楊晨 李偉

摘要：基于 Arduino開發(fā)板，主要對智能垃圾桶的“行走模塊”“紅外感應(yīng)自動開蓋模塊”和“自動封口模塊”進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)涉及到單片機(jī)和部分傳感器的基本原理及應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)通過紅外感應(yīng)動作的“自動開蓋”功能，而且可以實(shí)現(xiàn)“多個地點(diǎn)召喚”和“自動封口”的功能。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在特定路線和紅外遙控的輔助之下到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)，并且可以完成“收垃圾”的工作，這是一次將智能垃圾桶、智能小車和封口機(jī)三者結(jié)合的設(shè)計(jì)，使智能垃圾桶具有功能多、應(yīng)用廣等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： Arduino;智能垃圾桶;傳感器;封口機(jī)

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0179-04

Design of Intelligent Trash Can Based on Arduino Development Board

Yang Chen ，Li Wei

（Zhengzhou University of Science and Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract： Based on Arduino development board， the walking module， infrared sensing automatic opening module and automatic sealing module of intelligent trash can were designed. The design involves the basic principle and application of single chip microcomputer and some sensors， which can not only realize the "automatic opening" function through infrared induction action， but also realize the functions of "calling multiple places" and "automatic sealing". The design can reach the predetermined place with the help of specific route and infrared remote control， and can complete the work of "garbage collection". It is a design that combines intelligent garbage can， intelligent car and sealing machine， so that the intelligent garbage can has the characteristics of multi-function and wide application.

Key words： Arduino; intelligent trash can; sensor; sealer

0 引言

現(xiàn)如今人們的生活水平不斷提高，對生活質(zhì)量有了新的需求。人們開始對自身及周圍的環(huán)境衛(wèi)生有了更高的要求，從人們自身生活的角度考慮，垃圾桶是不可或缺的存在[1]。但是，生活中的普通垃圾桶也存在著很多的弊端，比如異味溢出、細(xì)菌傳播等[2]。由此可看出，垃圾桶其實(shí)是有著很大的改進(jìn)空間，如今又是“智能化”時(shí)代，所以有了在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上[3]，對還未普及的智能垃圾桶進(jìn)行一次創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先，對于“異味溢出”這一問題，應(yīng)從垃圾桶的結(jié)構(gòu)角度考慮，其解決方案：第一，對其結(jié)構(gòu)的密封性進(jìn)行優(yōu)化;第二，減少垃圾桶開蓋時(shí)間和次數(shù)。再者，對于“細(xì)菌傳播”這一問題，應(yīng)從人們與垃圾袋的接觸次數(shù)的角度考慮，其解決方案：實(shí)現(xiàn)自動封口功能，在垃圾桶開蓋之前完成垃圾桶的封口[4]。最后，在一些像家庭、辦公室一樣的公共場所，如果每個地點(diǎn)都要放一個垃圾桶，那么垃圾的存儲量會變大只會加快細(xì)菌的傳播。所以，針對這一問題，決定用“多地點(diǎn)召喚”這一功能的實(shí)現(xiàn)來解決，只需一個公共垃圾桶。用這3個功能，能夠解決現(xiàn)實(shí)生活中大部分垃圾桶存在的問題。為了實(shí)現(xiàn)這3個功能，需要將垃圾桶的主要部分分為3個模塊——行走模塊、垃圾桶自動開蓋模塊和自動封口模塊。在實(shí)現(xiàn)這3大模塊的同時(shí)，還需要將這3個模塊相結(jié)合，融入現(xiàn)實(shí)生活之中。

1 智能垃圾桶整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1） 底盤和側(cè)板

智能垃圾桶的行走機(jī)構(gòu)選用的是兩驅(qū)動機(jī)構(gòu)，即 2個主動輪、1個萬向輪作為從動輪。底盤是整個行走機(jī)構(gòu)的核心，幾乎所有的重要硬件都固定在底盤上，所以在設(shè)計(jì)底盤的過程中，安裝孔的位置設(shè)計(jì)是很重要的。這時(shí)需要主要硬件的三維建模，在設(shè)計(jì)過程中，主要是底盤的草圖繪制。底盤的總體尺寸設(shè)計(jì)為：長×寬×高=230 mm×230 mm×4 mm 。在底盤上需要安裝直流減速電機(jī)、Arduino mega2560 R3開發(fā)板、L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊、船型開關(guān)、18650鋰電池組（12 V）、紅外巡線傳感器、超聲波傳感器和直徑為6 mm的銅柱，其中還需要留出直流減速電機(jī)與 L298N驅(qū)動芯片、紅外巡線傳感器與 Arduino mega2560 R3開發(fā)板連線的孔，除此之外，為了之后其他沒有被考慮到的硬件，留出2個寬度為3 mm的槽[5]。為了防止在制作過程中誤差的影響，將所有孔和槽的尺寸加上2 mm。

