“远程控制”垃圾箱的设计

2015-11-28苑炳卿姚俊红

山西电子技术 2015年3期

杨帆，苑炳卿，戚磊，姚俊红

(德州学院机电工程学院，山东德州 253000)

1 背景

普通户外垃圾箱多注重外形的美观和密封性，而忽视了垃圾箱容量和环卫工人处理的难度。街区、景点公园垃圾箱内的垃圾以各种饮料瓶、食品包装纸和其他不可回收的食物残骸为主。各种垃圾混杂放置，特别是瓶类等中空物体占用了大量有效空间，而且各种杂物之间的蓬松和间隙占用了剩余约三分之一的空间，使得垃圾箱难以得到高效的利用。

传统垃圾箱往往由于城市各个功能分区的人口密度、人流量的不同而填充情况不同，加上环卫部门的垃圾清理效力，会出现部分垃圾箱因不及时清理而装满溢出进而污染周围环境、另一些垃圾箱则因装填不足而浪费人力的情况。垃圾车一般为柴油车，功率一般超过80 kW，排量在3 600 mL左右，浪费燃油增加二氧化碳等尾气排放及噪音扰民等现象时而发生，尽管如此依然会出现因清理不及时造成垃圾外漏、臭气泄露、蚊虫病菌滋生等问题［1］。

针对此现象，我们设计并制作了节能户外垃圾箱，该装置采用太阳能供电，可以对饮料瓶、食品包装袋、果壳等垃圾进行简易分类，对饮料瓶等占用空间大的垃圾先进行压缩后才进入箱体内。垃圾箱内满到一定程度时，通过压板对其进行多次多级整箱压缩。当垃圾箱完全装满后，提醒路人到附近垃圾箱投放，同时发送信号到环卫部门的上位机，便于实现全区域垃圾箱的统一监控，此举可以避免垃圾箱溢满外漏带来恶劣状况的出现。将景区街道垃圾处理系统化智能化完善化，推动城市节能减排事业的发展。

2 总体方案

设计过程主要是由自动启闭模块，垃圾分类模块，瓶类压缩模块，整体压缩模块，远程通信模块，平台化应用模块等模块组成。

2.1 自动启闭模块

人手持垃圾靠近垃圾箱时自动开门，并根据人手的动作延时关闭，利于垃圾箱密封并防止臭气废物外泄。

2.2 垃圾分类模块

矿泉水瓶一类的垃圾进入瓶类压缩机构，其他杂物进入大箱压缩机构，实现简单的垃圾分类。

2.3 瓶类压缩模块

先将矿泉水瓶扎破，再进行下一步压缩，避免瓶内空气压力的妨碍。

2.4 整体压缩模块

压缩箱内进行多级压缩、多次压缩，使得压缩比大幅度提高。

2.5 远程通信模块

箱满报警，提供全区域垃圾箱情况，规划垃圾车出动的最佳路线。

2.6 平台化应用模块

以太阳能光伏电池为能源集成各种模块，充分扩展基点能源。提供良好的广告宣传平台，可以解决城市广告紊乱的现状，又可以为此垃圾箱提供社会招标资金，便于向社会推广，减轻财政压力。

图1

3 模块设计和实现方法

3.1 自动启闭模块

人手持垃圾靠近垃圾箱时垃圾箱会自动打开垃圾投放口，人手持垃圾阻挡住位于投放口左侧的红外对管，红外对管内部的LM358 运放芯片会因红外接收管电平变化，而输出低电平信号进入主控单片机，由单片机控制舵机开启垃圾投放口，红外对管会根据人的手势检测，在检测不到人手一段延时之后垃圾投放口自动关闭。

3.2 垃圾分类模块

垃圾分类模块通过旋转隔板拍打的方法将瓶类垃圾与其他杂物分开，使瓶类进入瓶类压缩机构，其他杂物进入大箱，实现简单的垃圾分类。

3.3 瓶类压缩模块

红外对管通过相同原理检测到瓶类掉落到压缩器中，通过单片机通过控制继电器驱动短程电动推杆推动双层板压缩板，双层板之间由弹簧连接中间装配有钢针，在压缩开始时双层板会因为被鼓起的瓶子阻碍，中间的弹簧收缩，钉子露出，将瓶类扎破，再进行压缩。避免了在压缩过程中的瓶类在挤压过程中由于挤压产生爆炸或挤坏压缩装置的情况。

