毕业设计（论文）-多功能绿色环保垃圾箱设计.doc

泰 山 学 院 本 科 毕 业 论 文多功能绿色环保垃圾箱设计所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 申请学士学位所属学科 工学 年 级 学生姓名、学号 指导教师姓名、职称 完 成 日 期 2摘要摘要城市生活垃圾处理的途径有分类收集、焚烧、堆肥以及卫生填埋，但始终以垃圾资源化为目的。垃圾处理的新方法有填埋、发电、制沼气等，但在无害化处理之前，必须对垃圾进行分类回收，考虑到垃圾桶样式和结构单一，限制了垃圾箱的分类回收功能，因此，集多种功能于一体的垃圾箱对垃圾分类回收有重要作用。本文从垃圾桶的结构和功能出发，利用UG软件对垃圾箱整体结构设计。功能上,从恶臭气味处理、蚊蝇杀灭、智能翻盖、满箱报警提示等方面进行多功能垃圾桶的设计，使垃圾桶不仅能满足收集垃圾的功能，而且能起到美化环境的作用，力求达到人性化的效果。关键词：垃圾箱，多功能，环保，设计 IAbstractABSTRACTThe disposal pathways of city life garbage are classified collection, incineration, composting and landfill, but always with the purpose of waste of resources. Although garbage sanitary landfill, garbage power generation, garbage producing biogas technology for waste treatment and opens up a new way. Before the garbage harmless treatment, the first key problem is to solve the classification of garbage collection and recycling Because of single structure style, it can not play classification and recovery function, so multi-function design of the environmental garbage plays an important role in trash classification recycling.This paper mainly described the structure and function of garbage, Using UG software to design whole structure of dustbin. From the function of odor treatment, mosquito and fly killing, flip intelligent, voice prompt and other aspects of multifunctional to design, make the trash can not only meet the function of the trash collection and can play the role of beautification environment, strive to achieve the effect of human nature.Keywords: dustbin, multi-functional, environmental protection, designIIII目录目录1 引言11.1选题的依据及意义11.2 我国垃圾处理现状21.3垃圾处理建议32 智能翻盖设计42.1智能翻盖的意义42.1.1智能开启42.1.2密封性处理52.2智能翻盖功能简介52.2.1研究内容52.2.2硬件数据选择52.2.3设计原理52.2.4设计思路63.1问题简述83.1.1垃圾箱内卫生现状83.1.2传统灭杀细菌蚊蝇与超声波杀菌比较83.2 超声波杀菌的原理与结构93.2.1超声波简介93.2.2超声波杀菌原理93.2.3超声波雾化原理93.3超声波杀菌器的结构和参数103.3.1声强103.3.2频率103.3.3波形103.3.4杀菌时间103.4超声波发生器设计113.4.1.