引言

垃圾桶作為一種常見(jiàn)的垃圾容納工具,在家庭、酒店和社區(qū)等場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。隨著時(shí)代的進(jìn)步,人們生活水平不斷提高,垃圾桶形式及用途也不斷更新發(fā)展,提高垃圾桶內(nèi)的有效利用空間成為現(xiàn)代人類(lèi)生活的迫切需要,設(shè)計(jì)一種智能社區(qū)垃圾桶自動(dòng)壓縮系統(tǒng),將產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓縮板計(jì)算校核和單片機(jī)控制系統(tǒng)等三方面介紹智能社區(qū)垃圾桶壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1智能垃圾桶的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能垃圾桶的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括傾斜機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)等三部分,機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和上升狀態(tài)分別如圖1、圖2所示。

1.1傾斜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由傾斜機(jī)構(gòu)和垃圾桶本身組成了一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。DE為固定結(jié)構(gòu),保持水平,AB為傾斜機(jī)構(gòu)短桿,而B(niǎo)C為傾斜機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿,CD為垃圾桶。傾斜機(jī)構(gòu)ABC初始角度a保持在409,在上升期間,由于地球引力,傾斜機(jī)構(gòu)A'B'C'所組成的角度a逐漸變大,直至a=a'=1809,即ZABC=1809,短桿與長(zhǎng)桿重合成為一條直線。AE代表升降機(jī)構(gòu)中的齒條,跟隨垃圾桶升降。

傾斜機(jī)構(gòu)如圖4所示,可移動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)由上下移動(dòng)桿、短桿、長(zhǎng)桿和垃圾桶組合而成,隨著垃圾桶升起,由于垃圾桶自身和裝入其中的垃圾的重量,短桿與長(zhǎng)桿所組成的a會(huì)逐漸變大,使垃圾桶傾斜。

1.2壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。NⅣ為絲桿,O為壓縮板,壓縮板相當(dāng)于一個(gè)滑塊在絲桿上做直線運(yùn)動(dòng)。壓縮機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、絲桿、支撐桿、壓縮板和軸承座構(gòu)成,采用雙電機(jī)為原動(dòng)力,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。

1.3升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖與壓縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖類(lèi)似,其升降機(jī)構(gòu)都是由齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的。

垃圾桶傾卸垃圾前需升高到一定高度,這就需要用到升降機(jī)構(gòu)。垃圾桶滿后工作人員來(lái)傾卸垃圾,按下上升按鈕,大功率直流電機(jī)帶動(dòng)齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)使與之嚙合的齒條上升,齒條兩端固定在上、下兩根移動(dòng)桿上,垃圾桶底部和下移動(dòng)桿連接,桶身上部則由傾斜機(jī)構(gòu)連接到上移動(dòng)桿,齒條上升帶動(dòng)垃圾桶整體一起上升。垃圾桶下降也是根據(jù)同樣的原理,按下下降按鈕,只要讓直流電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

升降機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、上/下移動(dòng)桿、固定桿、電機(jī)、齒輪齒條構(gòu)成。固定桿的作用是裝載直流電機(jī),即固定住齒輪高度,當(dāng)齒輪齒條相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),實(shí)質(zhì)上是讓齒條產(chǎn)生位移量。

2壓縮板計(jì)算校核

壓縮板材料為亞克力板,尺寸規(guī)格為230mm×230mm×5mm,在受力計(jì)算校核中將其視為一根橫梁,兩端固定在絲桿上,主要受到絲桿對(duì)其產(chǎn)生的力,壓縮板上下移動(dòng),將其簡(jiǎn)化為一端固定、一端可移動(dòng)的簡(jiǎn)支梁模型來(lái)分析,如圖6所示。

點(diǎn)A和點(diǎn)B分別是壓縮板與兩絲桿的固定位置,其中,AB的長(zhǎng)度為200mm:力F為壓縮板對(duì)垃圾所施加的力,FA和FB是絲桿給予壓縮板的反力,點(diǎn)C是垃圾主要受力的集中點(diǎn),假設(shè)AC長(zhǎng)度為m,F=4N。

根據(jù)平衡方程8N=0,對(duì)點(diǎn)B進(jìn)行分析,ΣNB=0,即：

解得：

對(duì)A點(diǎn)進(jìn)行分析,ΣNA=0,即：

解得：

以壓縮板左端A點(diǎn)為原點(diǎn)坐標(biāo),直線AB為x軸,過(guò)A點(diǎn)垂直于AB建立y軸,建立平面直角坐標(biāo)系,如圖7所示。

根據(jù)剪力和彎矩的計(jì)算方法,如圖8所示,求得這一截面上的Fs和M分別為:

以上兩式為壓縮板在AC段中的剪力方程和彎矩方程。而在BC段剪力方程和彎矩方程為:

Fs在m=100時(shí)左右兩邊相等,當(dāng)m無(wú)限接近于0和200時(shí),剪力達(dá)到最大值,該最大值為4N,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的斷裂疲勞強(qiáng)度:從彎矩方程來(lái)看,彎矩的大小不僅與m有關(guān),還與截面距離點(diǎn)A的長(zhǎng)度x有關(guān),結(jié)合彎矩圖可以看出,無(wú)論x取何值,彎矩最大處總是與參數(shù)m的值即F的受力點(diǎn)有關(guān)。當(dāng)m=100時(shí),彎矩最大為200kN·m,小于壓縮板材料的抗彎強(qiáng)度,因此壓縮板可正常使用。

3單片機(jī)控制系統(tǒng)

采用HT66F70A單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,控制垃圾桶的各項(xiàng)功能,使其獨(dú)立準(zhǔn)確地完成各項(xiàng)工作。HT66F70A是HT66Fx0A系列的其中一款單片機(jī),共有8組Io口,分別命名為PA、PB、…、PH,每組含有8個(gè)Io端口,用組名加上數(shù)字命名,從數(shù)字0開(kāi)始,分別是PA0、PA1、…、PA7,其引腳圖如圖9所示,每個(gè)引腳都具有復(fù)用功能,編寫(xiě)程序時(shí)應(yīng)對(duì)3個(gè)Io口的寄存器和引腳共用寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置。

桶蓋壓縮機(jī)構(gòu)采用電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu),而單片機(jī)的Io口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī),采用L298N專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,其不僅可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)兩相電機(jī),還可驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)。采用PwM調(diào)速的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為1,周期為7,則電機(jī)兩端的平均電壓U=vcc·(1/7)=avcc,其中,a=(1/7)為占空比,vcc為電源電壓,電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例,電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比,因此電機(jī)的速度與占空比成比例,占空比越大,電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。

4結(jié)語(yǔ)

智能社區(qū)壓縮垃圾桶桶蓋由紅外感應(yīng)控制,不用時(shí)關(guān)閉,能有效抑制垃圾散發(fā)氣味,防止其他動(dòng)物亂翻垃圾桶,也有利于里面的壓縮機(jī)構(gòu)安全操作:內(nèi)置壓縮機(jī)構(gòu)通過(guò)其他傳感器的檢測(cè),控制壓縮機(jī)構(gòu)行程,合理利用空間,減少人力、物力的消耗:短信收發(fā)模塊會(huì)在垃圾桶滿后自動(dòng)發(fā)短信到手持終端上,提醒人及時(shí)處理,節(jié)約資源。該設(shè)計(jì)適用于不同工況的公共區(qū)域,其獨(dú)特的智能壓縮系統(tǒng)大大提升了垃圾桶的利用率及工作效率,具有良好的市場(chǎng)前景和利用價(jià)值。