā)熱裝置的彈性碰撞及擠壓留下空間，以產(chǎn)生合理的封口壓強。

當壓條裝置與發(fā)熱裝置剛好接觸時，螺母移動了235-11=224 mm，電機轉(zhuǎn)動了224/8=28 圈。通過實驗分析在不同步進電機圈數(shù)下垃圾桶的封口結(jié)果，實驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同步進電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)下垃圾桶的封口結(jié)果Table 6 Sealing results under different number of rotationturns of stepping motor

從表6可知，當電機轉(zhuǎn)動28圈左右時，對封口結(jié)果有較大影響。當電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù)不大于28時，壓條裝置未與發(fā)熱裝置接觸，封口表面未產(chǎn)生封口壓力；當轉(zhuǎn)動圈數(shù)大于28時，壓條裝置與發(fā)熱裝置發(fā)生擠壓，垃圾袋封口；當壓條裝置與發(fā)熱裝置當擠壓到一定程度時，封口壓強過大，垃圾袋被熔斷，也不能進行封口。

封口壓條的材質(zhì)為硅膠海綿，其彈性模量E=7.84 N/mm2；單層垃圾袋的厚度為d1，d1=0.006～0.04 mm；封口壓條的厚度為d2，d2=8 mm；封口壓條在垃圾袋封口時的橫向變形量為d3。

當電機轉(zhuǎn)完28+9°/360°圈時，d3=d1×2+9°/360°×d2，則d3=0.212～0.280 mm。根據(jù)楊氏模量計算公式：p=E× [d3/(d2×2)]，可得p=0.103 88～0.137 2 MPa，在常用塑料垃圾袋的封口壓強（0.1～0.3 MPa）范圍內(nèi)。

3.2 封口時間的控制

由圖4 可知，當U1=9 V 時，將加熱時間t1設(shè)定為2～3 s即可以達到垃圾袋的封口溫度。壓條裝置移動到與發(fā)熱裝置接觸時所需的時間t2則不能低于加熱時間t1。根據(jù)表6的封口實驗結(jié)果可知，當t1=2.5 s時，步進電機的轉(zhuǎn)速理論上最高可以達到(28+9.0°/360°)/2.5×60=672.6 r/min。

盡管對步進電機轉(zhuǎn)速的上限沒有限制，但考慮到封口過程中的噪音情況，步進電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)合理設(shè)置。封口的噪音主要由電機噪音和絲桿噪音組成。由于壓條裝置質(zhì)量較?。s為25 g），且步進電機保持勻速運動，步進電機產(chǎn)生的噪音很小，封口噪音主要為絲桿噪音。隨著電機轉(zhuǎn)速的增大，螺母在絲桿上的滑動速度成正比例增大，噪音達到極大值后會隨著滑動速度的增大而減小［19］。通過實驗得到不同步進電機轉(zhuǎn)速下封口噪音情況，如表7所示。

表7 不同步進電機轉(zhuǎn)速下封口噪音情況Table 7 Sealing noise under different speeds of stepping motor

由表7 可知，當步進電機的轉(zhuǎn)速為672.6 r/min時，封口噪音將變得很小，基本可以達到無噪音封口的要求。此時若環(huán)境溫度為20 ℃，調(diào)節(jié)電壓旋鈕使U1=7.5 V，取η=60%～70%，則經(jīng)過2.5 s后，根據(jù)式（4）可得t1=145～166 ℃，達到了HDPE 材質(zhì)垃圾袋的封口溫度。

經(jīng)過實驗測試可知，當壓條裝置與發(fā)熱裝置接觸時，在保持封口溫度的前提下，電機停止運動，使電熱絲繼續(xù)加熱一段時間，垃圾袋的封口強度則更高。

此外，電機不是持續(xù)性地轉(zhuǎn)動，而是通過按鍵控制間歇性地轉(zhuǎn)動。每完成一次封口，梯形絲桿和電機完成一次正反轉(zhuǎn)過程，從而實現(xiàn)了低功耗、重復(fù)封口的目的。

3.3 發(fā)熱裝置的電路設(shè)計

選用HK3FF-DC5V-SHG 型號的繼電器，同時將+5 V的供電電源與L298N的+12 V電源的輸入端相連，以增大輸出電流，達到繼電器吸合電流值。發(fā)熱裝置的電路設(shè)計如圖6 所示。其中：IN1 端與MSP430 單片機的P40 口相連，通過P40 口控制L298N電機驅(qū)動模塊輸出高低電平來控制繼電器觸點的閉合與斷開；二極管IN4007與繼電器并聯(lián)，其在電路中起到續(xù)流作用，保護繼電器觸點不會因為閉合或者斷開而損壞。

圖6 發(fā)熱裝置的電路設(shè)計Fig.6 Circuit design of heating device

4 垃圾桶語音模塊和液晶顯示器的設(shè)計

語音模塊采用NY3P035 系列語音芯片，錄制了“開始封口”“正在封口”“封口完畢”三段語音，同時結(jié)合LCD12864液晶顯示器，用文字和聲音實時顯示封口過程。當壓條裝置移向發(fā)熱裝置時，語音播報“開始封口”，液晶顯示器顯示“開始封口”；當垃圾袋封口時，語音播報“正在封口”，液晶顯示器顯示“正在封口”；當封口完成，壓條裝置遠離發(fā)熱裝置而回到起始位置時，語音播報“封口完畢”，液晶顯示器顯示“封口完畢”。封口完成3 s后，液晶顯示器自動清除顯示內(nèi)容，為下一次封口過程的實時顯示作好準備。

5 電熱封口控制程序的設(shè)計

MSP430的程序設(shè)計十分簡便，可以用匯編語言和C 語言進行編程，其可移植性好。采用IAR Embedded Workbench 單片機開發(fā)環(huán)境，利用JTAG（joint test action group，聯(lián)合測試行動小組）接口在PC（personal computer，個人計算機）上實現(xiàn)程序的編寫、下載與調(diào)試。根據(jù)垃圾桶的電熱封口任務(wù)和電路結(jié)構(gòu)進行控制程序的設(shè)計。垃圾桶電動熱封口的流程如圖7所示，垃圾袋實際封口過程如圖8所示。

6 結(jié)束語

應(yīng)用熱封口技術(shù)，設(shè)計了一種電動熱封口式垃圾桶。以封口時間短、封口效果好、封口噪音低為目標，結(jié)合熱封口材料的性能和機械運動的特點，通過單片機控制實現(xiàn)塑料垃圾袋的電動熱封口。

圖7 垃圾桶電動熱封口的流程Fig.7 Electric heat sealing process of garbage can

圖8 垃圾袋實際封口過程Fig.8 Actual sealing process of garbage bag

電動熱封口式垃圾桶具有功耗小、價格低、性能穩(wěn)定和低碳環(huán)保等特點。合理控制封口溫度、封口時間等因素，可以改進封口的綜合性能。采用電動熱封口式垃圾桶，可以有效地減少垃圾對環(huán)境的污染，具有較高的社會和經(jīng)濟價值。