自动垃圾桶感应开盖结构设计与改进

自动垃圾桶感应开盖结构设计与改进毕业论文（设计）论文（设计）题目自动垃圾桶的感应开盖结构设计与改进 试点单位 学生姓名胡鹏飞学号xxxx17机械设计制造及其自动化专业2021届（秋）本科层次（本专科）指导老师姓名张赟专业技术职称湖北广播电视大学印制湖北广播电视大学毕业设计（论文）教师指导记录表省（市、州）电大 教学点 指导教师___张赟 学生姓名胡鹏飞学号xxxxl7专业机械设计制造及其自动化第一次指导指导时间：指导内容：第二次指导指导时间：指导内容：第三次指导指导时间：指导内容：第四次指导指导时间：指导内容：第五次指导指导时间：指导内容：目录一、引言1二、自动垃圾桶的感应开盖结构分析2（一）自动垃圾桶的工作原理2（二）自动垃圾桶的感应开盖结构3（三）自动垃圾桶的功能分析3三、自动垃圾桶的感应开盖结构设计4（一）自动垃圾桶的感应开盖结构设计方案41.垃圾桶的感应方式确定42.机械传动方式确定43.丝杆螺母副的确定6（二）垃圾桶的设计图7四、自动垃圾桶的感应开盖硬件电路设计9（一）硬件电路总体设计9（二）电源电路模块9（三）芯片控制中心模块10（四）信号检测电路模块10（五）控制电路模块11（六）语音电路模块12五、自动垃圾桶的感应开盖软件设计与测试13（一）容量探测程序流程13（二）电机控制程序流程14（三）自动垃圾桶的测试14六、总结15参考文献16摘要本文是针对目前智能垃圾桶的开盖方式的分析以及自动垃圾桶的感应开盖结构设计与改进。主要对红外感应开盖与轻触式感应开盖两种感应开盖的方式的优缺点进行了分析与比较，并最终使用轻触式感应。而且对各种机械传动机构进行了优缺点的分析与比较，最终用丝杆传动作为垃圾桶的机械传动机构。对丝杆螺母副类型的选择上也同样做出了分析。同时，本文重点分析以及研究了制动垃圾桶的感应开盖硬件电路设计，并详细给出了硬件电路的总体设计方案以及各个电路模块的详细设计。最后分析了自动垃圾桶的感应开盖软件设计与测试，分析了容量探测程序流程以及电机控制程序流程，并且分析了自动垃圾桶的性能测试，最终测试结果表明本文设计的自动垃圾桶性能优良，值得在日常生活中进行推广以及使用。关键词：智能垃圾桶；设计；改进一、引言现在市场上已经销售了多种样式的自动化智能垃圾桶，其中包括有：例如利用红外线进行自动控制的自动翻盖的智能垃圾桶、在物联网系统基础上设计的智能垃圾桶以及太阳能智能垃圾桶，还有基于无线WiFi网络的智能垃圾桶等，但是这些垃圾桶都往往体积比较大而且结构复杂，有着不易维修的问题，再加上成本很高一般家庭用不上。本文设计的垃圾桶结构简单，体积小巧适用于普通家庭使用。人们在城市的各个地方都可以看到垃圾桶，作为服务社会以及方便人们使用的物品，垃圾桶的使用情况以及卫生状况等都会反映出我们国家的社会经济发展水平以及国民素质等等。若是垃圾桶得到了充分的使用，不仅可以保证周围的环境整洁还能使得社会风气更加文明和谐。二、自动垃圾桶的感应开盖结构分析（一）自动垃圾桶的工作原理（1）感应式。通常都被称为电子感应垃圾桶，其组成结构包括了红外线传感器、机械传动装置、正反转开关、电动机等。这种开盖方式的基本原理就是通过将红外线传感器感应到的信号通过转换的时候，通过电信号的形式传送到正反转的开关上。然后自动开启电动机的运动，完成机械性的开启和关闭垃圾桶盖的行为。