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基于超聲波傳感器的可壓縮式垃圾箱檢測(cè)系統(tǒng)分析

      隨著我國(guó)環(huán)境治理體系的不斷完善和環(huán)境治理能力現(xiàn)代化的不斷推進(jìn),“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念逐漸扎根,國(guó)民追求更高的生活質(zhì)量,新型智慧城市也隨之孕育而生,城市發(fā)展被賦予了新的內(nèi)涵和新的要求[1]。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和OECD公布的我國(guó)垃圾增長(zhǎng)曲線,全國(guó)垃圾年總量即將突破3億噸。垃圾成為破壞城市環(huán)境、降低人們生活質(zhì)量的禍?zhǔn)字。城市垃圾?wèn)題也逐漸引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,垃圾的積累會(huì)造成細(xì)菌和病毒的滋生,對(duì)人們的正常生活有著不可忽視的威脅[2]。

      隨著我國(guó)城市化快速發(fā)展,解決城市垃圾問(wèn)題成了重中之重的任務(wù),想要?jiǎng)?chuàng)造出和諧美好的城市環(huán)境,改革垃圾箱是關(guān)鍵的一步,傳統(tǒng)的垃圾箱存在著種種問(wèn)題,導(dǎo)致資源負(fù)載過(guò)大和資源浪費(fèi)的情況。本文提出的垃圾箱控制系統(tǒng),以順應(yīng)時(shí)代發(fā)展為主題,提高人們生活質(zhì)量為目的,通過(guò)手機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)垃圾箱定位、垃圾箱容量檢測(cè)、垃圾箱內(nèi)垃圾壓縮和垃圾箱已滿提醒等功能。

      可壓縮式垃圾箱的發(fā)明和研究對(duì)創(chuàng)造和諧美好的城市環(huán)境、推動(dòng)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。與傳統(tǒng)垃圾箱比較,可壓縮式垃圾箱利用先進(jìn)的集成電路、傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾的智能壓縮,能夠快速、科學(xué)、及時(shí)地壓縮垃圾,與現(xiàn)代社會(huì)垃圾的產(chǎn)生效率較為匹配[3]。在人力成本急劇提升的今天,可壓縮式垃圾箱能夠更高效地收集垃 圾,滿可發(fā)送提醒,使環(huán)衛(wèi)工人資源分配更加合理,實(shí)現(xiàn)資源的分配利用[4]。

1 基本概念

      本文中主要用到的技術(shù)為超聲波測(cè)距和壓縮系統(tǒng)裝置。

1.1 超聲波測(cè)距

      超聲波測(cè)距的工作原理是利用超聲波發(fā)射探頭不斷地發(fā)射出聲波信號(hào),遇到障礙物后反射回反射波,接收探頭接收到反射波信號(hào),并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦?hào)[5]。本文利用返回的聲波信號(hào)來(lái)判斷垃圾箱的容量是否達(dá)到所設(shè)置的一個(gè)臨界狀態(tài)。單片機(jī)發(fā)出超聲波通過(guò)不斷地檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T,然后求出距離S=C×T/2,式子中的C為超聲波在空氣介質(zhì)中的波速。

本次設(shè)計(jì)是由控制定時(shí)器產(chǎn)生超聲波脈沖并啟動(dòng)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí),將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波信號(hào)。通過(guò)計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間差,從而得到實(shí)測(cè)距離,并用液晶顯示器顯示距離,從而達(dá)到測(cè)量距離的目的,當(dāng)距離小于接收信號(hào)時(shí),電路工作發(fā)出可以壓縮的信號(hào),傳遞給壓縮系統(tǒng),完成本文目的。

1.2 壓縮系統(tǒng)
      壓縮系統(tǒng)裝置通過(guò)接收超聲波測(cè)距系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào),對(duì)垃圾箱內(nèi)的垃圾進(jìn)行壓縮處理,以提高垃圾箱的空間利用率。壓縮系統(tǒng)采用連桿機(jī)構(gòu),通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力進(jìn)行分析,進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度變形分析達(dá)到本文所設(shè)計(jì)的目標(biāo)[6]。通過(guò)連接超聲波傳感器檢測(cè)垃圾桶內(nèi)垃圾高度,獲取反饋信號(hào),進(jìn)而控制電動(dòng)伸縮桿來(lái)回運(yùn)動(dòng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓縮板對(duì)垃圾體積的壓縮。

     本文壓縮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是為了節(jié)省空間,壓縮面積大,采用可控制電動(dòng)伸縮桿來(lái)進(jìn)行壓縮垃圾的工作。對(duì)伸縮機(jī)的具體要求為:

1)電機(jī)提供能量。
2)最終運(yùn)動(dòng)形式呈現(xiàn)出垂直方向上的直線運(yùn)動(dòng)。
3)轉(zhuǎn)換的直線運(yùn)動(dòng)要?jiǎng)蛩,速度不宜過(guò)大。
4)總體結(jié)構(gòu)在停止壓縮時(shí),占用空間要小[7]。
2 可壓縮式垃圾箱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
2.1 垃圾壓縮裝置結(jié)構(gòu)

      垃圾壓縮裝置是可壓縮式垃圾箱的執(zhí)行裝置,接收超聲波傳感器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行反饋,從而對(duì)垃圾箱內(nèi)物體進(jìn)行一定程度上的壓縮,主要的裝置結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)框架、感應(yīng)系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)[8]。

      結(jié)構(gòu)框架中,本文采用了一根立柱作為超聲波傳感器與壓縮裝置傳感器的渠道,內(nèi)含線路進(jìn)行信息傳遞;在垃圾箱頂部,采用一塊幾乎等同垃圾箱口面積的壓料板作為壓縮垃圾的壓縮板來(lái)進(jìn)行壓縮垃圾,具體的壓縮長(zhǎng)度視不同的垃圾箱型號(hào)所定。

