楊俊杰，張龍一，吳青陽(yáng)

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

2019年底以來(lái)，新冠病毒席卷全球，5 億多人感染了新冠肺炎，我國(guó)也有數(shù)十萬(wàn)人感染，給我國(guó)的疫情防控帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 為了防止新冠病毒蔓延，政府部門(mén)組織人員對(duì)公共場(chǎng)所進(jìn)行全面的殺菌消毒，但由于人群的不斷流動(dòng)，還是有大量人員感染情況的發(fā)生。 在大型集會(huì)場(chǎng)所，病毒主要依附于公共接觸的門(mén)把手和腳墊等區(qū)域。 因此，本文提出了一種基于Arduino 單片機(jī)的多噴頭式語(yǔ)音消毒器[1]。該消毒器是在以往消毒器基礎(chǔ)上的改進(jìn)，并加入了語(yǔ)音模塊，不僅提高了裝置的自動(dòng)化水平，而且節(jié)約了資金以及人力資源消耗成本。 該消毒器趨于自動(dòng)化，且環(huán)保，符合當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)還可設(shè)置成太陽(yáng)能發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源的自給自足。

1 多噴頭語(yǔ)音消毒器整體設(shè)計(jì)思路

在本設(shè)計(jì)方案中，消毒器的傳感模塊連接腳墊。 當(dāng)有人站在腳墊上時(shí)，附著在腳墊上的壓力薄膜感應(yīng)到力的作用而使電阻發(fā)生變化，電阻的變化使電流產(chǎn)生變化，由此產(chǎn)生信號(hào)刺激控制器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)消毒液的自動(dòng)噴灑。 為了改善傳統(tǒng)自動(dòng)消毒裝置的單一消毒模式，該裝置設(shè)置多個(gè)消毒噴頭，通過(guò)吸盤(pán)使其連接在門(mén)把手或地墊等多個(gè)位置。 當(dāng)有人站在地墊上時(shí)，首先消毒器會(huì)對(duì)消毒對(duì)象的鞋子進(jìn)行消毒，其次是門(mén)把手、 地墊以及消毒對(duì)象的手。

為了能夠?qū)ο緦?duì)象更加快捷地進(jìn)行消毒，同時(shí)快速了解消毒流程，在該裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了語(yǔ)音提示模塊。 語(yǔ)音提示模塊可根據(jù)Arduino 單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，在消毒的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)消毒對(duì)象進(jìn)行消毒步驟的提示。 當(dāng)噴灑完成后，提示消毒對(duì)象離開(kāi)，從而完成消毒工作[2]。

本裝置通過(guò)壓力傳感器來(lái)檢測(cè)是否有人站在腳墊上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)下一步操作。 壓力傳感器將信號(hào)輸送到Arduino 處理器模塊，通過(guò)程序檢測(cè)計(jì)算得到壓力值，從而判定是否有人站在上面。 當(dāng)檢測(cè)到有人需要進(jìn)行消毒時(shí)，控制器發(fā)出工作信號(hào)，開(kāi)啟裝置進(jìn)行消毒工作。 消毒液的傳輸通過(guò)抽水電機(jī)實(shí)現(xiàn)，由Arduino 單片機(jī)控制抽水電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)消毒液的抽取噴灑。 由于單片機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)抽水器進(jìn)行工作，因此只有通過(guò)放大驅(qū)動(dòng)繼電器的電信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，才能最大程度實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正常準(zhǔn)確傳輸[3]。消毒器的組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 消毒器的組成結(jié)構(gòu)

2 組成部件及相關(guān)系統(tǒng)的使用

2.1 組成部件

消毒器裝置內(nèi)部組成部件見(jiàn)第100 頁(yè)表1，外部材料主要有塑料外殼、 軟管、 壓力傳感器、 語(yǔ)音播放器、 橡膠地墊、 精銅噴頭等。

