基于太阳能的智能垃圾分类处理装置*

孙 帅，闫海敬，李国昊，张学鹏，刘冰心，张佳美，苏志华

（滨州学院 机电工程学院，山东滨州 256033）

0 引言

本文主要解决垃圾分类问题，国内垃圾分类投放仍缺乏社会氛围，大部分居民还不能进行“大类粗放”式的分类投放。应采取一些合理有效的措施，使其更加符合经济性。国内已有一些关于垃圾分类的调查研究，其中有很多针对社区生活垃圾分类情况做的调查，也有许多关于生活垃圾分类应如何设置进行的研究。所以，应该提高居民的垃圾分类意识，使垃圾正确分类投放的社会氛围变得更家和谐。

通过市场调研发现，目前的分类垃圾箱不能达到垃圾处理的最终目标，无法满足当今社会的使用需求。本文所设计的装置在当前市场上的垃圾分类系统装置的基础上增加了集弹射分拣、螺旋粉碎、摆锤击碎、活塞压缩、称重收集于一体，通过单片机控制，太阳能供电的智能垃圾分类处理装备，结合了新鲜垃圾处理设备、垃圾制肥设备、垃圾制砖设备、建筑垃圾处理设备、废旧塑料处理设备、负压风选机成套设备等优点。建立对应的机构模型，并在三维建模软件上进行建模仿真，最终进行机器部件的定位和装配，以及实物模型试验验证与调试，将试验后的结果反馈进一步优化设计。本装置所需的动力是通过太阳能板转化而来，节能环保且节省劳动力。

1 总体设计方案

1.1 设计理念

该装置的基本设计理念是智能、环保、节能，可同时高效完成分类、粉碎、压缩等垃圾处理工作，并可广泛应用于人群集中的场合。

1.2 设计原理

当机外垃圾投入机内时，通过传感器检测垃圾的类型，并将信号传给单片机，单片机发出指令给执行机构，如图1 所示，通过传感器识别以及多个传感器的组合运用，实现金属、塑料、玻璃等物品的检测，准确度高达95%。

传感器检测垃圾的类型，并将信号传给单片机，单片机发出指令给执行机构，若为可回收垃圾则传送带正转，否则反转；传送带正传将可回收垃圾送入不同的垃圾处理机构；若为金属垃圾则第二传感器响应，触发丝杆传动机构执行金属压缩功能，实现对金属垃圾的压缩并收集；若为玻璃垃圾则第三传感器响应，触发重力锤来回摆动将其击碎并收集；若为热固性材料塑料垃圾则第四传感器响应，触发粉碎旋刀将其粉碎并收集；传送带反转则将垃圾推离传送带，送入不可回收垃圾箱。

2 机械结构

该装置总体结构如图1所示。

图1 总体结构

2.1 垃圾处理结构

（1）垃圾压缩机构

当垃圾被传送带传送至压缩机构时，传感器检测到后向控制器反馈信息，滚珠丝杠开始正向旋转，带动零部件实现对易拉罐等金属物品的压缩，当压缩完成后，触发触碰开关，丝杠反向旋转复位。

（2）垃圾粉碎机构

旋转粉碎器经过简单变形后可变为中心轴支撑周围刀片，通过轴承座进行固定，通过联轴器与动力源相连接实现旋转功能，外圆滚筒与机架相连接，实现了滚刀的相对转动以达到粉碎的效果。

（3）垃圾收集装置

垃圾收集器为垃圾收集装置。系统分为上下两部分，在机体的中间有足够的空隙，通过空隙能保证垃圾的通过并到达垃圾分拣中转站，经过机体下部旋转粉碎器后的垃圾进入称重模块称重，称重后按照系统设定的程序将垃圾中转站中的垃圾运至相应的垃圾收集器中。螺旋状旋转粉碎装置分析智能垃圾分类处理装置通过识别后可以对塑料瓶、纸杯等进行有效粉碎，且螺旋状旋刀可使削碎后的垃圾顺利落入称重分类装置。 通过系统自身形成的闭环控制系统自动运转，参照发达国家的垃圾车，全部采用是自动封闭式、或自动加压式，装入的垃圾可以自动压实。

（4）供电机构

本产品在使用后电量不足的情况下，太阳能电池板可供给电量，通过51单片机与光敏电阻配合，根据太阳的位置不同，利用舵机调节太阳能电池板的角度，使其光照接收面积最大，采用AD 转换，运用光敏电阻对光照强度的感应，通过电阻值变化，并将电阻变化的模拟量转化为数字量，单片机根据返回的数字量来调节太阳能电池板的朝向，使太阳能电池板实时保持最大限度接收光照。可以实现最大限度的光能转化。

提高太阳能发电的消纳和储存将会提高太阳能转换效率。可以参照Yablonovitch 提出了一些新的设计来进一步提升效率迫近理论极限，可以使用solar concentrator，聚焦入射光，对一些材料也适合提升效率。