（2）“自動開蓋”模塊

這一模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是將舵機(jī)、智能垃圾桶上蓋與后板連在一起的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，需要用到舵機(jī)附帶的擺臂，一個合頁。首先，第一個設(shè)計(jì)的連接件1（圖1） 是將舵機(jī)與智能垃圾桶上蓋連接起來的零件，第二個設(shè)計(jì)的連接件2（圖2）是將舵機(jī)與智能垃圾桶后板連接起來的零件。為了設(shè)計(jì)方便，選擇在裝配體內(nèi)建立新零件（圖3）。

（3）“自動封口”模塊

第一，這一模塊采用絲桿與螺母之間的機(jī)械傳動方式，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)打印的連接件用來連接步進(jìn)電機(jī)輸出軸與絲桿、正反牙絲桿的連接剛度不夠，所以選用聯(lián)軸器連接步進(jìn)電機(jī)輸出軸與絲桿，正反牙絲桿選用氬弧焊焊接[6]。

第二，本次設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器還有另一個要求，就是尺寸應(yīng)該盡量小，節(jié)省最大的空間。

第三，另一個需要設(shè)計(jì)的零件就是軸承端蓋（圖4）。在設(shè)計(jì)過程中，需要將軸承的尺寸、裝配位置相結(jié)合，為了消除制作時(shí)誤差的影響，應(yīng)將該零件的圓孔尺寸加上0.2 mm ，還應(yīng)注意這個軸承端蓋的固定孔的位置不要與智能垃圾桶的邊緣干涉。

第四，在裝配零件時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果將42步進(jìn)電機(jī)安裝在智能垃圾桶內(nèi)，那么螺母的運(yùn)動范圍將大大減少，大約在70 mm左右，那么智能垃圾桶的工作范圍將由原來的尺寸（長×寬=214 mm×214 mm）減少為現(xiàn)在的尺寸（長×寬=214 mm×140 mm），這樣設(shè)計(jì)是不合理的。因此，為了節(jié)省空間，只能將42步進(jìn)電機(jī)安裝在智能垃圾桶的外側(cè)，即智能垃圾桶的左板上。

第五，行程開關(guān)的安裝位置很關(guān)鍵，決定整個系統(tǒng)的能否運(yùn)行。因?yàn)槠鋵㈦S著螺母的運(yùn)動而運(yùn)動，所以需要設(shè)計(jì)一個將螺母、行程開關(guān)與夾桿連接在一起的連接件3 （圖5），另一個連接件4（圖6）與此相似，不同的是在其上端連接的是可以觸發(fā)行程開關(guān)的螺栓，為了裝置的可調(diào)性[7]，先連接一個直徑為5mm的螺母，再將螺栓裝配在上面?？傮w的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2 三大模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）“行走”模塊

智能垃圾桶在實(shí)現(xiàn)“多地點(diǎn)召喚”功能的方式與智能小車相似。用12 V 電池通過驅(qū)動芯片給直流電機(jī)、Ar- duino開發(fā)板供電。首先要實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的巡線可隨意到達(dá)目的地，因此用到紅外巡線傳感器來檢測智能垃圾桶所處的位置，然后給 Arduino開發(fā)板發(fā)送信號;在智能垃圾桶行走同時(shí)，會隨機(jī)遇到障礙物，因此需要超聲波傳感器通過測距給 Arduino 開發(fā)板發(fā)送信號[8]，與此同時(shí)，Arduino開發(fā)板通過程序?qū)γ糠N情況的解決方案輸出控制信號，從而通過驅(qū)動芯片控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向[9]。以此可達(dá)到兩個目的：第一，通過特定的路線到達(dá)目的地;第二，在與障礙物一定的距離之內(nèi)，智能垃圾桶停止行走一定的時(shí)間，以此達(dá)到避開障礙的目的。硬件清單，如表1所示。

（2）“自動開蓋”模塊

智能垃圾桶的系統(tǒng)是通過紅外避障傳感器檢測外界人的動作，對 Arduino mega 2560開發(fā)板輸入數(shù)字信號（1或0），信號為“0”時(shí)不工作;信號為“1”時(shí)，通過在單片機(jī)中編寫的程序被判斷為“有人正在扔垃圾”，此時(shí)所給的“對策”就是通過輸出模擬信號給伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動特定的角度，然后等待人將垃圾投入垃圾桶，在特定的時(shí)間之后關(guān)閉蓋子。硬件清單如表2所示。

