一種智能社區(qū)垃圾桶壓縮系統(tǒng)的設(shè)計

引言

垃圾桶作為一種常見的垃圾容納工具,在家庭、酒店和社區(qū)等場合應(yīng)用廣泛。隨著時代的進(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)代人類生活的迫切需要,設(shè)計一種智能社區(qū)垃圾桶自動壓縮系統(tǒng),將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、壓縮板計算校核和單片機(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。

1智能垃圾桶的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

由傾斜機(jī)構(gòu)和垃圾桶本身組成了一個四連桿機(jī)構(gòu),其運動簡圖如圖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BC為傾斜機(jī)構(gòu)長桿,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,可移動四連桿機(jī)構(gòu)由上下移動桿、短桿、長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,短桿與長桿所組成的a會逐漸變大,使垃圾桶傾斜。

1.2壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計

壓縮機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖5所示。NⅣ為絲桿,O為壓縮板,壓縮板相當(dāng)于一個滑塊在絲桿上做直線運動。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)為原動力,將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。

1.3升降機(jī)構(gòu)設(shè)計

升降機(jī)構(gòu)運動簡圖與壓縮機(jī)構(gòu)運動簡圖類似,其升降機(jī)構(gòu)都是由齒輪齒條來實現(xiàn)運動過程的。

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傾卸垃圾,按下上升按鈕,大功率直流電機(jī)帶動齒輪同步轉(zhuǎn)動,齒輪轉(zhuǎn)動使與之嚙合的齒條上升,齒條兩端固定在上、下兩根移動桿上,垃圾桶底部和下移動桿連接,桶身上部則由傾斜機(jī)構(gòu)連接到上移動桿,齒條上升帶動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)動即可。

升降機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、上/下移動桿、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)齒輪齒條相對運動時,實質(zhì)上是讓齒條產(chǎn)生位移量。

2壓縮板計算校核

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,主要受到絲桿對其產(chǎn)生的力,壓縮板上下移動,將其簡化為一端固定、一端可移動的簡支梁模型來分析,如圖6所示。

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

根據(jù)平衡方程8N=0,對點B進(jìn)行分析,ΣNB=0,即：

解得：

對A點進(jìn)行分析,ΣNA=0,即：

解得：

以壓縮板左端A點為原點坐標(biāo),直線AB為x軸,過A點垂直于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時左右兩邊相等,當(dāng)m無限接近于0和200時,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:從彎矩方程來看,彎矩的大小不僅與m有關(guān),還與截面距離點A的長度x有關(guān),結(jié)合彎矩圖可以看出,無論x取何值,彎矩最大處總是與參數(shù)m的值即F的受力點有關(guān)。當(dāng)m=100時,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)作為整個系統(tǒng)的核心,控制垃圾桶的各項功能,使其獨立準(zhǔn)確地完成各項工作。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Io端口,用組名加上數(shù)字命名,從數(shù)字0開始,分別是PA0、PA1、…、PA7,其引腳圖如圖9所示,每個引腳都具有復(fù)用功能,編寫程序時應(yīng)對3個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)動機(jī)械結(jié)構(gòu),而單片機(jī)的Io口無法直接驅(qū)動電機(jī),采用L298N專用電機(jī)驅(qū)動芯片,其不僅可同時驅(qū)動兩個兩相電機(jī),還可驅(qū)動一個四相電機(jī)。采用PwM調(diào)速的方法對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為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

智能社區(qū)壓縮垃圾桶桶蓋由紅外感應(yīng)控制,不用時關(guān)閉,能有效抑制垃圾散發(fā)氣味,防止其他動物亂翻垃圾桶,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)通過其他傳感器的檢測,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)模塊會在垃圾桶滿后自動發(fā)短信到手持終端上,提醒人及時處理,節(jié)約資源。該設(shè)計適用于不同工況的公共區(qū)域,其獨特的智能壓縮系統(tǒng)大大提升了垃圾桶的利用率及工作效率,具有良好的市場前景和利用價值。