表1 消毒器組成部件

2.2 部件類(lèi)型

硬件部分為處理器模塊、 壓力檢測(cè)模塊、 噴灑模塊、 語(yǔ)音模塊、 電源和機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。 本裝置以Arduino 單片機(jī)作為核心處理器進(jìn)行信號(hào)控制，通過(guò)壓力薄膜進(jìn)行消毒對(duì)象的檢測(cè)。 噴灑模塊主要通過(guò)繼電器放大電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使抽水泵抽取消毒液進(jìn)行噴灑消毒。 在進(jìn)行消毒時(shí)，為了提高消毒器的交互性，系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音模塊對(duì)用戶(hù)的消毒進(jìn)程進(jìn)行提示。 針對(duì)電源部分，采用鋰電池組進(jìn)行供電，并使用了LM2596 電源穩(wěn)壓芯片[4]。

使用C 語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，并設(shè)計(jì)了壓力感應(yīng)檢測(cè)、 語(yǔ)音播報(bào)、 電信號(hào)驅(qū)動(dòng)等相關(guān)程序。

3 制作與設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 控制器選型

Arduino 單片機(jī)是一種開(kāi)源控制器，其開(kāi)發(fā)難度低，開(kāi)源資料多，操作方便快捷[5]。STM32 單片機(jī)在性?xún)r(jià)比方面具有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，STM32 單片機(jī)定位較高，許多的片外資源不能得到有效利用，可能造成片外資源的浪費(fèi)。 而51 單片機(jī)的性能較弱，而且開(kāi)發(fā)難度較大。 因此在本設(shè)計(jì)中采用了Arduino 單片機(jī)作為控制器，實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 Arduino 單片機(jī)實(shí)物

3.2 供電方式選型

鋰電池使用非水電解質(zhì)溶液進(jìn)行發(fā)電，負(fù)極材料為鋰金屬或鋰合金，實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 鋰電池實(shí)物圖

與其他電池不同，鋰電池具有高充電密度、 長(zhǎng)壽命和高單位成本的特點(diǎn)[6]。 由于鋰電池所使用的電極材料與其他電池不同，可產(chǎn)生1.5～3.7 V 的電壓，且在市面上銷(xiāo)售廣泛，其中可充電鋰電池不僅可重復(fù)利用，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成惡劣影響。 3 節(jié)以上的鋰電池便可達(dá)到本設(shè)計(jì)要求的5 V 電壓，且相比USB 接口供電，不用單獨(dú)在電路板上做USB 接口，且電壓較為穩(wěn)定，不用加裝穩(wěn)壓模塊，便于移動(dòng)。由于本系統(tǒng)的移動(dòng)性要求較高，且鋰電池小巧，因此選用鋰電池更符合裝置要求。

3.3 電路板選型

采用回流焊技術(shù)是近年來(lái)電子工業(yè)工藝一個(gè)很明顯的趨勢(shì)，回流焊技術(shù)分為3 個(gè)過(guò)程： 預(yù)熱、 回流和冷卻。 通常所說(shuō)的通孔回流焊接技術(shù)就是傳統(tǒng)插裝件所用的回流焊接工藝，其優(yōu)點(diǎn)是有可能在同一時(shí)間內(nèi)完成所有的焊點(diǎn)，最大程度上降低成本。而手動(dòng)焊接的電路板集成度相較于覆銅簡(jiǎn)易電路板和工業(yè)PCB 制作有不足之處，但價(jià)格便宜，成本低，不需要花費(fèi)過(guò)多時(shí)間設(shè)計(jì)PCB 文件，且易于修改，靈活性高，跟焊接儀器相比，省去了操作參數(shù)設(shè)定、 等待升溫等環(huán)節(jié)。 所以，選擇手動(dòng)焊接萬(wàn)用板，其簡(jiǎn)單、 易上手，性?xún)r(jià)比高，可同時(shí)滿(mǎn)足科創(chuàng)作品對(duì)于實(shí)踐動(dòng)手能力的要求[7]。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 處理器模塊

本設(shè)計(jì)中最核心的部分是處理器模塊，采用Arduino 處理器。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 Arduino 單片機(jī)的電源電路作為單片機(jī)最小系統(tǒng)的整體供電核心，通?？蛇x擇從單片機(jī)的VCC引腳和其自帶的USB 供電接口進(jìn)行供電，整個(gè)Arduino 單片機(jī)上所有的5 V 引腳都是連通的，同時(shí)所對(duì)應(yīng)的電源負(fù)極引腳也是連在一起的，所以單片機(jī)的電源具有連通性。 電阻和電容組成復(fù)位電路。 復(fù)位電路存在的目的就是為了在上電那一刻給予單片機(jī)一個(gè)開(kāi)始工作的信號(hào)。 要想單片機(jī)開(kāi)始工作，至少需要兩個(gè)連續(xù)周期的高電平。