超声波发生器选择113.4.2振荡器选用133.4.3放大器选用133.4.4匹配电路选用133.4.5换能器选择设计133.4.6药液箱的设计134.1问题简述144.1.1垃圾渗沥液的特点144.2.2垃圾渗沥液的预处理技术144.2活性炭的概述144.2.1活性炭简述144.2.2活性炭处理废水的优缺点154.2.3活性炭的吸附原理164.2.4影响活性炭吸附的因素164.3活性炭在垃圾箱中的应用164.3.1渗沥液处理方法选择164.3.2活性炭过滤器设计174.3.3结语175.1设计思路185.2垃圾监测电路设计195.3测物脉冲波的产生与接受205.4报警部分设计216.1太阳能供电系统设计236.2太阳能发电设备236.3控制器236.4逆变器设计246.5变压电路设计256.6稳压电路设计257.1 垃圾桶外壁的材料选择267.2 垃圾桶内壁的材料选择278.1垃圾桶整体外观278.2 垃圾桶桶体尺寸的确定298.2.1垃圾桶的形状298.2.2与垃圾箱有关的人体尺寸298.2.3垃圾桶的尺寸308.3垃圾桶的颜色329.1智能翻盖339.1.1凸轮机构339.1.2逆平行四杆机构359.1.3平行四杆机构35参考文献37致谢3837泰山学院本科毕业论文1 引言社区即是公共场所，又不同于一般的公共场所，它是人们饮食起居的一个大的家庭。一般的公共场所，垃圾桶所收容的垃圾多半为饮料瓶和一些纸类等固体物品，比较容易分类和回收。但在有的小区中，社区垃圾桶设计显然没有考虑到地域性的特点，在社区内安放的是一般公共场所所用的垃圾桶。由于生活垃圾种类的多样性，以及如何分类，除臭除蚊蝇等问题的欠缺，就容易产生诸多的问题。秉承以人为本的理念，方便人们的生活，同时又要环保节能，需要设计新型垃圾箱。1.1选题的依据及意义 目前，随着我国人口的不断增长和人民生活水平的提高，城市生活垃圾每年以5%10%的速度增长，这对城市的发展和人们的生活环境造成了很大的影响1。据报道，我国历年垃圾的堆积量达60多亿吨，占用的土地面积超过5亿平方米2，仅城市垃圾的年产量约1. 5 亿吨，近200座城市无适合场所堆放垃圾。虽然垃圾卫生填埋、垃圾发电、垃圾制沼气等技术为垃圾处理开辟了新途径，但在垃圾无害化处理之前，首要解决的问题是垃圾的分类收集和回收再利用，以及初步的杀菌消毒3。目前作为存放垃圾的垃圾桶往往留出专门的投物口，这样很容易污染周边环境。此外，工作人员往往需要逐个检查并清理垃圾桶，以防止垃圾溢出。此管理模式效率很低。目前，垃圾桶样式和结构单一化，不能较好地发挥分类回收，蚊蝇滋生、污水四溢、异味难耐等弊端暴露无异，因此设计集多种功能于一身的环保垃桶具有重要意义。 垃圾桶是城市不可分割的一部分, 是城市形象的一个重要组成部分, 设想如果一个城市中的垃圾桶设计不好, 直接影响到一个城市的形象，垃圾桶的作用是回收垃圾, 清洁环境。与周围环境不协调、外观设计粗俗、简陋的垃圾桶, 本身就是一个视觉垃圾。垃圾桶虽小, 却能折射出一个城市对细节的重视程度。比较而言, 很多发达国家垃圾桶的设计, 多采用流线型的外观, 设计新颖, 功能合理, 并注重与周围环境的融合, 对一个城市形象的提升颇有益处。而在国内, 垃圾桶内的垃圾多数成为拾荒者的目标, 拾荒者捡走可以卖钱的垃圾后, 随之也使垃圾桶周围一片狼藉。有些垃圾桶设计与城市形象、周围环境割裂, 垃圾桶成为城市建设中不和的音符, 垃圾桶外观设计效果差完全是丑陋的工业产品, 缺乏艺术气息, 缺乏视觉美感, 垃圾桶旁边成为了城市中最需要清理的卫生死角, 城市环境的整体提高受到阻碍, 影响了城市的整体形象。垃圾桶应该与周围环境融为一体,不应当是简单、机械地摆放到每个角落, 至少在视觉上应该让人感觉是舒服的, 在心理上是愉悦的。垃圾桶外观设计应有一定的艺术欣赏性，同时要与周围环境相协调，在垃圾桶的表面设计宣传保护环境卫生的标语和口号，倡导人们爱护环境、保护环境，同时可以充分利用垃圾桶外壳的广告功能，设计一些广告宣传画等3。 通过查资料,我们获悉，全国约60%以上的城市陷入垃圾围城的困境。仅“城市垃圾”的年产量就近1.5亿吨，这些垃圾绝大部分都处于露天堆放的状况。它不仅影响城市景观，同时也污染大气、水和土壤，对人民健康构成严重威胁。实际上，如果你手上拿着香蕉皮想扔，但一想到脏兮兮的垃圾桶，还要用手打开桶盖，实在是不想靠近的。那么怎么解决这一问题，让垃圾桶变得更具亲和力，就是首先要考虑的问题之一。对于解决垃圾桶这个问题的设计，可以从分类上加以研究。其实，垃圾桶的设计很大程度上是向着垃圾分类化发展的。当今世界，控制人口，节约资源，保护环境，实现经济、社会与人口、资源、环境协调发展，已成共识。像我们这样一个人口众多、能源资源匮乏的国家来说，垃圾真是太宝贵了。垃圾回收再利用可以消灭污染，保护市民健康，创造财富，节约一大批人的就业问题等等。所以说，垃圾是放错了地方的财富。1.2 我国垃圾处理现状 目前，我国城市生活垃圾最主要的处理方式仍然是采用集中堆放填埋，约占全国垃圾处理量的70%以上；其次是高温堆肥，这是我国早期采用的方法，如今约占20%以上；我国垃圾焚烧处理方式史于80年代中期，采用焚烧法处理城市生活垃圾的数量还很少。