第２９卷第５期　２０１６年９月　

机电产品开发与　新　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｖｏ１．２９，Ｎｏ．５　

Ｓｅｐ．，２０１６　

文章编号：１００２—６６７３（２０１６）０５—０２７—０４　

一种智能分类垃圾桶系统的设计　

熊建桥，陆卫，季小涵，万锦晓，张志刚，付杰　（南京工程学院机械工程学院。江苏南京２１　１　１６７）　

摘　要：论文设计了一种智能分类垃圾桶，以实现垃圾自动分类，简化垃圾分类流程，有效回收利用资　源。智能分类垃圾桶由机械结构、硬件电路、软件程序等部分组成。样机采用皮带传动机构、剪　式机构、丝杠螺母机构等机械结构，融合红外感应传感器、金属传感器等，运用典型ＳＴＣ８９Ｃ５１　控制芯片，初步实现了垃圾桶自动开合、检测分类、压缩储存等主要功能。　关键词：智能垃圾桶；自动开合；检测分类；压缩存储　中图分类号：ＴＢ４７　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１６．０５．０１０　

Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａ　Ｋｉｎｄ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｒａｓｈ　Ｃａｎ　ＸＩＯＮＧ】ｔ∞　Ｑ　ＬＵ　Ｗｅｉ．３ｌ　Ｘｉａｏ—Ｈａｒｔ，ＷＡＮ　Ｊｉｎ－Ｘｉａｏ．ＺＨＡＮＣ　Ｚｈｉ—Ｇａｎｇ，ＦＵ№　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮａｎｊｉｎｇＪｉａｎｇｓｕ　２１１１６７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｈａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｒａｓｈ　ｃａｎ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　出ａｇｅ，　ｓｉｍｐｌｉｆｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｇａｒｂａｇｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｔｉｌｉｚｅ　ｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｒａｓｈ　ｃａｎ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｍｄｗ￣ｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｈａｓ　ｉｎｉｔｉａｌｌｙ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｉｎｇ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｔｏｒａｇｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ＳＴＣ８９Ｃ５１　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈｉｐ，ｂｙ　ｍｅｒｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆｂｅｌｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｌｅａｄｓｃｒｅｗ—ｎｕｔ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｗｉｔｈ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ，ｍｅｔａｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｓｅｎｓｏｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｔｒａｓｈ　ｃａｎ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｉｎｇ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｔｏｒａｇｅ　

０引言　ｌ　随着垃圾产量日益增长，其引发的环境问题日益突　Ｉ　出。面对垃圾泛滥成灾的局面，世界各国的视线已经不停　留在如何控制和销毁垃圾的问题上，而是采取积极的态度　Ｉ　和有利的措施进行科学的处理，回收利用垃圾，实现资源　ｌ　的重复利用。欧美、Ｅｔ本等发达国家已实行垃圾分类政策　：　多年，但垃圾分类主要依靠于人工分拣，分类过程繁琐。　ｌ　当人靠近垃圾桶时。红外感应传感器接受信号并传　｛　递给机械传动装置，桶盖自动开启，方便直接投放垃圾，　ｊ　减少了人与垃圾桶的直接接触；垃圾进入桶内之后，金属　：　传感器检测是否为金属，根据检测结果放入不同的垃圾　１　桶中，实现金属与非金属的分类；垃圾落入不同垃圾桶　ｌ　后，压缩机构开始运转，将垃圾压缩，减少垃圾所占空间，　Ｊ　－　－＿＿＿●。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。●。。。●－●＿＿＿＿＿＿Ｈ＿＿＿●。●－●●。●。。。。。。。。。。。。。　。。。。。。一　修稿日期：２０１６一Ｏ５—２３　Ｉ　项目来源：江苏省高等学校大学生实践创新动Ｉ练计划项目ｌ　（２０１４１１２７６０２７￣）　Ｉ　作者简介：熊建桥（１９６９－），男，湖北襄阳人，博士，副教授。研：　究方向：嵌入式系统、数控技术、汽车电子。　ｌ　提高垃圾桶存储量。本文所设计的智能分类垃圾桶方便　易用，简化了垃圾分类流程，实现了垃圾的有效回收利　用，应用前景广阔。　１总体设计　本文设计的智能分类垃圾桶主要有三大功能：自动　开合、检测分类、压缩存储等。智能分类垃圾桶的总体设　计框图如图１所示。样机由检测模块、分类模块、压缩模　块和控制模块等组成，样机在研究过程中分为机械结构　设计、控制部分硬件电路设计和软件程序设计等阶段。样　机采用了皮带传动机构、剪式机构、滚珠丝杠机构等机械结　构．融合了红外感应传感器、金属传感器等传感器信号，　Ｓ将ＴＣ各８９传Ｃ５感１圈　芯片控制

，将各传感Ｌ　Ｉ　Ｉ—　器所收集到的信号处　Ｉ单片机Ｉ［＝＝　Ｉ竺　竺　｝　理分析，控制各个步　ｌ三＝耋篓　ｌ匕　Ｉ亡二＝　进电机带动相应机构——　运动。实现垃圾桶自图１智能分类垃圾桶的总体设计框图　动开合、检测分类、压　ｍｇｔ—ｅ．ｉ　ｎｇｅ。ｎｏｖｔ　ｃ：ｌａｒａｓｓ。！ｉＩ　ｌｃａ　ｔｉｏｎ　ｔｒ　ａｍ　ｃｓｎ