      裝置的接收系統(tǒng)采用機(jī)器語(yǔ)言,接收傳感器傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行編譯,然后反饋給壓縮系統(tǒng),達(dá)到本文壓縮垃圾節(jié)省空間的目的。本文初步設(shè)計(jì)壓縮機(jī)能夠達(dá)到75 kN的巨大壓力,能夠應(yīng)付大部分可壓縮的垃圾并且不會(huì)對(duì)垃圾箱造成損壞,如圖1所示,在垃圾箱的底部添加感應(yīng)裝置,在達(dá)到垃圾箱的承重點(diǎn)時(shí)立刻停止壓縮,并呼叫環(huán)衛(wèi)工人對(duì)垃圾箱進(jìn)行清理檢查。

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圖1 可壓縮式智能垃圾箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.2 超聲波測(cè)距傳感器結(jié)構(gòu)

      可壓縮式垃圾箱融入了超聲波測(cè)距感應(yīng)裝置。超聲波測(cè)距裝置安放在垃圾箱的立桿處,保證垃圾箱在未達(dá)到75%容量時(shí),超聲波傳回來(lái)的信號(hào)時(shí)間是一致的。

      一旦時(shí)間發(fā)生變化,即可檢測(cè)出垃圾箱容量已經(jīng)超過(guò)75%,需要向壓縮系統(tǒng)發(fā)出信號(hào),電機(jī)下拉壓縮板壓縮到垃圾箱容量的50%;當(dāng)垃圾箱達(dá)到90%容量時(shí),再次啟動(dòng)電機(jī),壓縮至75%。

      由于超聲波測(cè)距模塊較為簡(jiǎn)單,因此在實(shí)施的過(guò)程中較為方便。如圖2所示,此外超聲波模塊采用C++語(yǔ)言程序進(jìn)行編寫,利用51單片機(jī)進(jìn)行程序的實(shí)施

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圖2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的構(gòu)成

3 微信小程序的設(shè)計(jì)
      新型垃圾箱小程序的主要功能包括:識(shí)別垃圾箱型號(hào)、垃圾箱投放地點(diǎn)顯示、垃圾箱動(dòng)態(tài)容量檢測(cè)、壓縮垃圾的執(zhí)行請(qǐng)求、垃圾箱其他數(shù)據(jù)顯示。

      用戶啟動(dòng)小程序后,即可進(jìn)入主頁(yè)面,該頁(yè)面有識(shí)別和容量?jī)蓚(gè)界面選擇。

      在識(shí)別的界面中,用戶可以輸入垃圾箱型號(hào)或自動(dòng)識(shí)別查詢?cè)O(shè)備信息。如圖3所示,點(diǎn)擊垃圾箱型號(hào)大全,可了解不同型號(hào)垃圾箱的詳細(xì)資料。

      在容量界面中,有“垃圾滿了先壓縮”的提示語(yǔ),下方可輸入垃圾箱的編號(hào),如圖4所示。

1)點(diǎn)擊定位,查看垃圾箱的投放地點(diǎn)。

2)點(diǎn)擊箱體,顯示垃圾箱內(nèi)部的容量數(shù)據(jù)。
3)點(diǎn)擊壓縮垃圾,便能執(zhí)行壓縮命令,增大垃圾箱的容量。
4)點(diǎn)擊數(shù)據(jù),便能檢測(cè)到超聲波傳感器、壓縮結(jié)構(gòu)、藍(lán)牙模塊、歷史清理垃圾箱次數(shù)等的數(shù)據(jù)信息。

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圖3 識(shí)別界面                                    圖4 容量界面
4 檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試
      在社區(qū)投放可壓縮式垃圾箱,通過(guò)投放時(shí)間的增長(zhǎng)、垃圾數(shù)量的增多,測(cè)定不同時(shí)間段的可壓縮式垃圾箱的容量,測(cè)得結(jié)果如表1所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試結(jié)果可知,超聲波測(cè)距感應(yīng)裝置系統(tǒng)中獲取的垃圾箱容量測(cè)量數(shù)據(jù)與垃圾箱實(shí)際儲(chǔ)存量據(jù)的誤差在合理范圍內(nèi),滿足實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的需求。

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表1 新型垃圾箱1號(hào)試投放的測(cè)試數(shù)據(jù)
5 結(jié)語(yǔ)
      本文提出了一種基于超聲波傳感器的可壓縮式垃圾箱容量檢測(cè)系統(tǒng),其目的是讓監(jiān)管人員能夠直接獲取到垃圾箱動(dòng)態(tài)容量數(shù)據(jù),便于執(zhí)行壓縮垃圾的操作。智能垃圾箱采用可壓縮系統(tǒng),超聲波測(cè)距系統(tǒng),是機(jī)、電一體的科技新產(chǎn)品,提高了垃圾箱的利用率,更加人性化的微信小程序讓人們更好地使用智能垃圾箱。在人力成本和智能化逐漸提高的今天,該系統(tǒng)合理分配環(huán)衛(wèi)工人清理垃圾,提高環(huán)衛(wèi)人員的利用率,實(shí)現(xiàn)人員以及公共資源的合理化配置,在一定程度上可壓縮式垃圾箱的設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)垃圾箱的不足,相信可壓縮式垃圾箱能提高城市垃圾處理的效率,進(jìn)一步提高城市服務(wù)水平,從而建設(shè)和諧美麗的城市。

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BNCS超聲波物位計(jì)





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