近年来，我国进行了大量的城市生活垃圾处理研究，并陆续兴建了一批大、中型的城市垃圾处理设施，城市垃圾处理率得到迅速的提高，在一些垃圾热值较高的地区，已经开始采用垃圾余热发电4。 但是，由于资金原因，国内仍然有许多城市采用集中堆放或简易填埋方式处置城市垃圾。并且在填埋时，由于没有很好的压实机械，这些填埋场未达使用年限就填满封场。沿海的许多城市垃圾填埋很难找到合适的场地。另有许多城市因为缺乏资金，无法按标准要求建造填埋场或焚烧设施。有些城市或地区，虽然一次性的建设投资解决了，但长期运行的费用也难以维持，因而也很难达到无害化处理的目标。 可堆腐的有机垃圾是我国城市垃圾中的主要成分之一。将垃圾中的可堆腐有机物进行堆肥处理是提高垃圾再生利用水平的主要途径。通过垃圾的堆肥处理，可显著提高垃圾资源化水平。促使垃圾堆肥处理发展的重要因素是实行垃圾分类收集。例如，厨余垃圾、园林修剪物、果品蔬菜加工残渣、养殖场、屠宰场废弃物等，单独分类收集后用于堆肥，既简化堆肥工艺，降低堆肥成本，又可提高堆肥质量，为打开堆肥市场开创有利条件。 在焚烧方面，我国发展较慢，目前只有少数经济水平较高的城市引进国外设备或部分引进国外设备建设了一些垃圾焚烧厂，并开发了一些小型焚烧炉，但同国外引进的大型炉排炉相比，技术上仍有差距。 我国城市垃圾回收仍然以混合回收为主，采用定点垃圾箱回收，然后集中运至中转站，最后转运至处理厂。可回收的物资和有毒物质混合一起，加大了回收的难度。造成垃圾具有有机物含量高、水分高、热值低和成分复杂。 我国垃圾连年产量增加其实是未能从源头上处理好垃圾的减量化，近年来，商品的包装越来越趋于种类多样化和数量剧增。包装物约占城市垃圾的30%，垃圾中的废纸、废塑料，很大一部分来源于包装。一次性的筷子，一次性水杯，一次性拖鞋更多的消耗了资源，增加了垃圾的产量。1.3垃圾处理建议 实行分类收集，加强废品回收。动员居民在垃圾的源头进行垃圾分类，提高居民环保意识的同时，还保护了环境，降低了回收的成本。建立一个健全的分类回收系统和运输系统，做好回收和利用相结合。针对我国国情，研究适合我国发展的垃圾处理方式。我国垃圾中含水高，热值低，生活垃圾多的特点，设计更加清洁的生产，减少有毒物质的产生。提高我国焚烧技术水平。借鉴国外技术的同时实现中小焚烧设备的国产化。针对不同的地区，因地制宜对垃圾进行处理。具备卫生填埋条件的地区，以填埋为主。缺乏卫生填埋，但垃圾热值高，主要以焚烧为主，余热用于发电供暖等。在条件适宜的地区，可以采用堆肥处理，产生沼气和高温堆肥5。 加强居民的环保意识。目前我国居民的环保意识大大提高，但是不可避免的，还有一些环保意识比较差。环卫部门的信息证实：分类回收上来的垃圾仍然需要重新分拣。居民的垃圾分类意识薄弱，是推进我国卫生事业的主要障碍。据调查，垃圾箱虽贴有“可回收”、“不可回收”和“有毒物质”字样，但是人们仍然视而不见，胡乱扔进去再说。一位青年女子坦言：“垃圾都是一扔了之，没想到还要分类。”一位错扔垃圾的先生说：“分类标志看是看到了，但扔的时候没去多想。因为平时在家垃圾都是混在一块儿扔，早就习惯了！”一位中年妇女说，她所理解的垃圾分类，就是把能够卖钱的废品挑出来，比如废旧报纸、杂志、易拉罐等。不知道为何要分类，哪些垃圾可回收，哪些不可回收。因此，提高居民的环保意识显得尤为重要。2 智能翻盖设计2.1智能翻盖的意义2.1.1智能开启 经调查研究发现，国内外公共场合的垃圾箱是没有盖的，特别是夏天有些时候没有及时清理，垃圾桶里发出刺鼻的气味，污染环境的同时，又让人感觉难受。而有些需要人手触摸打开的垃圾箱，由于直接接触垃圾箱，很不卫生。有些人不愿靠近垃圾箱，直接把垃圾仍在垃圾箱周围，这样不仅造成了环境的污染，还给垃圾的回收带来了一定的麻烦。 因此，研究一种能自动翻盖的垃圾桶显得十分有意义，本课题采用红外感应技术控制垃圾箱自动翻盖6，实现垃圾桶的智能控制，不仅减少了环境的污染，还使得垃圾箱更加人性化。2.1.2密封性处理 在没有感应的时间内垃圾箱是密封的，不会让异味散发出去，同时有隔离了细菌，保护了环境又使空气清新。2.2智能翻盖功能简介2.2.1研究内容 本设计以红外感应技术为核心，利用红外光电开关感应垃圾桶前方是否有人，然后控制电机运作，将垃圾桶箱盖打开，同时为了防止有人经过时的误操作，设置了延迟功能。当人离开感应范围的时，传感器驱动电机模块运作，关闭垃圾桶。2.2.2硬件数据选择 电动机采用步进电机，电压为12V,光电开关的驱动电压都为5V，NPN型。传感器的驱动电压都为5V，NPN型。控制器采用MEGA8，主要用来接受和处理数据。2.2.3设计原理图1自动翻盖装置设计原理图 垃圾桶智能翻盖如图一所示，当人靠近垃圾箱时，智能翻盖核心控制器MEG8A，可以对红外发射和接收的控制，光电开关探测到有物体遮挡时，发出信号给控制器，控制器控制直流电机转动，垃圾箱盖子打开。同样，人离开了，红外信号又传输给控制器，然后再通过软件自动关盖。