０ｆ　・产品与市场・　缩储存等功能。　２机械结构设计　样机的机械结构除基本外部框架外，其实现开合、分　类、压缩等功能的结构更为重要。样机开合机构选择皮带　传动机构，将电机旋转运动转化为桶盖的开合运动；垃圾　检测分类的重点在于垃圾的检测。其分类机构通过挡板　旋转便可实现：样机压缩机构综合安装位置、压缩效果、　机构复杂程度等因素，选用剪式机构来实现垃圾桶内部　的压缩功能。机械结构设计总图如图２所示。　

图２智能分类垃圾桶的机械　结构设计图　Ｆｉｇ．２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｒａｓｈ　ｃａｎ　

２．１垃圾桶自动开合　机构的设计　当有人接近垃圾桶　投放垃圾时，红外感应传　感器将检测到的信号传　递给单片机，由单片机发　出指令驱动步进电机转　动。进而实现桶盖的开启　和关闭动作。样机采用皮　带传动机构，将步进电机　输出的转动通过同步带　轮、皮带机构，转化成桶盖的开启和关闭运动。　另有多种机械传动机构（装置）可以实现将步进电机　的旋转运动转换成桶盖的开合运动，如四杆机构、绕线机　构、丝杠传动机构、液压（气压）升降系统等。四杆机构加　工简便，但动作幅度过大，布置困难；绕线机构原理简单，　但可靠性不足；丝杆传动传动精度高，但成本较高；液压　（气压）升降系统运动平稳，但结构复杂……最后，综合考　虑到经济性、紧凑性、可靠性等因素。选择皮带传动机构　来实现桶盖开合。皮带传动机构工作时传动平稳、噪声　小，能缓冲、吸振，工作中如遇到过载，皮带将会在带轮上　打滑，可防止步进电机损坏，起到安全保护作用。　２．２垃圾桶检测分类机构设计　垃圾桶完成自动开合动作后，垃圾进入检测分类区，　通过传感器检测，再控制机械结构运动使垃圾落入不同　的垃圾桶中，实现垃圾检测分类的功能。针对垃圾检测分　类机构．本文分别提出了导轨移动机构和中心旋转机构　两种设计方案。　（１）导轨移动机构。该机构类似于投料小车，检测分　类区为完整的盒体，利用电机带动盒体在导轨上来回移动．　根据传感器检测结果，运动至相应垃圾桶上方，开启盒体　底面，将垃圾投入相应桶中，从而实现垃圾分类的功能。　（２）中心旋转机构。该结构利用了步进电机能够较准　确地输出一定旋转角度的特点。单片机根据传感器检测　信号，控制步进电机的旋转方向、旋转角度，带动旋转叶片　２８　旋转，将垃圾投入不同的桶中．从而实现垃圾分类功能。　对比两种机构．导轨移动机构具有可扩展性强、投放　准确等优点，易于满足后期增加分类种类后，实现多种不　同材料分类的要求。但其所占用的空间较大、反应速度慢，　难以满足该样机的设计要求。中心旋转机构具有分类效　率高、结构简单等优点，在现有条件下，可以基本满足样　机安装空间的要求，但同时由于步进电机的旋转角度存　在微小误差，后经改进旋转挡板的设计，基本符合设汁要　求。最终，采取中心旋转机构。　２．３垃圾桶压缩存储机构　为控制使用成本、简化机体结构。本文中将垃圾压缩　存储机构安装在垃圾桶外部框架上，垃圾桶内桶不做过多　结构调整，方便实际应用中与普通垃圾桶内桶互换使用　垃圾压缩装置我们采用剪式机构，剪式机构是一种单自　由度机构，在各类折叠伸缩装置中有广泛的应用。剪式机　构具有结构稳固、运行稳定、行程放大等特点。剪式机构　在满足同样的运动行程要求时，具纵向尺寸更小、收缩高　度更低、尺寸变动更大的特点。剪式机构铰链固定端沿直　线上升，非固定端在起始阶段沿曲线缓慢上升，然后近似　直线运动。为样机压缩运动的实现提供了良好的条件。剪　式机构示意图如图３所示。　／了Ａ　＼　／　＼＼　／／　罨　＼　／　ｉ　导：　ｆ卜　图３剪式机构示意图　Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃｉｓｓｏｒ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　样机中使用丝杠螺母机构作为动力驱动剪式机构，　将电机输出的旋转运动转化成剪式机构的伸缩运动。丝　杠螺母机构具有结构简单、加工方便、制造成本低、有自　锁功能等特点。在驱动剪式机构时，可以为压缩装置提供　足够的压缩力。　

３控制部分硬件电路设计　样机采用典型ＳＴＣ８９Ｃ５１型单片机，将红外感应传感　器和金属传感器所获取的数据处理分析，控制电机运转，　实现垃圾桶自动开合、检测分类、压缩存储等主要功能。　控制电路原理图如图４所示。　３．１电源模块　电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件，它直　接影响着机器人性能的好坏。由于本机器人电机驱动和控　制器采用两种不同等级电压的电源，为避免２个电源相互