干电池有偿回收装置的研究

摘 要 对干电池有偿回收装置进行研究，装置的电池投放部分，运用杠杆原理设计了反恶意投放装置，具有结构简单、动作准确的特点；在电池检测部分中，采用了一对对射式光电传感器来确定是否有物体进入，用一个电感式接近开关检测投入物是否为电池，采用了AT89S51单片机控制步进电动机来完成控制，通过一对对射式光电传感器进行计数，并由AT89S51单片机控制的退币器完成退币。

关键词 回收；传感器；单片机；步进电动机

中图分类号：X7 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0017-02

干电池是我们日常生活中用得最广泛的物品之一，废旧电池的危害主要集中在其中所含的少量的重金属上，如铅、汞、镉等。这些有毒物质通过各种途径进入人体内，长期积蓄难以排除，损害神经系统、造血功能和骨骼，甚至可以致癌。尽管近年来人们对保护自然生态环境日益重视，但废电池污染却未引起人们的足够重视。目前，中国电池的回收率却不足2%。而事实上，有偿回收是进行干电池回收的一个相当有效的方式，但在有效回收的方式上，并没有专门的研究及建议，因此，在研究了社会对于干电池的回收方式的基础上，本课题尝试进行了干电池有偿回收装置的研究。

本论文的研究目标是通过对机构的设计、控制系统的设计等过程完成对干电池有偿回收装置的研究，并进一步做出物理样机。

1 干电池有偿回收装置的总体设计

1.1 本装置总体设计方案

作为干电池的有偿回收装置，在装置总体设计中就应主要完成三项任务，即：电池判别功能、电池计数功能及退币功能。

作为干电池的有偿回收装置，对于电池的判别就至关重要，在物体投放入装置后，应有仪器来检测是否是电池，并作出正确判断，在辨别完成后，将电池送处计数部分，将非电池排出，采用单片机控制电机来完成。干电池经过判别确为电池后，进入计数阶段。在电池计数中，通过传感器完成对电池的计数。作为干电池有偿回收装置，最终完成的任务应是在确定回收物为电池并对电池计数后，应完成功能，拟通过单片机控制交流电机带动退币马达的转动实现退币功能。

如图1所示为本装置总体设计方案，整个装置分为三个部分，第一部分为结构1电池投放部分。第二部分为结构2电池检测部分，第三部分为结构3计数及退币部分。

1.2 本装置传感器的选用

根据装置总体设计方案，传感器1的作用是检测是否有物体投入，并且在检出有物体投入后将信号输出，传感器3的作用是在有电池通过时对电池进行计数，均需要传感器能输出高低电平两种信号，因此传感器2、3均选用对射式光电传感器。传感器2的作用是对投入的物体检测是否为电池，组成电池的主要成分是金属，具有一定的导磁能力，因此应选用电感式的传感器，因此，传感器2选择电感式接近开关。

1.3 本装置电池检测与计数、退币部分的电机驱动形式

电机驱动在机电一体化系统中起着重要的作用，在电池检测部分，需要电机控制挡板实现挡板的正、反转功能，通常可采用饲服电机与步进电机。装置计数、退币部分的电机驱动是在装置对投入电池进行完计数后，退币的数量并非由电机来控制，因此电机的作用只是驱动退币器，在这个部分中，直接可以选择交流电动机来完成。

1.4 本装置电池检测与计数、退币部分的控制器设计

在本装置中，共有电池检测部分及计数、退币部分需要由控制器控制，为了设计、采购、维修方便，在此两部分中考虑采用同一种控制器来完成控制。本装置采用AT89S51型单片机来进行电池检测部分步进电机的控制及电池计数、退币部分的交流电机的控制。

