秦铂涛， 邓 磊， 黄姝珂

（1.四川大学 机械工程学院， 四川 成都 610065； 2.四川幼儿师范高等专科学校应用技术系， 四川 江油 621709；3.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所， 四川 绵阳 621900）

0 引言

随着我国面临“垃圾围城”的现象逐渐严重，大量的生活垃圾对我国资源产生了巨大危害[1]。2019 年6 月，全国人大常委会审议通过了“生活垃圾环境防治”专项规定[2]，自法案实施以来，人工分类的垃圾箱已经被大规模使用。 可是现有垃圾分类箱不仅需要专人宣传垃圾分类标准并引导市民投放， 也需要市民掌握相关垃圾分类知识，并且人工分类有时间段的划分，只能在专人工作时进行垃圾投放，一时很多人为垃圾分类头疼不已，由此可见设计智能分类垃圾桶的重要性。

1 智能垃圾桶的结构设计及3D 建模

为了满足城市街道及小区分类垃圾桶的需求， 垃圾桶的设计采用小型化、智能化的原则， 整体结构如图1 所示； 智能垃圾桶由含有功能结构的上半部分桶身和装有PLC 控制模块的桶底构成。 其他模块由：摄像头及显示屏、 两部步进电机及驱动器、4 对红外对射管，PLC 控制模块则由PLC 实现控制功能配套的开关电源、继电器构成。 其结构见图1，3D 效果见图2。

图1 智能垃圾桶结构图

图2 智能垃圾桶3D 效果图

为满足小型化智能化需求，垃圾桶采用了识别，分类，存储，控制，显示一体化设计，整个垃圾桶结构简单且占地面积小。 将PLC 模块集成在底部，既可以节约空间减小体积，又可以将线路集中，方便检查排障。

2 智能垃圾桶硬件模块的选择

2.1 智能垃圾桶的主要功能

机器处于待机状态时，主屏幕播放待机画面。当使用者将垃圾放在垃圾投放区时，视觉识别模块拍照识别，利用内置数据库进行对比分析， 如果为非易压缩类垃圾，PLC 控制步进电机使分类导管指向指定的分类垃圾桶，PLC 控制停料板下方电机转动，停料板翻转， 垃圾经分类导管入桶。 随后停料板经短暂停留恢复到原位； 如果投入的垃圾是易拉罐和塑料瓶等易压缩的垃圾，则PLC 控制分类导管指向压缩机， 易压缩物掉下被压缩后落入指定垃圾桶； 当红外装置检测到垃圾装满则触发满载预警，在屏幕上提示并发出报警声。 系统功能见图3。

图3 智能垃圾桶功能图

2.2 硬件模块的选择

2.2.1 视觉识别模块

采用了HuskyLens 摄像头和与其配套的micro：bit 主板。 摄像头负责拍照采集待分类垃圾的图像信息并与内置数据库对比得出分类信息。主板起通讯作用，将摄像头的信号转化为PLC 能识别的高低电平信号。

2.2.2 电机驱动模块

采用了一部型号为86CM45 的步进电机作为分类导管的动力源，考虑到停料因个人习惯放置位置不同，可能需要更大的扭矩， 采用一部型号为86CM85 的步进电机作为停料板的动力源。 配以两部型号为3ND583 的驱动器来驱动电机。

2.2.4 满载预警模块

选择四对HD-DS25CM-3MM 红外对射管，分别装在四个类别的小垃圾桶内侧，并且用了四组24V/5V 电压转化器易确保红外对射管能正常工作。

2.2.5 气动压缩模块

气动压缩结构由气缸， 伸缩杠和管道回路组成， 利用一个三位四通阀控制伸缩杆运动以实现压缩和通过的功能[3]。气动回路具体结构，见图4。

图4 压缩气缸回路设计图

2.2.5 其他模块

主要包括屏幕显示模块和电力供应模块。 屏幕采用一块MCGS 的TPC1062K 嵌入式一体化触摸屏，既可以引导使用者投放垃圾，也可以显示垃圾桶内实时情况。在小区等有条件插电的场所时， 该垃圾桶可以通过一块24V 开关电源接入电路使用，当不便于插电使用时，还可以直接用自身携带的一块24V 锂电池供电。

3 智能垃圾桶软件部分设计

3.1 PLC 程序的编写

PLC 程序的编写采用“顺序控制法”，遵循“顺序功能图的绘制→PLC 端口资源分配→编程→连接调试”的步骤进行[4]。

3.1.1 PLC 顺序功能图的绘制

根据实现各逻辑功能时各部分与PLC 的逻辑联系，可画出顺序控制时的顺序功能图见图5。

图5 PLC 顺序功能图

3.1.2 PLC 端口资源分配

根据硬件选择，PLC 输入端与5V 继电器和红外对射管连接接收输入信号， 输出端与驱动器连接控制步进电机运动，将端口资源进行分配，其I/O 口资源分配见表1。

表1 I/O 资源分配表

3.2 屏幕程序的编写

选用的MCGS 的TPC1062K 触摸屏， 其与PLC 实现串口通讯，实时读取PLC 寄存器数据并显示桶内状态，其显示数据来源和PLC 对应关系， 及其显示事件内含的程序指令，见表2[5]。

表2 工控屏信息读取地址及事件指令

据此表可以在MCGS 平台下设计出智能垃圾桶控制面板见图6。

图6 智能垃圾桶控制面板

3.3 通讯主板程序的编写

通讯主板程序通过C 语言编写，通过循环判断消抖，提高垃圾识别判断的准确率，其循环判断框图见图7。

图7 主板程序框图

经过消抖测试，通过对采集照片样本的反复判断，最后在十次均通过的情况下输出对应ID 的高电平信号，可以在不影响分类速度的前提下有效提高识别准确率。

4 关键部件的3D 打印及整体安装

为满足城市和小区使用需求， 垃圾桶设计遵循小型化原则，搭建样机为了节省材料和缩短实验周期，采用3D打印完成关键部件的制作， 遵循 “建模→导出STL 文件→切片生成gcode 文件→3D 打印→修剪去支撑→安装调试” 的步骤， 安装效果图见图8。将各元件接线美化线路后见图9。

图8 关键部件安装效果图

图9 系统线路连接图

5 样机调试和功能测试

样机上电后， 分别利用云端数据库， 自制样本数据库， 云端数据库和自制样本库结合三种方式测试样机对垃圾的识别分类速度和准确性， 四类垃圾各随机选择一百件作为垃圾样本。 统计结果见表3。

表3 功能测试结果

结果表明， 自制样本库是识别准确率最高且分类速度最快的一种，但由于自制样本库需要提前采集垃圾样本，故而有一定局限性，而云采用端数据库的响应速度和网速有关，可能出现卡顿现象， 故采用自制样本库和云端数据库结合是最高效的方式，无论是准确率和分类速度都可满足需求。

6 结束语

本系统以PLC 作为控制基础， 利用3D 打印制造关键部件搭建样机，经测试可以满足基本垃圾分类需求，为响应国家生活垃圾分类提供新的解决方案。