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摘要：为了响应国家垃圾分类政策，实现生活垃圾在源头上得到分类处理，减少对环境的污染，同时实现资源的再回收利用，设计了基于MCGS触摸屏的智能分类垃圾箱控制系统。智能分类垃圾桶采取三层结构，上层为控制单元、中层为自动投放装置、下层为四格垃圾分类箱，能够满足四类垃圾的分类投放；控制系统包括MCGS触摸屏、PLC控制器、投放口关合垃圾自动投放装置以及红外线满载检测，采用顺序逻辑控制方法对控制程序进行设计，并设计了6个组态画面；最后利用RS485通信线建立通信，将MCGS触摸屏、西门子PLC和红外检测有机结合。结果表明：该控制系统可以实现垃圾的自动投放、分类知识宣传、满载检测提示等功能，提供四类垃圾的分类选择提示，操作方便，直观生动，能够满足社会对智能垃圾箱的需要。所提设计对智能分类垃圾箱的开发具有一定的实践借鉴意义。
关键词：垃圾分类；MCGS触摸屏；西门子PLC；红外检测；自动投放；智能垃圾箱
0引言
随着社会的快速发展，人民生活水平不断提高，日常生活中产生的生活垃圾也越来越多，并且我国的垃圾分类机制相对落后、居民分类意识薄弱[1]，造成严重的资源浪费和环境污染，垃圾分类问题已成为社会关注的重要问题[2-3]。2019年国家公布的《关于在全国地级及以上城市全面开展生活垃圾分类工作的通知》文件指出：到2020年，46个重点城市基本建成垃圾分类处理体系；到2025年，地级以上城市基本建成垃圾分类处理体系。因此，对垃圾进行分类，势在必行，刻不容缓。垃圾分类不仅可以回收利用资源，还可以有效减少对环境的污染，具有社会、经济、形态等三方面的效益[4]。
传统垃圾桶已经不能满足社会的发展需求，众多学者提出了智能垃圾分类的研究设计。文献[5]中以单片机为控制器，采用语音识别技术指导扔垃圾者对垃圾按照进行分类和投放，并宣导垃圾分类知识，但存在语音识别不够准确的问题；文献[6-7]中采用单片机通过语音识别模块实现垃圾桶的移动、自动开盖、满载检测，但未对垃圾进行分类；文献[8]结合微信小程序和智能垃圾分类，提出垃圾分类积分激励策略，鼓励人们对垃圾进行分类；文献[9]基于STC89C52芯片设计了一款精准检测到垃圾的投入，并能根据垃圾种类自动分配垃圾的判别和存放的智能垃圾桶。
现有研究中大多基于单片机采用语音识别技术实现垃圾的分类，但对普通话标准程度要求高，对方言的识别能力较弱，且对识别后的垃圾进行自动投放没有开展深入研究。因此，本文提出了基于触摸屏的智能分类垃圾桶控制设计，该垃圾桶采用西门子PLC作为控制器，触摸屏使用昆仑通泰MCGS触摸屏，可以实现垃圾分类宣传、投放口自动打开、垃圾自动识别、垃圾自动投放、垃圾桶满载检测等功能，并联机模拟验证，为社会提供一套可行、可靠的智能分类桶设计方案。
1结构设计
基于触摸屏的智能垃圾桶总体结构如图1所示，自上而下分为三层，第①层安放触摸屏及控制单元；第②层设置投放口和垃圾自动投放装置；第③层为垃圾桶层，按照国家垃圾分类标准，设置4个垃圾桶，分别存放有害垃圾、可回收垃圾、厨余垃圾和其他垃圾，垃圾桶左右两侧设有打开门，可以对4个垃圾桶内垃圾进行清理。
2控制原理
2.1控制系统组成
该垃圾桶控制系统主要由MCGS触摸屏、PLC控制器、投放口关合垃圾自动投放装置以及红外线满载检测4部分组成，如图2所示。
MCGS触摸屏采用昆仑通态MSGS触摸屏，将组态画面下载到MCGS触摸屏，实现与PLC控制器的实时信息交互，可以显示垃圾大类、投放垃圾种类、垃圾投放过程、垃圾桶满载提示等信息，还可以显示播放垃圾分类宣传画面，增强垃圾投放者的投放体验。