其程序流程图如图2图2程序流程图2.2.4设计思路总线接上12V电源，蓝线接地时，人接近光电开关感应范围内的时候，1脚输出低电平。当人离开时，1脚输出高电平。图3光电开关电路图 当人走近垃圾桶光电开关感应的范围内，光电开关的1脚输出低电平，图3的1脚和图4的1脚相连，经J1反向后在J1的2脚输出高电平，Q1饱和导通，由于三极管的饱和导通特性知道此时的Uce很小，由公式Ve =U总Uce = 9V，则线圈KM2使图5中KM2-1闭合，KM2-2断开，同时因为J1经过J2再反向一次使得J2的4 脚输出低电平，使三极管Q2截止，Ve=0，从而使线圈KM1通电，从而使图5的KM1-2闭合，KM1-1断开，使电流沿着1方向走一个回合，电机正转。当盖子到顶端时，碰到行程开关SQ2电路断开，电动机停转。没有人时，图1的1为高电平，此时电容为12V的电，当人过来时，不会马上变成低电平，要经过R1放电低于8V时J1才会反向，因此会延时。当离开时，光电开关的1脚输出高电平给电容充电，当到达8V时，经J1反向2脚输出高电平，Q1截止，线圈KM2通电，J2再一次Q2饱和导通，线圈KM1断电，使KM2-1闭合，KM2-2断开，KM1-1闭合，KM1-2断开，从而使电流沿着2方向走一圈，电动机反转，当盖子碰到行程开关SQ1时，电路断开7。图4光电开关控制图图5电动机开闭运行回路图3 蚊蝇、细菌的杀灭3.1问题简述3.1.1垃圾箱内卫生现状 垃圾桶要容纳各种各样的垃圾，特别是是在夏天，果皮、菜皮和剩菜剩饭等在垃圾桶内易腐烂,为细菌病毒提供了生存的环境，垃圾桶就成了名副其实的细菌窝。不仅污染了环境，还会对人的健康产生威胁。因此，及时的杀灭细菌病毒保持垃圾箱的卫生更显得十分重要。3.1.2传统灭杀细菌蚊蝇与超声波杀菌比较 传统的方法主要有高温杀菌化学试剂和紫外线等。显然高温方法不适合垃圾箱，会破坏垃圾箱中的电子元件，化学试剂又会引起有害物质的残留，紫外线杀菌又会存在杀菌不彻底存在死角的缺点8。 超声波杀菌可作为一种有效的杀菌辅助方法，并且该方法已成功应用于废水处理饮用水消毒等等。超声波灭菌的特点是速度快，无外来添加物，对人体无害，对物体无害，但灭菌效果不彻底，主要用来辅助灭菌。3.2 超声波杀菌的原理与结构3.2.1超声波简介 超声波是一种超过人类听力频率范围的声波，一般是指频率大于20kHz的声波，具有频率高、方向性准、穿透能力强等特点，还能引起一系列特殊效应和空化作用9。并且广泛应用于清洗、距离测量、医学等领域。3.2.2超声波杀菌原理超声波杀菌的机理是基于超声生物物理和化学效应。液体中尤为小气泡，由于超声波的振动，声强达到一定的值时，小气泡迅速增长，接着闭合。气泡的闭合会产生冲击波，在气泡周围产生1000pa以上压力和局部高温，这种物理现象称为超声空化。通过雾化器把液态无气味的药物雾化分布到垃圾箱内，然后依靠超声波的空化作用来杀菌，同时又利用药物本身来杀菌。研究表明，在超声波辐射下，有空气的液体中的某些细菌病毒在空化作用下，能使其丧失毒性。在辐射各种细菌的试验中发现，在细菌死亡的同时，发现了细菌的自溶，形态结构也发生了变化。处理过程中，通过扬声器(换能器)把超声波传播，产生纵波，进而产生交替压缩区域，在这些区域中产生小气泡，微型气泡破裂时产生高温高压，使某些细菌死亡，病毒失活。超声波电源，也就是超声波发生器产生高频交流信号，通过换能器利用压电陶瓷所固有超声波振荡特点，通过一定的振荡电路手段与压电陶瓷固有振荡频率产生共振，就能直接将与压电陶瓷接触的液体雾化成1-3m的微小颗粒，直接覆盖在垃圾表面，然后扬声器产生的横波在附在垃圾上的水中通过空化作用杀菌。3.2.3超声波雾化原理 利用压电陶瓷的超声波振荡特点，通过一定的振荡电路与压电陶瓷固有振荡频率产生共振，就能直接将与压电陶瓷接触的液体雾化成微小颗粒。电路的超声波振荡，传到振子表面，使其会产生轴向机械共振，同时再传输到与其接触的液体，使液体表面产生气泡，并在气泡的周围产生空化作用，空化作用产生的冲击波随着振子的振动频率不断反复，使液体表面产生表面张力波。这种张力波的波头飞散，使液体雾化。3.3超声波杀菌器的结构和参数 超声波杀菌器主要由超声波发生器、超声换能器（扬声器）和药液箱组成，其结构如图6。药液箱中是杀菌药物。为了实现超声波的杀菌的最优化，应该考虑到超声波的声强波形频率以及杀菌的时间。3.3.1声强 为了在液体中产生空化作用 ，声强的必要条件是大于空化作用的阙值。据研究调查，起杀菌作用的最低值为1瓦/平方米。声强增大，空化作用增强，杀菌效果增强。但是超过某一界限时，空化气泡可能增大，但是却超出声强的压制反而不能崩溃，反而降低了空化作用。空化作用所使用的声强范围是16瓦/平方米。3.3.2频率 随着超声波在液体中的传播，超声波的空化作用也增强，杀菌效果越好。但是随着频率升高，声波的传播的衰减增强，因此，为了获得同样的杀菌效果，必须要更多的能量。