引言

垃圾桶是必不可少的家居用品,近年來各種智能垃圾桶陸續(xù)走進(jìn)了人們的生活。但這些垃圾桶都不具備定時(shí)或APP控制自動(dòng)傾倒垃圾的功能。本文所述智能垃圾桶首先安裝了打包機(jī)構(gòu),在傾倒之前能先將垃圾袋封口,防止垃圾溢出:其次通過機(jī)器人中常用的全向輪機(jī)構(gòu)與垃圾桶相結(jié)合,垃圾桶可自行移動(dòng)到指定地點(diǎn):再次,垃圾桶安裝了舵機(jī)控制的開關(guān)門與垃圾袋推出機(jī)構(gòu),通過單片機(jī)編程能定時(shí)每天將垃圾袋傾倒在家門口,或直接通過手機(jī)APP控制,省去了日常取垃圾袋的麻煩。該設(shè)計(jì)可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生活質(zhì)量,符合智能家居便利性、舒適性、環(huán)保節(jié)能的理念。

1結(jié)構(gòu)組成

圖1為垃圾桶的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(不包括行走機(jī)構(gòu))。

圖1 垃圾桶機(jī)械部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該垃圾桶主要由以下部分組成:

1.1行走機(jī)構(gòu)

本智能垃圾桶需要自行前往指定地點(diǎn)傾倒垃圾,因此需要合適的行走機(jī)構(gòu)。全向輪是機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)中常用的部件,同時(shí)使用3個(gè)或以上的全向輪可以實(shí)現(xiàn)任意方向的平移,可以進(jìn)行任何復(fù)雜的弧線運(yùn)動(dòng)。

圖2所示為四輪全向輪底盤,采用飯金件加工,預(yù)留多個(gè)定位孔,可用于安裝電機(jī)、傳感器、單片機(jī)等元器件。

1.2打包機(jī)構(gòu)

本垃圾桶需要在開門傾倒垃圾前將垃圾封裝打包,打包機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用螺旋傳動(dòng),通過螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母桿作直線移動(dòng)。如圖3所示,打包機(jī)構(gòu)右方槽中安裝有電熱絲,兩連接桿前端綁有熱膠帶,起輔助加熱作用。打包時(shí),圖中下方電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)螺母桿將垃圾袋擠壓到下方位置:而后圖中右方電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),通過螺旋傳動(dòng)將垃圾袋拘束到右側(cè)的狹小區(qū)域,電熱絲通電同時(shí)熱量傳遞到桿上熱膠帶,將垃圾袋局部熔融形成結(jié)節(jié),垃圾袋打包完成。

圖3 垃圾桶打包機(jī)構(gòu)

1.3垃圾桶開關(guān)門與推板機(jī)構(gòu)

垃圾桶蓋需要在有人接近時(shí)自動(dòng)開啟,垃圾桶前門和推板機(jī)構(gòu)則需要在傾倒垃圾時(shí)啟動(dòng)。這幾個(gè)部分均設(shè)計(jì)為直接通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng),上蓋、前門、推板分別與舵機(jī)軸通過固定銷作剛性連接,且與垃圾桶筒體間通過固定較鏈形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ATMEGA328P單片機(jī)為主控核心,其為一款8位AVR單片機(jī)。該單片機(jī)具有性能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具備六通道PwM輸出,可用于舵機(jī)及步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)選用42步進(jìn)電機(jī),該電機(jī)扭矩大,可以使得打包功能穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

2.1電熱絲通斷電路

系統(tǒng)工作過程中,當(dāng)收到打包指令時(shí),需開啟電熱絲加熱功能,且電熱絲在其他狀態(tài)下均不工作,故需控制電熱絲工作狀態(tài)。

電熱絲兩端額定電壓為9V,為方便控制且保證系統(tǒng)穩(wěn)定,選用繼電器進(jìn)行控制,控制電路如圖5所示。

2.2測(cè)距模塊

系統(tǒng)頂蓋處安裝距離傳感器,當(dāng)檢測(cè)到有人在垃圾桶上方時(shí),自動(dòng)打開上蓋,系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波傳感器,其原理為一個(gè)探頭發(fā)射超聲波,超聲波在傳送過程中遇到障礙物后反射回來由另一個(gè)探頭接收。根據(jù)傳輸距離及超聲波的速度來計(jì)算檢測(cè)的距離。該模塊由四個(gè)管腳組成,其中1、4腳接電源,2、3腳分別為信號(hào)輸入端與信號(hào)輸出端,連接到單片機(jī)I/O口。

2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流較大,因而采用專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

本文采用A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片驅(qū)動(dòng)42步進(jìn)電機(jī)時(shí)只占兩個(gè)I/O口,控制方便,其中6腳為脈沖數(shù)控制引腳,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,8腳為步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制引腳。

3軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程如下:第一次開機(jī)初始化,等待按鍵按下、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間,然后進(jìn)入工作狀態(tài)。上方超聲波傳感器檢測(cè)與障礙物)人手)的距離并與設(shè)定的下限值對(duì)比,若距離小于下限則控制上蓋舵機(jī)打開上蓋,延時(shí)5S后關(guān)閉上蓋;系統(tǒng)在工作過程中,當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí),垃圾桶自動(dòng)打包并將垃圾推出,完成打包步驟;同時(shí),檢測(cè)藍(lán)牙模塊是否收到信號(hào),若收到信號(hào)則進(jìn)入移動(dòng)模式,處理上位機(jī)發(fā)送的移動(dòng)指令及打包指令。

4結(jié)語

經(jīng)調(diào)試,系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行,能夠完成定時(shí)打包并推出垃圾的功能,同時(shí)可以通過手機(jī)APP控制垃圾桶進(jìn)行移動(dòng),符合一些垃圾桶需要移動(dòng)的場(chǎng)合的應(yīng)用需求。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中還存在一定的不足,例如若能通過GPS定位或圖像處理來識(shí)別家門口的位置,就可定時(shí)定點(diǎn)進(jìn)行打包并推出垃圾,使得系統(tǒng)更加智能化。