PLC控制器采用西门子PLC控制器，该控制器编程语言简单易学，并集成了很多功能，使用方便，功能强大，稳定性好。PLC控制器可以采集红外线满载检测信号，并向MCGS触摸屏传送数据，并在屏上显示垃圾桶满载信息，提醒清洁工及时清理。同时，PLC控制器控制垃圾自动投放装置的运动，实现垃圾自动投放功能，还控制投放口的自动关合。
垃圾自动投放装置如图3所示，实现垃圾的自动投放功能.根据所识别到的垃圾，控制电机1带动旋转手臂旋转到指定垃圾桶，然后电机2控制垃圾盒底板沿轴A移动，垃圾便掉进下面的垃圾桶内。
2.2控制系统工作过程
系统工作过程流程图如图4所示。当扔垃圾时，在MCGS首页点击“我要扔垃圾”，然后在跳转页面上选择所要扔的垃圾大类，系统将自动显示所要扔的垃圾类别（有害垃圾、厨余垃圾、可回收垃圾、其他垃圾），显示后投放口自动打开，待投放完垃圾后投放口自动关闭，并开始自动完成垃圾分类投放。投放完毕后，系统回到初始状态，并自动播放垃圾分类宣传画面。如果显示所要投放垃圾对应的垃圾桶已满，则10 s后返回主页，并在屏上显示该垃圾桶已满，同时播放垃圾分类宣传画面。为了能够更醒目地提醒环卫工人及时清理已满的垃圾桶，在侧面四个垃圾桶处各安装一个红色指示灯，若红灯闪烁，则说明该垃圾桶已满，需要尽快清理。
3控制系统软件设计
3.1 PLC输入输出分配表
本系统以西门子PLC CPU226为控制器，根据控制要求，确定输入输出口所连接设备，其输入信号来自触摸屏的触摸信号、红外线检测信号以及限位开关发出的位置信号。输出信号主要控制中间继电器的通断以实现对电机的正反转控制，以及对垃圾桶满载指示灯的控制。I/O分配表如表1所示。
3.2 PLC顺序逻辑设计法
根据PLC的I/O分配表，采用顺序逻辑设计法设计系统控制程序，这种编程方法思路清晰，可读性好，且同一时刻只有一道工序在执行，便于调试[8-11]。其设计步骤如图5所示。
首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。顺序控制功能图设计是顺序设计法的核心，包含“状态”、“转移”及“有向线段”三要素，能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。转移触发规则下，静止的控制系统可以转变成动态过程[12-15]，其转移过程如图6所示。
本文提出的基于触摸屏的智能分类垃圾箱控制设计，其控制顺序功能如图7所示。分为10个状态，M0.1被激活的转移条件有4个，4个条件互为排斥信号，每次只能有一个转移条件发出，表示指定垃圾且该垃圾桶为满载，则M0.1状态被激活，执行下面的投放程序。相反，如果指定垃圾且该垃圾桶已满载，则M1.1被激活，延时后返回初始状态。同理，M0.6被激活的转移条件也是相互排斥关系，只能选择一个位置开关状态执行。
根据系统控制顺序功能图，即可编写出PLC梯形图程序，并下载到PLC。
3.3 MCGS触摸屏组态设计
设置智能分类垃圾桶工作过程MCGS组态[13-14]画面，该组态由6个窗口画面组成，分别是主页、选择投放垃圾、显示投放垃圾类型、投放垃圾、垃圾分类中、自动分类完毕，如图8所示。各个组态窗口相互切换，通过编写循环脚本程序实现。
（1）主页：播放垃圾分类宣传图片，可以设置多张，并循环播放；该窗口还设置了屏幕唤醒按钮，按下时切换到下一个窗口，当垃圾桶已满载时，在底部显示提示信息。如图9所示。