有实验证实，使用400khz的超声波要比使用10khz消耗的功率高10倍。一般选择2050khz的频率。3.3.3波形 超声波波形和连续波形和脉冲波形。连续波形时，可以连续杀菌。脉冲波则是间段的，研究表明使用混合波要比单一波好得多。同样的能量下，混合波可达到更好的杀菌效果。3.3.4杀菌时间杀菌的效果与杀菌时间成正比。但是随着时间的增加，杀菌的效果并没有明显增加，达到一个饱和值。因此杀菌时间一般定在10min左右。图6超声波杀菌器原理图3.4超声波发生器设计3.4.1.超声波发生器选择 超声波发生器也称作超声波电源，它是用来产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。图7超声波发生器原理电路图按工作原理，可以把它分为数电和模电两大类。本设计采用模拟电路，即振荡-放大型超声波发生器，其结构如图8所示，是一个振荡电路放大器，有震荡放大匹配电路和电源组成。 图8振荡-放大型超声波发生器结构图震荡条件：图9中，正反馈时Xi=0，若1端接一频率和幅度一定的正弦波信号Xa，经过放大器和反馈电路所构成的环路输出后，在输出端2得到反馈信号Xf与Xa在大小和相位上都一致，就可以除去外接信号Xa，把1、2两端连接在一起而形成闭环系统，输出端与开环时一样的输入信号，即=。其平衡条件是振幅：AF1相位角：+ =2n n=0,1,2,3。这样接通电源后，振荡器最后可趋于平衡。图9振荡器方框图3.4.2振荡器选用 考虑到振荡器的价格和使用的优越性。选用TL494型号的。将其CT和RT脚接特定元件即可震荡。振荡频率由公式= ()决定。3.4.3放大器选用放大器其作用是将震荡信号调节至所需电平。目前所使用的放大器是晶体管放大器，其特点是体积小、效率高、重量轻。晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。3.4.4匹配电路选用超声波发生器有一个匹配器，区别于其他的放大器。起调谐作用。使用一定的阻抗元件与负载中的频率成谐振。只有阻抗变换和调谐同时进行了调整。整个系统才是达到了匹配，换能器才能正常工作10。3.4.5换能器选择设计目前采用的换能器有两种：磁致伸缩换能器和压电换能器。目前主要采用压电换能器。其特点是材料便宜，声电换能率高，制造简易。电压换能器种类较多，如圆柱形、喇叭形等。超声波杀菌器主要选用喇叭形。一般主要用来声电转换，超声波换能的参数包括共振频率、电声效率、阻抗特性、发射接收灵敏度等等。必须根据具体情况选择不同的换能器11。3.4.6药液箱的设计 药液箱相当于一个加湿器，它是以超声波换能的方法产生高频震动使水面产生雾化，在雾化的过程中产生水雾不断向周围蒸发。药液箱由内箱和外壳组成。内箱的箱底外表粘结超声换能器，箱内盛杀菌液药液箱一般用耐腐蚀的不锈钢板制成。粘有换能器的辐射板所承受的电功率强度一般低于15 Wcm2(用压电换能器时大多数应在051 wcm2之间)。4 渗沥液处理4.1问题简述 我国处理垃圾的主要方式之一是卫生填埋，但是在回收填埋之前，必须要做的就是对垃圾渗沥液进行处理。在垃圾箱中，厌氧发酵有机物分解生活污水等产生多种代谢物质，形成高浓度的有机废水，会对环境造成二次污染，对水土壤大气等都会产生不同程度的污染。因此，在垃圾回收之前，必须对渗沥液进行严格的处理。4.1.1垃圾渗沥液的特点（1）成分复杂。不仅含有耗氧的有机污染物，各类金属和植物营养元素。（2）有机物污染物含量高。有很多很难降解的脂类，萘菲等非氯化芳香族化合物，苯类化合物等等（3）重金属含量大。至少含有十多种金属离子，其中的重金属离子会对生物造成严重的污染。（4）微生物营养元素比例失衡12。4.2.2垃圾渗沥液的预处理技术 由于以上特点，故应该采用适当的处理方式除去氮COD以及重金属，提高其可化性，有助于后续处理。国内外的处理方案有与城市污水合并处理，回罐处理，以及独立的场内完全处理。一般的处理技术有吸附法，厌氧法，吹脱法13，化学混凝沉淀法。本论文主要采用吸附法。在废水处理中，常用的吸附剂有活性炭、沸石、粉煤灰等，其中以活性炭最为常用。吸附处理法主要用于除去水中难降解的有机物金属离子和色度。4.2活性炭的概述4.2.1活性炭简述它是一种经过特殊处理的炭，具有无数细小孔隙，表面积巨大，每克活性炭的表面积大约为500-1500平方米。它是一种非常优良的吸附剂，是利用各种优良木炭作为原料，经过物理化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列加工工序加工而成。由于原料、外观、制造工艺和外形的不同，活性炭有很多种。在生活生产中，活性炭多是制造成粉末状和颗粒状。活性炭的外形如下图10 图10 活性炭的外形4.2.2活性炭处理废水的优缺点活性炭的表面积巨大，有很高的物理吸附和化学吸附功能。因此活性炭吸附法被广泛应用在废水处理中。