（3）“自動封口”模塊

首先對于控制方面，選用了 Arduino mega2560 R3開發(fā)板控制步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械傳動方面選擇絲桿螺母的傳動。這一模塊總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：當(dāng) Arduino mega2560 R3開發(fā)板接到指令之后，通過編寫程序給 Arduino mega2560 R3開發(fā)板特定的指令，開發(fā)板再給步進(jìn)電機(jī)輸入特定的信號，步進(jìn)電機(jī)會以特定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動特定的圈數(shù)[10]。中間通過絲桿滑塊機(jī)械傳動將垃圾袋夾成一條直線，此時(shí)滑塊上的螺釘會觸碰到行程開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，電阻絲發(fā)熱，加熱2 s 之后，電阻絲停止加熱，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，并使滑塊復(fù)位。此時(shí)，智能垃圾桶的“半自動封口”完成。其中的難點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、編程的邏輯思維。硬件清單如表3所示。

進(jìn)行“自動開蓋”和“自動封口”功能，只有當(dāng)智能垃圾桶的超聲波模塊檢測到人時(shí)智能垃圾桶停止，開啟“自動開蓋”功能;當(dāng)智能垃圾桶到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)時(shí)，開啟“自動開蓋”功能，完成之后，智能垃圾桶就會回到起點(diǎn)位置。

3 模擬路線設(shè)計(jì)及總體方案

（1） 模擬路線設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)智能垃圾桶的適應(yīng)性，需要包括所有的將來智能垃圾桶所遇到的狀況，其中包括多個左轉(zhuǎn)、多個右轉(zhuǎn)和多個十字路口的情況下不同的選擇[11]。以這樣的原則，設(shè)計(jì)了智能垃圾桶的模擬路線，“0號”位置即為起點(diǎn)，“1號”“2號”“3號”“4號”和“5號”位置是智能垃圾桶的預(yù)到達(dá)的各個地點(diǎn)，如圖8所示。

（2） 總體方案

本次設(shè)計(jì)選擇了紅外遙控的方式進(jìn)行控制，遙控上的“1～5的按鍵”分別對應(yīng)智能垃圾桶預(yù)到達(dá)的5個位置，當(dāng)在預(yù)到達(dá)的地點(diǎn)按下相應(yīng)的按鍵時(shí)，智能垃圾桶就會到達(dá)該位置。

總方案：第一，在起點(diǎn)（即0號位置）智能垃圾桶開啟“自動開蓋”和“自動封口”功能;第二，在“行走”過程中，不允許進(jìn)行“自動開蓋”和“自動封口”功能，只有當(dāng)智能垃圾桶的超聲波模塊檢測到人時(shí)智能垃圾桶停止，開啟“自動開蓋”功能;第三，當(dāng)智能垃圾桶到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)時(shí)，開啟“自動開蓋”功能，完成之后，智能垃圾桶就會回到起點(diǎn)位置。

4 程序調(diào)試和分析

在“行走”模塊中，為了使智能垃圾桶靈活地執(zhí)行命令，采用通過 Arduino開發(fā)板模擬輸出引腳（ PWM 值的范圍在0～255之間）控制直流電機(jī)的速度[12]。六路巡線的內(nèi)容如表4所示。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，垃圾桶能按照預(yù)設(shè)的位置準(zhǔn)確到達(dá)各個地點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文主要對智能垃圾桶的3大模塊“行走模塊”、“紅外感應(yīng)自動開蓋模塊”和“自動封口模塊”進(jìn)行設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)涉及到單片機(jī)和部分傳感器的基本原理了解及應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)通過紅外感應(yīng)動作的“自動開蓋”功能，而且可以實(shí)現(xiàn)“多個地點(diǎn)召喚”和“自動封口”的功能。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)3個模塊的所有功能，并且可以將3個模塊結(jié)合起來?？梢詫?shí)現(xiàn)在特定路線和紅外遙控的輔助之下到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)，并且可以完成“收垃圾”的工作。工作過程中可以通過紅外避障傳感器的“感應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)蓋子的“開和關(guān)”。在原點(diǎn)可以通過紅外遙控控制步進(jìn)電機(jī)和絲桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垃圾袋的封口。經(jīng)過現(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)，垃圾桶完成了預(yù)期的“自動開蓋”“多個地點(diǎn)召喚”和“自動封口”功能。

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第一作者簡介：楊晨（1983-），女，河南鄭州人，碩士，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械自動化。 （編輯：刁少華）