（2）选择投放垃圾：为了醒目，列出了分类垃圾的大类，大类下面对应具体的垃圾，以方便扔垃圾时进行正确选择。如图10所示。
（3）显示投放垃圾类型：如果所投放垃圾未满载，则显示所投放垃圾类别，如果所投放垃圾已满载，则闪烁显示垃圾类别及满载信息，并提示10 s后将返回主页面。如图11所示。
（4）投放垃圾：该页面显示“投放口打开，请投放垃圾”，并倒计时10 s，时间到后进入下一个窗口画面。并且该画面还显示所投放的垃圾类型。
（5）垃圾分类中：页面显示“垃圾正在分类投放中……”，待分类投放结束，切换到下一个窗口。
设置完MCGS组态后，需要设置动画，实现文字、图片等的移动、闪烁、切换、可见度等功能。并且要与PLC建立数据通道连接，实现组态画面与PLC同步运行，PLC运行过程可视化，如表2所示。
4系统模拟测试
将程序下载到PLC，并将组态画面导入MCGS触摸屏，通过RS485通信线建立PLC与触摸屏的连接，从而实现通过触摸屏控制PLC的运行，并显示PLC的运行状态。部分系统模拟测试图如图12所示，系统模拟测试画面1显示了播放垃圾分类宣传片、系统模拟图12显示正在自动分类投放有害垃圾。通过模拟测试显示，完全实现了PLC控制系统、MCGS组态设计要求，即通过触摸屏播放垃圾分类知识宣传片，并可通过点击“我要扔垃圾”进入4类垃圾的选择页面，4类垃圾均列举出日常生活中常见的多种类型，一眼便能识别出要扔的垃圾属于哪种类型，可以很好地解决很多人辨别不出所扔垃圾为何种类型的困难。选择好所扔垃圾后切换至显示垃圾类型画面，如果垃圾桶已满，将提示另寻其他垃圾桶，拒绝投放垃圾；如果未满，将进入垃圾投放中的画面，并且投放口打开，可以投放垃圾，投入垃圾后页面显示垃圾正在分类投放中，投放至相应类型的垃圾箱中。通过系统测试，实现了垃圾智能分类的全过程触摸屏可视化显示，既实现了垃圾的自动分类投放，还增加了扔垃圾的趣味性。本设计为触摸屏智能分类垃圾箱的产品的实现提供了理论支撑。下一步将按照设计要求制作一套实物。
5结束语
为了响应国家垃圾分类政策，实现生活垃圾在源头上得到分类处理，减少对环境的污染，同时实现资源的再回收利用。本文提出了基于触摸屏的智能分类垃圾箱控制系统设计，以满足社会对智能垃圾箱的需要。本控制系统具有如下特点。
（1）采用触摸屏不仅可以播放垃圾分类宣传片，还可以显示投放垃圾类别、投放过程、垃圾满载情况，增强垃圾投放者的乐趣，也促进对垃圾分类知识的宣传。
（2）本设计可以避免垃圾的随意投放，只有当用户选择了所投垃圾类别后，投放口才能自动打开，扔进垃圾后，实现自动分类投放。
（3）设置了垃圾桶满载提醒，首先可以在触摸屏上显示垃圾满载信息，满载后投放口不会打开，拒绝用户投入环卫工人通过触摸屏就可以看到哪些垃圾桶满，同时在每个垃圾桶外侧装有红色指示灯，如果红色指示灯闪亮，则该垃圾桶已满，及时清理。
本设计将MCGS触摸屏、西门子PLC和红外检测有机结合，实现垃圾的自动分类投放、宣传、满载提示等功能，操作方便，直观生动，对智能分类垃圾箱的开发具有一定的实践借鉴意义。
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基于MCGS的智能分类垃圾箱控制系统设计论文
人参与 2024-10-17 09:53:54 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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