2 干电池有偿回收装置的电池投放部分结构设计

电池投放部分是干电池有偿回收装置结构的第一部分，如图1所示，将反恶意投放装置（防止人为恶意地为了获得退币而反复地将同一电池进行投放，如用线栓着电池反复地上下投放，保证机器在使用过程中的可靠性）的挡板1作为一个杠杆，将杠杆用一铰链固定在机架上，在杠杆的左侧挂一配重，这样可保证在没有物体投入时，挡板左侧向上挡住投入通道，而当有物体投入时，由于物体的自重及在自由落体中产生的速度及加速度，对挡板右侧产生冲击，其产生的相对于杠杆转动中心即铰链的冲击力矩大于配重对杠杆转动中心的力矩，使杠杆围绕铰链产生顺时针转动，使物体进入检测通道，当电池进入通道后，由于配重对铰链产生的力矩大于杠杆右侧自重对铰链产生的力矩，使杠杆围绕铰链作逆时针转动后复位。

电池投放部分完全采用机械装置，运用杠杆原理完成了结构设计，只要选用配重恰当，那么就可以使投入物体进入检测通道。同时由于采用机械装置，装置故障率较低，工作更为可靠，成本更低。

3 电池检测部分、计数与退币部分控制系统的设计

3.1 系统控制主板

电子控制主板是本系统的控制核心，负责信息的接收、处理和执行指令的发出，它主要由单片机、稳压电路、电动机驱动电路和通信接口组成。在本装置中，将电池检测部分、电池计数与退币部分的控制系统各采用一块主板控制，主板为通用公司生产的主板TY51-ZB-298。

3.2 步进电动机及其驱动

在本装置中，电池检测部分采用的是步进电动机控制挡板的动作；退币部分采用的是交流电动机控制的退币器的工作。由于退币器应用的是完整的六孔退币器，其内部结构及其电路已很完整，因此在使用时仅需将退币器接入电路即可，并不需要附加设计控制及驱动，因此，本论文仅对步进电动机及其驱动进行研究。

挡板与电池所需的合力矩远远小于步进电动机驱动器产生的转矩，即便考虑了系统的功率损耗，步进电动机驱动器产生的转矩也足以完成挡板的动作。因此，选择42BYGH102型步进电动机TY-BJQ01型步进电动机驱动器完全能满足工作需要。

本装置选用型号为42BYGH102型步进电动机，相数为2相；额定电压为12 V；额定电流为0.5 A；步距角为1.8?；最大静转矩为4 kg·cm；出轴长为24 mm；绝缘等级为B；温升为80℃max。

本装置选用TY-BJQ01型步进电动机驱动器，输出电流为0.8 A～2.5 A，可调输出电压为DC12 V～DC35 V，可以驱动额定电流为0.5 A的步进电动机。

4 电池检测部分程序设计

4.1电池检测部分主程序设计

电池检测部分主要由对射式光电二极管检测是否有物体进入，再由金属探测器（电感式接近开关）来判断是否为金属，再由单片机控制的步进电动机作出动作，控制挡板2进行转动，使物体进入下一通道或直接排出。

根据电池检测的工作过程，确定该部分流程图如图2所示。

4.2 电池计数、退币部分的程序设计

电池计数、退币部分是由一对光电传感器对进入通道的电池进行计数后，再由单片机控制的交流电动机带动退币器进行退币，由于采用的退币器已有一套完整的系统，不需要对退币器部分进行附加的研究。因此，对本部分的工作设计流程图如图3所示。

5 总结

本课题是在作了调查研究的基础上，基于实用性及创新性的前提所确定的研究课题。

在本课题的研究中，以大量调查研究相关领域资料以及相关科研成果为前提，基于单片机控制，对干电池的有偿回收装置作了研究，设计了干电池有偿回收装置的总体方案，并对方案进行了分析、讨论及选择；设计了干电池有偿回收装置中各部分的结构方案，并对方案进行了分析、讨论及计算；设计了干电池有偿回收装置的控制系统，采用了由单片机控制步进电动机对电池进行检测，由单片机控制退币器对电池进行计数及退币，采用了较为简洁的控制系统来完成任务；设计制作了干电池有偿回收装置的样机，样机满足设计使用要求。

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