而且具有效率高，效果好等特点，对绝大多数有机物都有效。采用活性炭对废水的处理，可以对其进行深度处理，容易实现同步消化和硝化，这是由于活性炭上可以形成一层生物膜，其中存在好养区和厌氧区，一旦形成，就有很好的去BOD的作用。当活性炭与微生物联用时，在吸附和微生物氧化分解的作用下去除污渍。活性炭中的有机物和氧气为微生物提供了良好的环境，代谢过程中产生的酶又吸附在活性炭孔中，与活性炭配合，可以是很难降解的物质也可以轻易的分解。此法稳定，处理效果好，提高了微生物对有机物和金属的抗性，改善了处理环境，能用于复杂的环境。虽然活性炭吸附效果很好，但是价格过高，而且缺乏简单有效经济的活性炭再生方法，推广也受到了限制。虽然活性炭价格较贵，但可再生后重复使用，并且使用时的劳动条件较好，操作管理方便。因此在水处理中较多采用颗粒状活性炭14。4.2.3活性炭的吸附原理活性炭是一种很细小的炭粒，有很大的表面积，而且炭粒中还有更细小的孔毛细管，这种毛细管有很强的吸附能力，由于炭粒的表面很大，所以能与杂质充分接触。当这些杂质碰到毛细管吸附，起到净化作用。活性炭吸附是指利用活性炭表面对水中多种物质的吸附作用，已达到净化的作用。同时，活性炭能与多种化学物质结合，从而阻止这些物质的吸收。它具有物理吸附和化学吸附双重特性。可以有选择性的吸附气相液相中的物质。达到脱色消毒除臭和去污的作用。4.2.4影响活性炭吸附的因素 （1）活性炭的颗粒对吸附有影响。一般来说，对于水处理的活性碳要求有比较发达的中孔，按照立体效应，活性炭所能吸附的分子直径大约是孔直径的1/2到1/10。颗粒越小，吸附过滤面积越大，所以粉末状的活性碳面积最大，吸附效果最好。（2）污水的pH值和温度对活性炭的吸附也有影响。活性炭一般在酸性条件下比在碱性条件下有较高的吸附量。吸附反应通常是放热反应，因此温度低对吸附反应有利。（3）接触时间。应保持活性炭与吸附物质有充分的接触时间，使吸附保持平衡。4.3活性炭在垃圾箱中的应用4.3.1渗沥液处理方法选择难降解有机物的处理方法有多种：反渗透法、化学氧化法、吸附法等, 其中, 活性炭吸附已被证明是实用、可靠而又经济的方法。使用活性炭时通常要采用如下必要措施：(1) 预处理。为保证活性炭发挥正常吸附性能，渗沥液中大颗粒物等尽可能减少, 需要预处理。( 2) 选择合适的吸附器。选择吸附器形状, 确定接触时间, 选择适当滤速。(3)确定失效碳的再生方案15。由于其他处理方式在垃圾箱中应用的限制，所以采用活性炭对垃圾箱中渗沥液进行初步处理。主要是用来除去渗沥液中的微量物质，已达到深度净化的目的。而且工程表明，活性炭对某些金属化合物和有机化合物有很强的吸附能力。4.3.2活性炭过滤器设计活性炭颗粒越小，过吸附果越好，因此选用小颗粒粉末状活性炭。但是粉末状的活性炭很容易随水流失，所以不能直接使用活性炭，而是设计一个简易的活性炭过滤器，其结构如图11。在过滤器的上端是一层不锈钢鱼眼网，如图。其作用是把垃圾渗沥液中的大颗粒杂质过滤住。如图12. 再往下是一层4-5厘米的 海绵层，用来阻止更微小的颗粒，同时减缓渗沥液的下流速度。再往下就是活性炭颗粒。最下层是一层3-4厘米的海绵层，用来防止活性炭颗粒随水流走。活性炭使用2-3个月以后，如果吸附效果下降，就应换新的活性炭，海绵层也要定期更换。工作人员每次回收垃圾时都要把滤网过滤的物质倒掉，既保持滤网的清洁，又保持水流的顺畅。图11简易活性炭过滤器 图12不锈钢鱼眼网4.3.3结语据资料表明, Samual Ho 的垃圾渗沥液活性炭吸附试验显示，渗沥液中的COD去除55，色度基本上可以完全去除。难降解的有机物，氯化物都可以降到可以接受的水平。对中间分质量的化合物，有吸附和降解的双重作用 。为了提高经济效益，减少环境污染和降低生产成本，必须对废旧的活性碳进行回收16。活性炭吸附技术在废水方面有其独到的优点。国内外实践证明,活性炭再生方法的经济性成为制约该法在环境工程领域更加广泛应用的主要瓶颈。因此,如何选择经济有效的再生方法成为使用活性炭吸附技术的关键所在。活性炭的再生是通过物理或化学方法在不破坏原有结构的前提下，去除吸附在活性炭孔隙的物质，恢复其吸附性能。根据再生活性炭的大量研究，国内外学者提出了各种活性炭再生技术，如加热再生方法，湿式氧化再生，溶剂再生法，电化学再生法，超临界流体的再生方法，微波辐射再生方法。这些方法各有其特点和使用范围，应根据实际使用的对象的选择。到目前，国内尚无完善的处理渗沥液的处理工艺。对渗沥液的处理方案以及技术应从长远考虑，因此在垃圾回收之前就应该对渗沥液进行初步处理。深度处理时，必须详细测定渗沥液的各种成分，分析其特点，采取相应措施。5 箱满报警系统5.1设计思路垃圾箱的容积有一个限度，如果超标了不能及时的清理，不仅会造成生活得不方便，还会对垃圾箱的寿命产生影响，减少了使用寿命。为了更好的利用垃圾箱，设计了一个垃圾监测系统与显示系统即：当垃圾超出垃圾箱内筒一定范围时报报警统便会起作用。