图2 瓶类压缩过程至钉子露出

3.4 整体压缩模块

当不同高度的红外对管模块检测被堆积的垃圾阻挡时，输出端口持续输出低电平信号，此信号传送到单片机中由单片机判断之后，向L298N 电机驱动发送压缩信号带动电机运转进行分级压缩。

当垃圾箱达到总容量的百分之七十时，电机下拉压缩板压缩到垃圾箱容量的百分之五十;当垃圾箱达到总容量的百分之九十时，再次启动电机，压缩到百分之七十。机械结构是由垃圾箱底部两个大功率减速电机通过细钢绳对压缩板的拉拽实现压缩功能，上方安装的另两个减速电机则带动压缩板复位(如图3)。

图3 压缩板运行

3.5 远程通信模块

当垃圾箱中安装的百分之九十位置红外对管第二次检测到垃圾时，单片机通过GSM 手机短信模块向电脑上位机端的另一台GSM 发送短信或GPRS 数据［2］，在电脑上位机接收处理后在街道模拟图上对应的垃圾箱显示为红色，表示需要工人清理，上位机通过分散在城市各处垃圾箱发回的数据综合指引环卫部门规划出最佳路线后出动垃圾车。(如图4 为电脑上位机图)

图4 上位机模拟图

3.6 平台化应用模块

DHT11 温湿传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。此模块与单片机通过程序配合，通过液晶显示实时温度湿度，有关部门也可以通过远程通信模块获取温湿度数据，生成变化曲线或等温线图，方便统筹温度变化，预测天气。当垃圾箱满时液晶显示最近的垃圾箱位置提示民众将垃圾丢到最近的垃圾箱中。

3.7 光伏发电应用模块

光伏发电由太阳能电池板、太阳能蓄电池、太阳能控制器、太阳能支架等组成，其中最需要配套的是太阳能蓄电池和太阳能电池板。如果太阳能电池板的功率偏大，蓄电池的容量偏小，就会浪费资源，而且发挥不出最大的实际使用功率;如果太阳能蓄电池容量偏大，太阳能电池板功率偏小，就会导致蓄电池充电不满［3］。本模块设计中，选用的是单晶硅太阳能电池板，单晶硅太阳能电池相对与多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜电池具有效率高、技术成熟等优点，当然成本也稍高，综合考虑各方面的因素选用了单晶硅太阳能电池板。选用全密封式免维护铅酸蓄电池，它具有价格低、电压稳定、无污染、整个使用周期内无需维护使用方便等优点［4］。选用一款新型智能型太阳能光电控制器，它具有智能优化SOC 控制、高精度稳定补偿、防过充、过放、点短路、防反接保护等全自动控制等优点。

太阳能电池板与蓄电池配置计算公式

1)根据以下公式计算出电流:电流=功率÷电压.本系统设计使用了12 V 蓄电池系统。设计功率:1 W 的LED 灯、单片机、4 个直流减速电机、1 个舵机和其他外围电路，一天内的平均功率约为5 W。所以:电流I=5 W÷12 V≈0.42 A。

2)计算出蓄电池容量需求:蓄电池容量=电流×工作时间×连续阴雨天数。设计需要满足连续阴雨天3 天的照明需求。所以:蓄电池容量=0.42 A×24 h×3 d=30.24 Ah。经过性价比较所以最终选用30 Ah 的蓄电池。

3)计算出电池板的需求峰值(WP):WP÷电压=(电流×工作时间×120%)÷有效光照时间。系统每天累计工作时间为24 h;考虑到垂直光照时间短，电池板平均每天接受有效光照时间设为4 h，需要最少放宽对电池板需求20%的预留额。所以:WP÷17.6 V=(0.42 A ×24 h ×120%)÷4 h。WP≈53.23 W。考虑理论与实际的差值及预留所以我们选用60 W 的太阳能电池板。

当遭遇连日阴雨天气或太阳能板故障，在电池充满的状况下可以维持三天基础功能正常运转。垃圾箱电池电力不足百分之十时垃圾箱的垃圾投放口将自动打开，各个分支模块停止工作，仅保留箱满报警功能，达到最大的续航时间并发送代码到上位机，上位机的街道模拟图上对应的垃圾箱显示变为黄色，并在信息栏展现，提醒工作人员及时维修或充电。