劉 磊，潘 旭，余 坤，林 權(quán)

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，近年來(lái)智能垃圾分類裝置研發(fā)一直是業(yè)界學(xué)者的研究熱點(diǎn)，普通民眾也都意識(shí)到保護(hù)環(huán)境的重要性[1-3]，國(guó)家也相繼出臺(tái)了“生活垃圾分類制度實(shí)施方案”等法規(guī)，全國(guó)進(jìn)入垃圾分類的“強(qiáng)制時(shí)代”，各種各樣的智能垃圾桶接踵而來(lái)，但目前市場(chǎng)上各種智能垃圾桶普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和價(jià)格“不親民”等不足[4-6]，在此研發(fā)一種新型智能分類垃圾桶，該智能垃圾桶不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且制造成本低，能夠滿足廣大家庭用戶的使用需求，市場(chǎng)應(yīng)用前景好。

1 智能垃圾桶設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)組成

圖1 為智能分類垃圾桶結(jié)構(gòu)，其中圖1（a）為三維模型展示，圖1（b）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示，該垃圾桶分為內(nèi)、外桶兩個(gè)部分，外桶1 安裝設(shè)置驅(qū)動(dòng)內(nèi)桶10 的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置主要包括轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)11、中心軸9、轉(zhuǎn)盤(pán)2等，四個(gè)內(nèi)桶10 分別為可回收垃圾桶、有害垃圾桶、濕垃圾桶和干垃圾桶，形狀為扇形，垃圾桶通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊控制垃圾桶的開(kāi)啟關(guān)閉，以及所需內(nèi)桶的旋轉(zhuǎn)復(fù)位，語(yǔ)音識(shí)別控制模塊安裝于垃圾桶蓋4 的內(nèi)側(cè)。

圖1 智能分類垃圾桶結(jié)構(gòu)

智能垃圾桶正常工作中，當(dāng)投放垃圾時(shí)，使用者只要說(shuō)出垃圾種類，例如“紙盒”，語(yǔ)音識(shí)別模塊的聲控接收器接收到語(yǔ)音信號(hào)，則驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)11 帶動(dòng)中心軸9 轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)2、內(nèi)桶10、轉(zhuǎn)架3 和垃圾袋固定盤(pán)7跟隨中心軸9 轉(zhuǎn)動(dòng)，將“紙盒”相應(yīng)的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)到垃圾桶蓋4 扇形缺口的正下方，隨之轉(zhuǎn)蓋電機(jī)5 帶動(dòng)垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)垃圾桶，使用者完成投放垃圾。垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 停留5 秒則自動(dòng)合上，同時(shí)，在垃圾袋固定盤(pán)7 和內(nèi)桶10 空隙中安裝的紅外光電傳感器，能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾堆滿的高度，如若垃圾達(dá)到規(guī)定高度，則會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，提醒使用者更換垃圾袋，并且垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 處于常開(kāi)狀態(tài)。更換垃圾袋完成后，紅外光電傳感器每次間隔兩分鐘檢測(cè)一次垃圾堆放狀況，如若垃圾未達(dá)到規(guī)定高度，則會(huì)驅(qū)動(dòng)垃圾桶轉(zhuǎn)蓋6 閉合，隨后內(nèi)桶也會(huì)復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)到初始位置。

2 智能垃圾桶機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，圖中轉(zhuǎn)盤(pán)6、垃圾袋固定盤(pán)3 和轉(zhuǎn)架5 通過(guò)法蘭盤(pán)聯(lián)軸器4 與中心軸2 連接，中心軸2 通過(guò)剛性聯(lián)軸器1 與轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)7 連接，使得轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)7 驅(qū)動(dòng)中心軸2 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)6、垃圾袋固定盤(pán)3 和轉(zhuǎn)架5 隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，為了避免中心軸2 在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)偏離中心的擺動(dòng)現(xiàn)象，在中心軸2 的另一端通過(guò)軸承9 安裝支撐垃圾桶蓋8 的內(nèi)側(cè)，垃圾桶蓋8 作為固定支撐與外桶固接，實(shí)現(xiàn)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)相對(duì)外桶和桶蓋相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖2 內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