2.2 控制机构

本产品控制结构分为以下3个部分。

（1）自动压缩控制

本产品采用12 V 电机作为动力来源，运用继电器控制电机的正反转，进而实现活塞的进退，控制系统所使用的继电器为低电平触发，通过单片机的I/O 口输出电平高低来实现对继电开关的控制，进而控制压缩机构。

（2）粉碎中转分离控制

传感器相应引脚与单片机I/O 口相连，通过传感器反馈给单片机电平信号，单片机将信号处理后输出不同的信号进而控制机器运转，构成了此系统的闭环控制，进一步实现了前进后退的压缩等功能，并且进一步提高了分离垃圾精确度。

（3）电机控制

运用继电器来控制电机的正反转，实现垃圾的分拣、压缩、粉碎、中转、收集，所使用的继电器为低电平触发，通过单片机的I/O 口输出电平高低实现对继电器的控制，使控制系统实现命令时更加精确。如图2 所示，3 个分控制系统相互联结，经过阳光照射后，会将信号传递给控制芯片，并且多路控制方式处理，并用电流环方法进行通信传输，编写好的程序单片机与发射端设置好接口后，读取数据，再通过简单地判定，分析收到的指令，从而向电机控制器发送方向和速度，来完成相应的动作。并供各类强弱电标准的输入输出接口的办公多媒体控制系统，使办公环境中各类电器设备可以共享使用并统一控制。

图2 线路机构

3 硬件、软件技术性能测试

3.1 硬件测试

测试内容：（1）电路检测，先检查电路板质量是否合格，连接之后用万用表检测电路有无短路、断路情况；（2）检测继电器开关是否正常工作，包括是否正确连接电路和电线是否完整；（3）按下主电源按键，观察各个传感器是否正常工作，同时，观察各电机是否有转动的变化。

3.2 软件测试

产品整机调试改进，进行产品优化，测试软件调试在Keil 条件下进行，分各个模块结合硬件调试进行。之后再对得出的结果进行分析，利用设计的模型进行仿真测试，再次确定设计方案，按照设计要求购买所有标准件，并对自行设计的零件进行加工制作；对不足之处进行改进和优化。

3.3 关键技术

关键技术包括以下几个方面：（1）多个传感器的组合运用，实现金属、塑料、玻璃等物品的检测，准确度高达95%；（2）螺旋状旋转粉碎装置可以对塑料瓶、纸杯等进行有效粉碎，且螺旋状旋刀可使削碎后的垃圾顺利落入称重分类装置；（3）大扭矩电机带动滚珠丝杠转动，丝杠螺母连接压缩装置可对易拉罐进行有效地压缩。

4 理论设计

4.1 电机输出扭矩理论计算

产品所需直流减速电机有两个。

电机的输出扭矩：

式中：T为电机的输出扭矩；P为电机的功率；n为电机转速。

电机1的功率P=0.015 kW，转速n=50 r/min，则电机1的输出扭矩T=2.865 N·m。

电机2的功率P=0.01 kW，转速n=350 r/min，则电机2的输出扭矩T=0.273 N·m。

4.2 滚珠丝杠的强度校核

扭矩计算如下：

式中：M为丝杠承受的扭矩；τ为丝杠承受的剪切力；W为抗扭断面系数。

丝杠外径D=20 mm，工作时最大扭矩为100 N·m，丝杠杆抗[τ]=60 MPa，则：

丝杠的最大切应力：

综上所述，丝杠满足强度条件，所以此滚轴丝杠可安全使用。

5 外部及内部的材料要求

5.1 外部材料要求

基于太阳能供电的垃圾处理装置的主体框架结构使用30 mm×30 mm×2 mm 的三角铁。通过调查研究决定采用以下两种材作为主体支架：Q235B 型材与Q345B 型材（Q345B 用于制造有较高强度的框架；Q235B 用于制造低强度的框架）。

5.2 内部材料要求

（1）从经济方而考虑，该机的焊接件全部采用普通钢材焊制，其强度完全可以满足工作要求。主体框架与内部机架为主要部件，在其上还要布置轴承座、丝杆、光轴等。鉴于垃圾中水分较多，故内部材料选用应首先考虑耐锈蚀材料。

（2）电动机的选择。电机型号的选择要既能使箱体内部功能实现，又不至于因太大找不到适应的电源。要防止垃圾分拣处理过程中电流过载使电机和传感器一起损坏。

6 结束语

受到我国经济发展水平等相关因素的制约，目前，我国居民的垃圾分类意识依然有欠缺。“社会上缺乏垃圾投放分类的氛围”，这是中国人民大学暑期调研小组的直接感受。在调研人员对于多个小区的抽样调查中，近95%的被调查垃圾桶是混装的。

本设计系统的性能相对于传统意义上的垃圾回收装置有较大的提升，有着独特的预处理和收集装置。并且较市面上的垃圾回收装置具有较小的体积，本系统在数据控制下，系统智能化，装置对垃圾进行自动分拣、粉碎等预处理，并且用机器取代人工，减少后期再次分拣时人力物力的浪费，既节约了生产成本又提高了工作效率。