摘要：传统的利用磁力分离金属与非金属垃圾的方法存在难以分离出非导磁材料金属垃圾的问题。为此，研究了非导磁性金属垃圾的分类问题，提出了基于安培力的金属和非金属垃圾分类方法，以AT80C52单片机为控制器，设计了一种用于步行街的小型环保垃圾箱，能够对行人随手扔进的垃圾进行金属和非金属现场自动分类。介绍了该垃圾箱的组成结构及工作原理，并给出了详细的电路控制系统设计方案。该垃圾箱具有设计制造成本低、使用方便、实用性强等特点。

    垃圾回收分类一直是一个难题。针对这一问题，很多专家利用金属与非金属物质导电率的不同，研制了涡电流分选机来处理金属和非金属垃圾的自动分类。但这一方案需将垃圾变成碎粒状后才能进行分类，而且分选机结构复杂、投资大，只适用于大型垃圾处理站。现在市场上出现了利用电磁场将金属从垃圾中吸出来的垃圾箱，但是只能分离出导磁性金属垃圾，而生活中很多金属垃圾都是非导磁材料，因此，这种垃圾箱还不完善。为了克服上述垃圾箱的不足，本文研究了非导磁性金属垃圾的分类问题，提出了基于安培力（Ampere force）的金属和非金属垃圾分类方案，设计了一种步行街使用的小型环保垃圾箱，能够对行人随手扔进的垃圾进行金属和非金属现场自动分类。

1金属垃圾材料特征分析

1.，易拉罐材料特性

    经过调查，步行街行人扔的垃圾主要以易拉罐或者金属瓶类为主，因此，本文以易拉罐这一典型金属垃圾作为研究对象。市场上常见饮料易拉罐的重量、材料和导磁率如表1所示。

从表1可见，市场上的饮料易拉罐多用铝合金制作。铝合金材料导磁率很低，传统的用磁铁将金属和非金属垃圾实现分离的方法难以适用。为了解决这一问题，本文将利用金属垃圾的导电性特征，研究用安培力实现金属和非金属垃圾分离的方法。

1.2电磁线圈对易拉罐安培力的计算

    一般由电工纯铁制作的电磁铁，可产生2.2 T的磁场强度，而市场上各种饮料的易拉罐长度一般是0.1 m，当金属垃圾放在导电板上时，将被通上大约1A的电流，这里取电磁线圈可产生2T的电磁磁场，根据安培定律有：

    F=BIL                                 （1）

式中，F表示安培力大小，B表示电磁强度，L表示电流经过的导电体的距离，I表示电流大小。由式（1）可得，电磁线圈对易拉罐的安培力F的大小为0.2 N。由最大静摩擦力计算公式有：

    f=Nμ                                 （2）

式中，f表示静摩擦力大小，N表示正压力，μ表示最大静摩擦系数。查询摩擦系数表可知，导电板和金属易拉罐的摩擦系数为0.17，市场上易拉罐的重量大约是10-20 g，这里取12g，由式（2）可得，易拉罐在导电板上所受到的摩擦力为0.02 N。由式（1）、式（2）表明，在金属易拉罐上产生的安培力远大于摩擦力，可以将导电板上的易拉罐推人放金属的垃圾桶里。

2垃圾箱的总体结构和工作原理

2.，总体结构

    垃圾箱的总体结构包括机械装置和电路控制系统两部分。图1是环保垃圾箱的机械装置结构图，该装置由支撑架机构、垃圾箱机构以及垃圾分类机构三部分组成。其中，垃圾分类机构由电磁铁芯线圈、直流电动机和8块导电板组成，垃圾箱机构由非金属垃圾箱和金属垃圾箱组成。电路控制系统如图2所示，是整个环保垃圾箱的核心。它由电源电路、信号采集电路、信号控制电路、导电板控制电路、电动机转动时间控制电路、电动机正反转控制电路组成。本设计采用STC89C52单片机控制整个控制电路系统，此芯片是一种低功耗、高性能CMOS 8 bit微控制器。其P0口连接上拉电阻后与74HC573锁存器连接，实现导电板控制电路的控制；P2.0口和P2.1口分别用于控制两个锁存器的锁存端；Pi口和P2.2口实现信号采集电路所产生的信号接收和处理；P2.3口用于导电板控制电路的控制，进而实现对电动机正反转控制电路的控制；P2.4口用于电源电路的常开开关的控制，进而实现对图1中的电磁铁芯线圈是否得电的控制（具体接口参见3.3节）。

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