圖3（a）為垃圾袋固定盤(pán)三維零件模型，垃圾袋固定盤(pán)扇形側(cè)邊上都設(shè)計(jì)有類似雪花狀的凹槽，更換垃圾袋時(shí)，將垃圾袋塞入雪花槽可以起到固定作用，防止投放垃圾時(shí)將垃圾袋扯下。圖3（b）為轉(zhuǎn)盤(pán)三維零件模型，由圖2 可知垃圾內(nèi)桶放置在轉(zhuǎn)盤(pán)6 的上面，轉(zhuǎn)盤(pán)位于智能垃圾桶底部，不僅支撐著四個(gè)垃圾內(nèi)桶，防止各內(nèi)桶因?yàn)橹亓坎煌l(fā)生傾斜，而且?guī)?dòng)四個(gè)內(nèi)桶相對(duì)外桶同時(shí)旋轉(zhuǎn)。另外，為了避免轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)桶發(fā)生位移，因此在轉(zhuǎn)盤(pán)上開(kāi)設(shè)與內(nèi)桶形狀相似的四個(gè)扇形槽，一個(gè)內(nèi)桶定位于一個(gè)扇形槽上，且為了轉(zhuǎn)盤(pán)在垃圾桶內(nèi)定位準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)為球冠形狀。圖3（c）為轉(zhuǎn)架三維零件模型，轉(zhuǎn)架為一平板上開(kāi)設(shè)四個(gè)扇形通孔的支架結(jié)構(gòu)，扇形孔的形狀尺寸大小與轉(zhuǎn)盤(pán)上的扇形槽一樣，轉(zhuǎn)架的作用在于避免在內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，四個(gè)內(nèi)桶相互之間以及內(nèi)外桶之間發(fā)生碰撞摩擦，或者發(fā)生干澀內(nèi)外桶旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，同時(shí)也對(duì)內(nèi)桶的位置起進(jìn)一步定位作用。

圖3 固定盤(pán)、轉(zhuǎn)盤(pán)與轉(zhuǎn)架

2.2 開(kāi)合蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4（a）為智能垃圾桶開(kāi)蓋時(shí)的狀態(tài)，圖4（b）為閉合時(shí)的狀態(tài)，需要投放垃圾時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊會(huì)根據(jù)語(yǔ)音內(nèi)容，驅(qū)動(dòng)桶蓋電機(jī)3 將垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 將重疊在垃圾桶蓋2 上方，如圖4（a）所示，同時(shí)語(yǔ)音識(shí)別模塊驅(qū)動(dòng)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將備投垃圾類型的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)至圖4（a）中扇形缺口的正下方，完成智能垃圾桶開(kāi)蓋和轉(zhuǎn)桶動(dòng)作。投放結(jié)束后，內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)復(fù)位，同時(shí)桶蓋電機(jī)3 將驅(qū)動(dòng)垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，智能垃圾桶恢復(fù)合蓋狀態(tài)，如圖4（b）所示。該智能垃圾桶采用旋轉(zhuǎn)式開(kāi)合蓋結(jié)構(gòu)，不僅需要的工作扭矩比翻轉(zhuǎn)式開(kāi)合蓋小，而且垃圾桶轉(zhuǎn)蓋1 設(shè)計(jì)面積大于四分之一垃圾桶蓋2 的面積，能有效完整地覆蓋扇形開(kāi)口，有效防止垃圾異味擴(kuò)散到環(huán)境中，避免了對(duì)家庭環(huán)境的影響。

圖4 開(kāi)蓋合蓋

2.3 垃圾體積檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能檢測(cè)內(nèi)桶垃圾堆放狀況，如圖5 垃圾體積檢測(cè)結(jié)構(gòu)所示，在垃圾桶蓋缺口的正下方，垃圾袋固定盤(pán)2 和內(nèi)桶1 之間設(shè)置紅外光電傳感器，作為體積檢測(cè)平面，紅外發(fā)射端3 安裝在垃圾袋固定盤(pán)2 上，紅外接收端4 安裝在內(nèi)桶1 外壁上，當(dāng)某個(gè)內(nèi)桶垃圾堆放超過(guò)體積檢測(cè)平面時(shí)，光電傳感器發(fā)送信號(hào)給控制中心，控制中心則傳遞信號(hào)給蜂鳴器，蜂鳴器報(bào)警提示使用者更換垃圾袋。

圖5 垃圾體積檢測(cè)結(jié)構(gòu)

2.4 內(nèi)桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 為內(nèi)桶零件三維模型，由于垃圾桶外桶設(shè)計(jì)為圓柱形，在此基礎(chǔ)上，為了使內(nèi)桶盡量擁有較大的容量來(lái)堆積更多的垃圾，因此將內(nèi)桶設(shè)計(jì)成扇形結(jié)構(gòu)，且在內(nèi)桶兩直角邊設(shè)計(jì)了兩個(gè)向內(nèi)側(cè)凹半圓槽，主要目的是為了清洗時(shí)把內(nèi)桶取出來(lái)，可借助兩個(gè)半圓槽快速取出，增加智能垃圾桶的使用便捷性。