4.2 壓力檢測(cè)電路模塊

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)消毒對(duì)象的檢測(cè)功能，關(guān)鍵是要檢測(cè)到是否有人站在消毒地墊上，采用的方法是壓力檢測(cè)法。 當(dāng)有人站在腳墊上時(shí)，腳墊上的壓力變大，腳墊下方的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)化與傳輸，通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴灑消毒液的功能[8]。本設(shè)計(jì)采用壓力薄膜傳感器，見(jiàn)第101 頁(yè)圖4。

圖4 壓力薄膜傳感器

4.3 抽水電路模塊

本設(shè)計(jì)的消毒部分采用噴灑消毒液的方式進(jìn)行消毒。 電機(jī)抽取消毒液后通過(guò)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成消毒工作。 電機(jī)模塊見(jiàn)第101 頁(yè)圖5。

圖5 電機(jī)模塊

4.4 語(yǔ)音提示電路模塊

選用YS-M3 語(yǔ)音播放模塊 （見(jiàn)圖6） 作為本設(shè)計(jì)的語(yǔ)音提示電路。 由于YS-M3 語(yǔ)音播放模塊支持片內(nèi)時(shí)鐘震蕩，可以簡(jiǎn)化電路，且YS-M3 語(yǔ)音播放模塊內(nèi)置穩(wěn)壓電源電路，工作電流無(wú)需外接穩(wěn)壓電路也可保障正常使用，因此不再針對(duì)該模塊進(jìn)行外圍穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，采用直流5 V 供電。 YSM3 語(yǔ)音播放模塊具備9 個(gè)觸發(fā)端口，需要結(jié)合單片機(jī)I/O 接口觸發(fā)播放，并且觸發(fā)一次播放一次[9]。另外該模塊具有調(diào)節(jié)音量大小的旋鈕，本設(shè)計(jì)中僅有一個(gè)音量調(diào)節(jié)旋鈕，在模塊T 點(diǎn)處選擇焊接，觸發(fā)單曲循環(huán)模式，保證在整個(gè)工作過(guò)程中可以準(zhǔn)確地播放提示音。

圖6 語(yǔ)音模塊實(shí)物

4.5 電源電路模塊

單片機(jī)需要外部電源提供穩(wěn)定的直流電才能正常工作。 在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，Arduino 系列單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源采用5 V，因電池組電壓為12 V，所以需要一個(gè)穩(wěn)壓模塊來(lái)進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。 本設(shè)計(jì)使用的電源穩(wěn)壓芯片為L(zhǎng)M2596 芯片，根據(jù)芯片的使用說(shuō)明可知，該芯片使用時(shí)需在輸入端和輸出端加上濾波電容，作用是濾除雜波，防止輸入和輸出的電壓不穩(wěn)定，單片機(jī)的供電系統(tǒng)原理見(jiàn)圖7。

圖7 供電系統(tǒng)原理圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino 單片機(jī)控制技術(shù)的多功能消毒器采用非接觸式消毒能夠很好地防止交叉感染，采用多個(gè)噴頭提高了消毒的全面性，同時(shí)加入了語(yǔ)言提示模塊提示人們消毒進(jìn)程，相較于市面上的傳統(tǒng)消毒器具有智能、 消毒效率高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)該裝置工作效率高，有效解決了人力投入過(guò)大的問(wèn)題。 對(duì)于一些中小型企業(yè)，只需一臺(tái)機(jī)器便可解決整個(gè)公共區(qū)域的消毒問(wèn)題，一定程度上減少了費(fèi)用及人力資源的投入，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益； 對(duì)于人流量較多的公共場(chǎng)所，因成本較低，適合大量投入使用。

目前市場(chǎng)上大多還是手動(dòng)操作消毒器，其消毒過(guò)程較為單一，且需要人工進(jìn)行操作，而本文設(shè)計(jì)的消毒器在原有消毒器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，特有的語(yǔ)音模塊降低了消毒過(guò)程中機(jī)器對(duì)人工的需求，一體化程度提高，該消毒器具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。