一种新型智能垃圾桶设计

引言

垃圾桶是必不可少的家居用品,近年来各种智能垃圾桶陆续走进了人们的生活。但这些垃圾桶都不具备定时或APP控制自动倾倒垃圾的功能。本文所述智能垃圾桶首先安装了打包机构,在倾倒之前能先将垃圾袋封口,防止垃圾溢出:其次通过机器人中常用的全向轮机构与垃圾桶相结合,垃圾桶可自行移动到指定地点:再次,垃圾桶安装了舵机控制的开关门与垃圾袋推出机构,通过单片机编程能定时每天将垃圾袋倾倒在家门口,或直接通过手机APP控制,省去了日常取垃圾袋的麻烦。该设计可以降低劳动强度,提高生活质量,符合智能家居便利性、舒适性、环保节能的理念。

1结构组成

图1为垃圾桶的机械部分结构简图(不包括行走机构)。

图1 垃圾桶机械部分结构简图

该垃圾桶主要由以下部分组成:

1.1行走机构

本智能垃圾桶需要自行前往指定地点倾倒垃圾,因此需要合适的行走机构。全向轮是机器人行走机构中常用的部件,同时使用3个或以上的全向轮可以实现任意方向的平移,可以进行任何复杂的弧线运动。

图2所示为四轮全向轮底盘,采用饭金件加工,预留多个定位孔,可用于安装电机、传感器、单片机等元器件。

1.2打包机构

本垃圾桶需要在开门倾倒垃圾前将垃圾封装打包,打包机构设计采用螺旋传动,通过螺杆转动带动螺母杆作直线移动。如图3所示,打包机构右方槽中安装有电热丝,两连接杆前端绑有热胶带,起辅助加热作用。打包时,图中下方电机转动,带动螺杆转动从而驱动螺母杆将垃圾袋挤压到下方位置:而后图中右方电机转动,通过螺旋传动将垃圾袋拘束到右侧的狭小区域,电热丝通电同时热量传递到杆上热胶带,将垃圾袋局部熔融形成结节,垃圾袋打包完成。

图3 垃圾桶打包机构

1.3垃圾桶开关门与推板机构

垃圾桶盖需要在有人接近时自动开启,垃圾桶前门和推板机构则需要在倾倒垃圾时启动。这几个部分均设计为直接通过舵机驱动,上盖、前门、推板分别与舵机轴通过固定销作刚性连接,且与垃圾桶筒体间通过固定较链形成转动副。

2系统硬件设计

系统采用ATMEGA328P单片机为主控核心,其为一款8位AVR单片机。该单片机具有性能强、功耗低等优点,同时具备六通道PwM输出,可用于舵机及步进电机的控制。步进电机选用42步进电机,该电机扭矩大,可以使得打包功能稳定运行。

系统硬件设计方案如图4所示。

2.1电热丝通断电路

系统工作过程中,当收到打包指令时,需开启电热丝加热功能,且电热丝在其他状态下均不工作,故需控制电热丝工作状态。

电热丝两端额定电压为9V,为方便控制且保证系统稳定,选用继电器进行控制,控制电路如图5所示。

2.2测距模块

系统顶盖处安装距离传感器,当检测到有人在垃圾桶上方时,自动打开上盖,系统采用HC-SR04超声波传感器,其原理为一个探头发射超声波,超声波在传送过程中遇到障碍物后反射回来由另一个探头接收。根据传输距离及超声波的速度来计算检测的距离。该模块由四个管脚组成,其中1、4脚接电源,2、3脚分别为信号输入端与信号输出端,连接到单片机I/O口。

2.3步进电机驱动电路

由于42步进电机驱动电流较大,因而采用专用步进电机驱动芯片,步进电机驱动电路如图6所示。

本文采用A4988步进电机驱动芯片,该芯片驱动42步进电机时只占两个I/O口,控制方便,其中6脚为脉冲数控制引脚,控制电机转动的角度,8脚为步进电机正反转控制引脚。

3软件设计

本项目的设计流程如下:第一次开机初始化,等待按键按下、设置系统时间,然后进入工作状态。上方超声波传感器检测与障碍物)人手)的距离并与设定的下限值对比,若距离小于下限则控制上盖舵机打开上盖,延时5S后关闭上盖;系统在工作过程中,当系统时间达到设定时间时,垃圾桶自动打包并将垃圾推出,完成打包步骤;同时,检测蓝牙模块是否收到信号,若收到信号则进入移动模式,处理上位机发送的移动指令及打包指令。

4结语

经调试,系统可以稳定运行,能够完成定时打包并推出垃圾的功能,同时可以通过手机APP控制垃圾桶进行移动,符合一些垃圾桶需要移动的场合的应用需求。系统在设计过程中还存在一定的不足,例如若能通过GPS定位或图像处理来识别家门口的位置,就可定时定点进行打包并推出垃圾,使得系统更加智能化。