圖6 內(nèi)桶零件三維模型

3 智能垃圾桶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件選擇

本設(shè)計(jì)采用Arduino UNO R3 為智能分類的系統(tǒng)核心，由紅外光電傳感器、電源電路、驅(qū)動(dòng)模塊、語(yǔ)音模塊構(gòu)成智能分類控制系統(tǒng)，其工作流程如圖7 所示。首先對(duì)使用者發(fā)出的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別判斷，獲知垃圾類別，再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)到垃圾投放口，接著垃圾桶蓋旋轉(zhuǎn)打開(kāi)，使用者投放垃圾，完成投入垃圾后紅外光電傳感器進(jìn)行紅外檢測(cè)，判別垃圾堆放高度，按需發(fā)出警報(bào)提示使用者更換垃圾袋，最后桶蓋旋轉(zhuǎn)關(guān)閉。

圖7 控制系統(tǒng)工作流程

3.2 主控電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主控電路是采用Arduino UNO R3，以Atmega328P 為基礎(chǔ)的智能語(yǔ)音分類垃圾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的語(yǔ)音識(shí)別控制垃圾桶的開(kāi)啟關(guān)閉，電路輸入電壓為外部供電的7V-12V 直流電源輸入，USB 供電電源電壓為5V，電路原理圖如圖8 所示。

圖8 Arduino UNO R3 電路原理圖

其中電機(jī)和蜂鳴器的接線如圖9 所示，兩個(gè)電機(jī)與Arduino UNO R3 連接，GW600-5 渦輪電機(jī)接引腳8，同時(shí)外接電源；GA12-N20 電機(jī)接引腳9，同時(shí)也外接電源；在程序中以低電平驅(qū)動(dòng)，以防單片機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)所需的電壓不足。蜂鳴器則連接引腳11，另一引腳連接電源。

圖9 電機(jī)和蜂鳴器接線圖

3.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

本智能垃圾桶LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊由STC11L08XE的主控芯片與LD3320A 的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)組成，原理圖如圖10 所示，圖10（a）為STC11L08XE 構(gòu)成主控芯片原理圖，圖10（b）為L(zhǎng)D3320A 構(gòu)成語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)原理圖。該模塊需要5V 電源以保證供電穩(wěn)定，可識(shí)別在2.0m 以內(nèi)的所有普通話，該模塊最多可以識(shí)別50 條語(yǔ)音，并可接任意單片機(jī)。其中STC11L08XE 的RXD 與主控電路的TXD 即引腳0 相連，TXD 連接RXD 即引腳1，如圖11 所示。

圖10 語(yǔ)音識(shí)別模塊電路原理圖

圖11 語(yǔ)音模塊與主控電路接線

3.4 紅外光電傳感器

本智能垃圾桶采用紅外F3 對(duì)射式傳感器，可感應(yīng)2.0-25.0cm 的距離，檢測(cè)距離可調(diào)節(jié)，感應(yīng)時(shí)間為2.0 ms，工作電源為4.5V-5.5V，輸出電流100.0mA，具有靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，其電路原理如圖12 所示。圖中顯示，左邊為發(fā)射端，引腳1 連接GND，引腳2 連接VCC；右邊為接收端，引腳1 連接VCC，引腳2 連接Arduino UNO R3 圖9 的引腳10。

圖12 紅外F3 對(duì)射式傳感器電路圖

3.5 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本智能垃圾桶通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別控制垃圾桶蓋開(kāi)閉以及垃圾桶內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)。

首先語(yǔ)音模塊的程序設(shè)計(jì)，設(shè)置四個(gè)指令，分別為干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾、有害垃圾，如下所示：

然后是識(shí)別后工作程序，以下程序?yàn)槔稗D(zhuǎn)蓋正下方的內(nèi)桶假設(shè)為干垃圾內(nèi)桶的情況。當(dāng)語(yǔ)音模塊識(shí)別出干垃圾時(shí)，內(nèi)桶不動(dòng)桶蓋旋轉(zhuǎn)，投入垃圾后進(jìn)行紅外檢測(cè)，若是檢測(cè)到垃圾堆滿則觸發(fā)蜂鳴器，其他保持原狀態(tài)。延時(shí)2 分鐘進(jìn)行再次檢測(cè)，如若沒(méi)有更換垃圾袋，將一直循環(huán)，若是檢測(cè)到內(nèi)桶未滿，垃圾桶蓋就會(huì)旋轉(zhuǎn)關(guān)閉。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目研發(fā)的新型智能分類垃圾桶主要由內(nèi)外桶、內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、開(kāi)合蓋結(jié)構(gòu)、垃圾體積檢測(cè)結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。該垃圾桶通過(guò)利用語(yǔ)音識(shí)別模塊控制垃圾桶蓋開(kāi)啟關(guān)閉和驅(qū)動(dòng)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)垃圾分類投放，利用紅外傳感器檢測(cè)垃圾的堆放體積，警示更換垃圾袋，內(nèi)桶分為可回收垃圾、有害垃圾、濕垃圾和干垃圾四類，符合我國(guó)的垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)，該新型智能垃圾桶，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造成本低，而且使用便捷，適合廣大家庭用戶的推廣使用。