垃圾监测就是利用红外线探测障碍物的原理：在测量的范围内，主动向探测方发射红外线，如果有障碍物，就会把发射的信号反给发射端。在发射端，若有感应信号，就说明有物体存在17。实际工作中，红外干扰较多，而且人为的因素也有。不论垃圾箱满或者不满，倒垃圾时，红外线都会感应到，很容易出现误操作，出现误报警。因此可以改进为：由单片机发射红外编码脉冲，同时单片机接收此脉冲，只有当发射和接收的脉冲基本一致时，才可以判断垃圾箱是否装满。探测垃圾箱是否满箱的原理图如图13图13 探测垃圾原理图5.2垃圾监测电路设计此电路使用EM78P156E单片机，红外发射管是MIE552A2，红外接收头是NB0038，电路如图14所示。图14 红外探测垃圾原理电路图当有垃圾时，单片机U1让U2红外接收头 NB0038接通电源。在发射电路中，D2是红外发射管，U1的P51引脚输出编码脉冲， Q2控制D2发射红外线。NB0038是红外接收的一体化接收头，把独立的PIN二极管同前置放大器集成在一起。NB0038内部结构如下图。图15 NB0038内部结构图5.3测物脉冲波的产生与接受EM78P156E单片机的工作频率是4 MHz，载波脉冲采用26us，高电位是10us，低电位是16 us，占空比是38.5%。在产生脉冲波时，要检测是否有反射信号。用单片机低电位的16 us时间内判断接收引脚是否存在相应的反射信号。（1）编码“1”脉冲产生和接收信号。当有红外信号进入接收头时，U2的输出端出现高电位，并送到U1的P67引脚。第一，红外发射控制P51=1,发射红外信号，时间是10us。第二，重置P51=0,停止发射红外信号，保持时间是16us。（2）判断是否存在反射信号“1”在发射到第7、9、11和13四个载波脉冲时，假若P521，则表明存在反射信号；反之P520，则认为无反射信号。在这4次判断过程中，如果有3次以上判断为存在反射信号，则确认接收到反射的“1”18。图16 实现的软件流程5.4报警部分设计当单片机接收到信号时，输出电压信号，经过信号处理输出到报警电路，从而实现报警功能。图17报警模块图对于报警系统，可以用一只蜂鸣器来实现这一功能。可以选用压电式蜂鸣器，其驱动电流大约是10mA,用一个驱动电路图来实现驱动控制。驱动电路图如下图18。图18报警系统电路图蜂鸣器在三极管VT1的集电极端作为负载，VT1导通，蜂鸣器发出声音，VT1截止，蜂鸣器不响。蜂鸣器电路连接在单片机P0.0接口。单片机P0口的P0.0接VT1的基极，其引脚作输出端。由图可知，当P0.0=1时，VT1截止则蜂鸣器不响，此时两引脚电压几乎为0。P0.0=0时，VT1导通则蜂鸣器响，此时两引脚电压为12V。在此系统中，P1.0接继电器常开触点，正端为+12V电压。其常闭触点接绿灯，当垃圾没有填满垃圾箱时，没有到达红外线感应时，绿灯亮；当垃圾箱垃圾满时，通过感应信号“1”脉冲信号传给单片机，然后信号处理系统电阻下降，电位器两端电压升高，使继电器线圈得电，常闭按钮断开，常开按钮闭合，绿灯熄灭。由图知道，P1.0接的是常开按钮，闭合时，P1.0接收一个低电平信号， P0.0由“1”变为“0”电路导通蜂鸣器鸣叫报警19。6 供电电路设计对于一个电子系统来说，供电系统必不可少，从环保和节能的角度出发，本设计的所有电源都是太阳能电池组提供。6.1太阳能供电系统设计太阳能供电系统主要包括太阳能电池板、铅酸蓄电池、稳压电路、控制器和逆变器。考虑到电子系统为降低运行成本，一般都使用220V交流供电，但是电子设备内部使用的都是稳恒直流电，因此，需要将交流电变换成直流电。本设计使用逆变器直流变换为交流，利用变压器将220V的交流电变成24V的交流电，在通过整流电路整流输给后续电路20。6.2太阳能发电设备太阳能电池板采用发电效率高的单晶硅、4平方米10块电池板、总电量为1000安时的蓄电池。6.3控制器充放电设备是整个太阳能发电系统的关键。良好的充放电控制可以有效地防止蓄电池过充或过放，很好的提高铅酸蓄电池的使用寿命。控制器主要结构是双电压比较器LM393。其工作原理为，太阳电池组件产生的直流电流经过常闭触点和，使发光，对蓄电池进行充电；闭合，三端稳压器输出12电压，过充和过放电压检测比较控制电路对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于设定过充电压值时，的脚电位高于脚电位，脚输出低电位使截止，导通，发光指示充电，动作，接点转换位置，由对蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满，当电压大于设定的过充电压值时，的脚电位低于脚电位，脚输出高电位使导通，截止，熄灭，释放，断开充电回路，发光，指示停止充电。当蓄电池端电压大于设定的过放电压值时，的脚电位高于脚电位，脚输出高电位使导通，截止，熄灭，释放。