一般将红外线感应的区域范围设置为15cm，当人完成扔垃圾行为的3秒钟后，桶盖会自动关闭。如图1，人们在使用垃圾桶时无需接触到其任何位置，全程都是自动化的，这样一来就减少了人们产生因接触垃圾桶而感染细菌的顾虑。图1感应式程序流程图（2）轻触式。专业名称为轻触式电动垃圾桶，其组成部分包括有：安装在垃圾桶前部下方的感应触摸开关、电动机、机械传动装置等，用脚轻轻触动一下触摸延时开关来控制电机的正反转开关，从而使电机实现正转反转来带动传动机构，做到垃圾桶的自动开盖与关盖。（二）自动垃圾桶的感应开盖结构在以上两种不管是电子感应垃圾桶还是轻触式电动垃圾桶结构中，都是由感应开关，正反转开关，电机以及电源组成，其中感应装置与正反转开关在市场上都有很多类型技术都很成熟。电源更是仅仅需要普通的36v的蓄电池就可以了。电机同样也只要普通的直流电机就行了。但是垃圾桶的开盖与闭合都需要有机械传动装置。从机械传动装置的组成来看，一般是通过各种机械传动机构组成的。从传动机构的类型来看，一般有四杆机构，液压升降机构、齿轮条升降机构以及皮带升降机构等等，一个合适的机械传动机构可以让自动垃圾桶更安全，便捷以及有更低的成本。（三）自动垃圾桶的功能分析这个智能垃圾桶主要的功能有：自动翻盖和闭盖、自动压缩垃圾、语音提示到垃圾、垃圾桶满箱检测以及具有显著地域特色的垃圾桶外形设计。（1） 自动翻闭盖功能。将红外线传感器感应到的信号转换以电信号的形式传送到正反转开关上，然后自动开启电动机的运动，完成机械性的开启和关闭垃圾桶盖的行为。（2） 自动压缩功能。通过在垃圾桶中设置垃圾自动压缩装置，一旦垃圾桶的垃圾占据到一定的面积之后，在自动关盖的时候通过启动垃圾自动压缩装置来将垃圾急性压缩，从而能够加大的节省垃圾桶的空间。（3） 语音提示功能。对自动垃圾桶的程序进行设置，将语音词条存入到存储器中，当运行工作的时候达到语音播报的效果。友好的语言提示不仅可以提醒人们垃圾入桶的行为，还能产生一些趣味性，因此只要设置好合理的且不同的语音提示就会起到很好的效果。三、自动垃圾桶的感应开盖结构设计（一）自动垃圾桶的感应开盖结构设计方案1.垃圾桶的感应方式确定由于现在垃圾桶的使用不够规范，经常会出现垃圾不能及时倒掉造成周边环境污染和细菌滋生，所以当人们在投递垃圾的时候手部会接触到垃圾桶，很可能造成细菌的传播，在春天以及夏天这样传染病频发的季节里，儿童很容易受到细菌的侵害，所以设计出这种自动式的垃圾桶是十分有必要的。感应式的装置，自动开启自动关闭，减少了人们接触到垃圾桶的环节，而且还能有效防止因桶内垃圾清理不及时造成的周边环境污染。从电子感应垃圾桶以及轻触式垃圾桶的优缺点来看，是十分明显的。感应式垃圾桶的最大的优点，就是投放垃圾时，人体与垃圾桶没有任何的接触。这样就可以避免接触垃圾桶上滋生的细菌保持安全卫生。而且是完全可以单手操作相比于传统脚踏式与手动翻盖式垃圾桶很大程度上解放了双手。但是感应式垃圾桶也有着明显的不足之处。首先，本文设计的垃圾桶是更适用于普通家庭使用，所以垃圾桶的高度就不会太高，所以成人要扔垃圾时往往需要弯腰才能让感应器探测到信号，这样会让人觉得不方便。其次，作为家用垃圾桶就不能有太多不必要的消耗，但是感应式垃圾桶的红外感应器需要不停的发射红外脉冲信号，这就造成了不必要的浪费。还有更重要的一点，感应式垃圾桶很容易造成误判，尤其是很多家庭都养宠物的情况下，第一会造成能源浪费，第二，当猫，狗等宠物坐在垃圾桶上时造成误判时会对垃圾桶造成损害。轻触式垃圾桶的优点与缺点也很明显优点是你只要用脚轻轻触碰一下感应器就能实现垃圾桶的开盖与闭合，这样也是很卫生也很方便的，而且不容易有误判现象。感应器平时是处于待机状态没有太多浪费。但是与感应式垃圾桶相比轻触式垃圾桶有一个缺点，就是轻触式垃圾桶必须要触碰感应器，所以当人坐的时候需要伸腿去开盖，这样会有点不方便，而且不能做到单手操作，这也是不足之处。但相比于传统的脚踩式垃圾桶已经是很大的改善了。综上所述，本文最终确定的垃圾桶感应开盖方式为轻触式。机械传动方式确定机械传动方式是自动垃圾桶设计中很重要的一部分，合适的传动方式对垃圾桶十分的重要，哪种方式是合适的就需要分析了。四杆机构。这种传动机构的工作原理是通过利用电动机来进行齿轮的降速,然后再通过电机来带动四杆机构转动，最后来促使垃圾桶开盖。该机构各运动副均为面接触，传动时受到单位面积上的压力较小，在转动的过程中受到的阻力很小，内部零件也不会轻易受到磨损，使用周期变长。而且接触面通常都采用的圆柱面或平面的设计，所以制作起来十分简单，材料也比较优质。但是很大的缺点构件作往复运动时惯性力难平衡，易产生动载荷。而且设计复杂，会导致有很大的体积。最后因为低副间存在间隙会积累误差，效率较低。钢丝绳传动。从钢丝绳传动的原理来看，主要是通过将紧紧绕在槽轮上的绳索与槽轮之间的摩擦力，随后产生传递力来带动机械传动，然后利用电动机来带动蜗杆涡轮减速器的运动，使得滚筒与涡轮能够连接在一起，最后利用滑轮以及钢丝绳共同组成的执行机构来带动垃圾桶桶盖的移动。该传动机构最大的优点就是噪音较低，成本较低。但缺点也很明显虽然生产制作很方便，但是易拉伸，为了保证准确就需要经常的调整，而且安全系统设计较烦，这样不仅不能保证安全可靠性，还提高了成本，不适合家庭使用。丝杆传动。在这种传动方式中，主要是通过圆锥齿轮传动的方式来带动丝杆进行旋转运动，从而使得螺母能移动，最终提升垃圾桶桶盖。这种丝杆传动机构的结构相对来说比较简单，并且占用的空间十分小，同时从工作性能表现来看也比较优秀。与其他传动方式相比，造价相对较较低，同时产生的噪音也很低。液压传动机构。采用液压驱动实现垃圾桶盖的移动，液压传动机构优缺点十分明显，该机构运作平整，噪音低。但是液压系统故障后排除较麻烦，而且液压密封需要一定的技能，如果没有处理好会出现故障，同时液压系统较为庞大不能适用家庭型垃圾桶。齿轮齿条传动机构。这种传统机构主要是通过将电动机轴与齿轮进行连接,然后驱动齿轮条实现移动，最终促进垃圾桶桶盖的移动。该机构最大的优点是传动精确，但是保养维护较困难，而且齿轮造价高不适合家庭用。链条传动升降机构。通过电动机、链条传动机构实现垃圾桶盖的开启，有良好的导向性和驱动能力，且维护方便。但是制作成本较高，系统要做到安全可靠的运行，需要增加较多的安全措施，更是进一步的增加了成本。还有一点该系统的尺寸较大占用的空间较大。皮带传动升降机构。这种传动机构在传统的过程中，主要是通过电动机以及皮带传动机构来实现垃圾桶桶盖的开启。皮带传动升降机构在工作的过程中运行十分平稳，并且没有噪声，并且能够实现缓冲。在传动机构工作的过程中，如果出现过载的情况，皮带就会在带轮上大华，从而能够防止薄弱零件出现损坏的情况，能够实现安全保护。但是这种传动机构的精确度不高，同时机构比较庞大，维护保养的复杂程度较高。