常闭触点闭合，发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压逐渐降低，当端电压降低到小于设定的过放电压值时，的脚电位低于脚电位，脚输出低电位使截止，导通，发光指示过放电，动作，接点断开，正常指示灯熄灭。另一常闭接点也断开，切断负载回路，避免蓄电池继续放电。闭合，蓄电池又充电21。图19充放电原理图6.4逆变器设计逆变器就是把蓄电池输出直流电变为交流电的设备。逆变器多为DC12V(24V、36V)/AC220V的形式。逆变器可分为独立光伏逆变器和并网光伏逆变器。此设计选用独立光伏逆变器。逆变器的核心装置是逆变开关电路，如下图20。图20逆变电路图6.5变压电路设计整个系统中需要用到双电压电源供电，故设计成提供12V的稳定直流电压。使用稳压管LM7805和LM7905以及二极管IN4001。其中LM7805是三端稳压电路，有一系列的输出电压，输出+12V的电压，误差小于5%。LM7905是三端固定式负稳压电路，输出电压为-12V，误差小于5%。其电路图如图21图21变压电路图6.6稳压电路设计对整个系统的精确度而言，稳压电路起决定性的作用。由于太阳能系统输出的就是直流电，而且波动性小，所以很容易稳压稳。但是从节能的角度考虑，必须提高稳压电路的转换效率。本设计采用DC-DC模块进行稳压转换。通俗讲凡是直流电源变为直流电源的电路都可以叫做DC-DC。常见的有开关变换和线性变换两种。一般选用开关变换方式，其效率可高达98%。图22稳压电路图Cin为滤波电容，C1、R1为启动电路软件，D1为二极管，L1为储能电路，Cout为输出滤波平滑电容。LM2576为直流转换芯片。其原理为开关打开，首先向C1充电，5为高电平，芯片关闭。充电完成，C1直流截止。R1放电直至5放电为零，芯片启动。C1为单极性。储能电感不断地充放电，为负载提供稳压电源21。7 材料的选择7.1 垃圾桶外壁的材料选择塑料垃圾桶是清洁、环卫很多行业使用的产品，给城市、小区卫生、各类公共场所带来清洁、卫生和环保。它在现实生活中是无处不在的一种环保产品，在中国大约有5亿多个垃圾桶在使用，其中66%是铁皮、木制的垃圾桶，可特循环利用的塑料垃圾桶只占30%塑料垃圾桶还存在很大的使用空间。本产品选用高密度聚乙烯HDPE或聚丙烯PP聚丙烯两种新全新塑胶作为垃圾桶外壁材料，具有以下特点：（1）耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐候性强； （2）投递口圆角设计，安全无利口； （3）表面光洁，减少垃圾残留，易于清洁； （4）可相互套叠，方便运输，节省空间与费用； （5）能在-3065区间温度内正常使用； （6）有多款颜色选择，可根据分类需求随心搭配； （7）广泛适用于各种环境，更可用于垃圾分类收集，如物业、工厂、环卫等；7.2 垃圾桶内壁的材料选择垃圾箱内壁选取玻璃钢，玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料FRP(Fiber Reinforced Plastics ) ，具有以下特点：（1）轻质高强 FRP相对密度在1.52.0之间，只有碳钢的1/41/5，可是拉伸强度却接近，很适合垃圾箱的情况，质轻，又便于工作人员的回收垃圾。（2）很好的耐腐蚀性 FRP是良好的耐腐材料，对生活污水中的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有抗性。（3）热性能良好 FRP热导率低，常温时为1.251.67kJ/（mhK），只有金属的1/1001。（4）可设计性好 能灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。 （5）工艺性优良 可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。8 垃圾桶外观设计8.1垃圾桶整体外观设计的垃圾桶为智能垃圾桶，由太阳能电池板提供电能，考虑到小区的环境，为获得充足太阳光，采用棚架式，在顶棚布满太阳能电池板。采用棚架式还可以更好确保垃圾桶的使用安全，防止了因风吹日晒导致线路老化及雨水进入发生触电危险。顶棚采用玻璃钢，框架选用高密度聚乙烯HDPE或聚丙烯PP聚丙烯两种新全新塑胶。尺寸6m* 6m*2.8m。棚内放置六个垃圾桶，左右各四个，其中每边的四个的垃圾桶颜色不同，以便实现垃圾桶的分类处理。每个垃圾桶下面均布置处理垃圾渗沥液的装置。 图23 整体结构 玻璃钢顶棚，上面布满太阳能电池板 垃圾箱 地面 如图1-2网板槽，放置垃圾桶外桶，起到固定和密封的作用 图24 图25地面 网板 土地 地面以下挖的坑，里面放装有活性炭的装置 孔，与下水道相连8.2 垃圾桶桶体尺寸的确定8.2.1垃圾桶