从以上几种传统机构的优缺点对比情况来看，丝杆传动机构的噪音较低，使用寿命比较长，所能够承受的荷载比较大，同时这种传动机构的控制相对来说比较简单。同时所使用的成本较低，十分省时以及省力。一般情况下，四杆机构在升降设备中的应用比较广泛，这样比较适合用于垃圾桶盖的传动机构中。丝杆螺母副的确定滚珠丝杆螺母副的主要作用是将回转运动转化成为直线运动。这样一种新型的传动装置是一种十分特殊的丝杆副，在其组成结构中，主要包括以滚珠作为中间元件，将螺母与丝杆连接成为一个整体。从螺旋滚道的构成来看，主要是由螺母以及四赶上的螺旋状凹槽装在一起的。一般情况下，螺母上有很多滚珠回路凹槽，这些凹槽可以连接螺旋轨道的首尾，最终星湖曾封闭的循环滚道，然后在滚道内装满滚珠。这种机构的工作原理是当丝杆处于旋转运动时，滚珠在滚道内可以进行自转，同时还能够沿着滚道进行循环转动，从而使得螺母或者丝杆呈轴线移动。一般情况下，丝杆螺母有内循环以及外循环这样两种循环方式。在循环的过程中，滚珠与丝杆不直接接触的是外循环，而滚珠与丝杆一直接触的是内循环。从外循环滚珠丝杆的原理来看，主要是通过螺旋凹槽或者插管在螺母外面，然后需要滚珠脱离丝杆，最后返回螺母中进行重新循环。与内循环相比，外循环的制造以及加工工艺更加复杂，同时很难实现滚道接缝外的平滑性，这样会影响滚珠滚道的平稳性。从内循环滚珠丝杆的原理来看，主要是通过安装在螺母内部的反向器来实现滚珠循环的，在循环的过程中，滚珠与丝杆是不会脱离的。在国内内循环是主流的循环方式，它的制作和设计工艺成熟，质量十分稳定，而且维修很方便。综上本文选用内循环滚珠螺母副作为本文丝杆机构的动能转换装置。（二）垃圾桶的设计图1-丝杠；回珠管；滚珠；螺母图2内循环滚珠螺母副图3圆锥齿轮1-外壳；顶盖；连接杆；丝杠；圆锥齿轮；电机；电源；正反转开关；触摸感应开关图4整体简图当电动机经过减速器的作用实现减速时，减速器的输出轴会与转盘进行交接，然后转盘会在边缘的地方与连杆的一端进行铰接而连杆的另一端年会于制动杆的下端进行铰接，制动杆的上端会与拉杆的下端进行铰接，然后拉杆的上端会与盖子进行铰接。在这种情况下，智能垃圾桶的机械传动机制被置于桶身的背侧，同时桶身会与盖子进行铰接，在内部还有推拉式的内箱。当垃圾桶感应到有人靠近时，会触发电路，随后电动机会随之进行运作，并且带动转盘的运动，转盘会带动连杆转动到最低点，然后直动杆在向下运动之后会通过拉杆将盖子拉开，最后盖子在打开的过程中会将通过顶杆将压板拉起来在这时候通过延时电力来进行控制，然后垃圾桶会保持开盖的状态，然后方面丢入垃圾。当人离开之后，会再一次的触发电路，然后转盘会带动连杆转动到最高点。盖子闭合，压板可对垃圾进行压缩，电路运行终止，若此时若垃圾对压板作用力超过传感器预设值，则触发语言电路进行语音提示。当垃圾桶装垃圾已到达规定容量，可手动将内箱拉出，倒完垃圾后放回即可。四、自动垃圾桶的感应开盖硬件电路设计（一）硬件电路总体设计硬件电路部份包括：电源电路模块Mod_l；xxxxE芯片控制中心模块Mod_2；信号检测电路模块Mod_3；控制电路模块与语音电路模块Mod_4。分别说明如下：Mod_1模块：这个电源电路模块会通过单片机xxxxE实现供电的功能。Mod_2模块：通过使用单片机芯片xxxxE来建立基本的输入输出模型，从而实现与信号检测模块的串行通信功能，从而实现基本的控制。Mod_3模块：这个模块的主要功能是通过将各个检测电力局与用电器进行串联，从而实现对外部信号的检测。Mod_4模块：这个模块是通过电磁铁来实现对垃圾桶桶盖的打开以及关闭。在语音电路模块中，主要是通过编程的方式来实现智能垃圾桶的语音播报功能。（二）电源电路模块在电源电路模块中，主要组成装置有变压器、桥式正路电路、集成器以及电容所。一般家用电器使用的是220v交流电压，在经过变压器降压以及桥式整流电路进行整理之后，然后再通过集成器将电压稳定在5v以内。从而实现为单片机xxxx供电的功能。为了防止电压对电信号的干扰，因此在集成器7085的两端并联接入了电容用来过滤掉多余的电波。电路图如下所示：图5电源模块电路图（三）芯片控制中心模块图6xxxxE单片机引脚功能表工作电压：fSYS=4MHz：2.2V~5.5VfSYS=8MHz：3.3V~5.5VfSYS=12MHz：4.5V~5.5V・13到23个双向输入/输出口•实现输入与输出引脚的外部中断输入•内置晶体和RC振荡驱动电路•看门狗定时器•具有PFD功能，可以用来发声•暂停和唤醒功能可降低功耗•在VDD=5V,系统频率为8MHz时，指令周期为0.5口s在本课题的设计中，主要是使用稳定电源为5v的xxxxE单片机进行供电，工作在8MHz时钟频率。由于采用RISC结构，集成了A/D和PWM功能的优势，使其不仅能够保持高效率的运算速度和性能，而且消耗量少，控制和操作简单，设计的成本不大。（四）信号检测电路模块信号检测电路部分主要分为以下几个模块：（1）轻触式传感器模块①这种探头是以探测人体辐射为目标的。因此，热释电元件对红外辐射十分的敏感。在设计的过程中，为了有效的感应人体的高度，需要在辐射面设置菲泥尔滤光片，从而避免该装置受到外部环境的干扰。在被动的红外探头中一般使用的是两个热释电元件，并且是通过串联或者并联的方式来进行连接。这种热释电元件的电极是通过头尾相连的方式进行连接但是连接的方向是不一致的。但是由于受到外部环境辐射的影响，会产生一样的释电反应，从而能够相互抵消，追踪和功能实现探测器信号的输出。当人们接近探测感应的领域之内时，感应器会在某一个镜面上产生聚焦，并且被热释电元所接收，因此所使用的热释电元接收到的热量也是不相等，所产生的热释电也是不一样的，无法实现全部的抵消。在经过一定的信号处理之后会启动装置中的报警装置。传感器不同的性能要求会使得菲泥尔滤光片产生不一样的感应距离，最终监控的领域范围也是不一样的。监控范围越大，控制的力度也会越大。图7HN911型热释电红外探头内部电路框图如上图所示，在一般情况下，①端是输出低电平，②端是输出高电平。当人进入到所监控的范围以内，那么感应装置就会产生聚焦，最终比热释电元浓缩接收，最后产生输出信号。然后信号经过处理之后会输出为控制信号。在这个时候，①端是输出高电平，而，②端是输出低电平。另外，在这个模块的外部可以安装增益调节电位器，实现放大器的增益效果。（五）控制电路模块在这个模块中一般是使用电磁铁来控制垃圾桶盖的开关在本设计中，主要是使用拍合式的电磁铁，具体结构如下图：图8拍合式电磁铁结构图线圈1套在铁心2上，并且将其固定住，只有衔铁3才能运动。有停止圈中的电流才能使电磁的吸力随之消失。在电磁铁通电的时候，所产生的电磁吸力并结合杠杆的原理会使得桶盖自动打开。在停止对电磁铁供电后，就不会再产生电磁吸力，所以这时桶盖在受到重力作用的条件下自动关闭。（六）语音电路模块在语音电路模块中，xxxxO有10个不同的地址输入端，分别为A0〜A9,这个模块的录制能力可以实现1024位，具体的地址空间是0~1023。在不同的地址daunt对应的不同不同的工作模式。从xxxx地址线的用途来看，一个用途是用于工作模式的控制，另外一个用途是分段路放应的起始段地址。在地址端口中，操作是从A0〜A9开始的，如果给A0〜A9赋值的话。而AUXIN是作为辅助出入的工嗯呢该，而VSSD以及VSSA是模拟SP+和SP-的扬声器输出。具体的电路图如下所示：图9语音电路模块五、自动垃圾桶的感应开盖软件设计与测试（一）容量探测程序流程这种设计就是为广大群众提供了较大的便利性，因此为了使其更具智能化标准，设计时采用了超声波测距对垃圾桶内深度进行实时的测量，这样就能及时发现垃圾桶内部可用的空间。如果可装垃圾的容量不到垃圾桶整体容量的三分之一的时候，垃圾桶就会发生更换垃圾袋的提示，实现了用户对垃圾桶智能化管理的功能。由于xxxxE单片机需要利用串口接收来自控制模块的语音识别处理结果，故本设计采用探测距离在2cm~4.5cm，传感器中的US-100超声波测距模块是专门用于测量距离的，然后通过控制单片机来想US-100的超声测距模块的Trig-tx的管脚输入一个10口S以上的高电平，然后向模块外发出8个40KHz的超声波脉冲。模块具有自动检测到回声信号的功能，然后根据测量温度自动调节，从而在Echo端输出一高电平，其持续时间为T,通过其可以测量出距离的长短。（二）电机控制程序流程由于设计需要完成多种不同类型的动作，需要设计的电机数量较多，因为采用了L298N电机驱动芯片方便控制。在操作的过程中，主控芯片xxxxE通过分析由从串口传入的LD3320语音来识别芯片的处理结果字符串，进而判断其条件，完成与之有关的控制动作。1）因为考虑到在系统运动中会与外界产生一定的触碰，造成的系统故障，所以专门设计了延迟执行的动作，然后通过红外传感器使得系统能够智能的避开障碍物。2）因为考虑到在语音识别过程中出现的错误率情况，所以为了提高正确控制的概率，本次设计专门利用到口令进行控制的设计，就是在说出一级口令“启动”后，才可以实现接下来的系统语音控制，这样能够有效的提高系统语音识别的正确率。电机控制程序流程如图10所示。图10电机控制程序流程（三）自动垃圾桶的测试当自动化垃圾桶完成最终的设计后，就开展了对其智能化的检测。在通上电源之后，人们缓缓走进垃圾桶，这个时候垃圾桶就会自动开盖，然后语音提示功能会提醒人们将垃圾桶按类丢进去。在人走了之后，垃圾桶的桶盖就会关闭，如果垃圾桶的垃圾占据到一定的面积之后，垃圾桶的压缩装置就会对垃圾进行压缩。当可利用的容量不到垃圾桶容量的三分之一的时候，就会及时提示用户更换垃圾袋。经过本次的检测之后，很多项目均为良好，实现了基本智能化的水平。该款多功能智能垃圾桶通过机械机构与电路程序的结合完成了五项功能的设计；研究出了一整套电路设计思路；设计出了一整套运动机械结构、曲柄滑块机构、压缩机构、连杆机构；现场测验验证了该智能垃圾桶的各项功能。六、总结本次设计是对针对现有得智能垃圾桶的开盖方式以及自动垃圾桶的感应开盖结构分析与改进。通过分析和对比了红外感应开盖与轻触式感应开盖这两种感应开盖的方式的优缺点，并最终得出结果，轻触式感应是你只要用脚轻轻触碰一下感应器就能实现垃圾桶的开盖与闭合，这样也是很卫生也很方便的，而且不容易有误判现象。与此同时还对