一種具有防疫功能的高鐵動車座椅研究與設(shè)計

張曉剛，侯洪鳳，王子皓，任智鴻，李睿洋，陶威燁，馬欣然

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052）

自2019年新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，人們的生活發(fā)生了巨大改變，疫情防控滲透在生活的方方面面[1]。隨著疫情進入常態(tài)化發(fā)展，全民需要做好疫情防護，防疫工作作為人類戰(zhàn)勝疫情的主要手段之一，是非常重要的。現(xiàn)有高鐵上的座位并沒有防護隔離設(shè)備，其座位與平常所見的并沒有什么特別之處，關(guān)于防疫座椅的研究，一家來自意大利的設(shè)計公司就設(shè)計了一款名為Janus的座椅，通過改變座椅排序并在椅子上加裝透明的隔離板來減少乘客們的接觸。另外一家叫Teague的公司則是在原有座位的基礎(chǔ)上設(shè)計了一個空氣保護罩，成本更加低廉。不過這些防疫座椅都還處于設(shè)計階段，暫未投入使用，更別說應(yīng)用到中國市場了。處于現(xiàn)在疫情的大環(huán)境下，只能保證每一個乘坐高鐵的乘客自覺佩戴口罩來保護自己和周圍的乘客，所以需要一種座位隔離設(shè)備來滿足人們既想要出行又能保證自己出行安全不受外來傳染病影響的愿望。

1 智能防疫座椅設(shè)計方案

1.1 設(shè)計思想

在新冠肺炎疫情的影響下，一般的高鐵座椅在使用時并不能達(dá)到防疫檢測的功能，不能進行乘客體溫的實時監(jiān)測，從而不能第一時間得知乘客的病情，存在疫情感染的安全隱患；也不能很好地隔離乘客，如果出現(xiàn)乘客被發(fā)現(xiàn)患有新冠肺炎的時候，整節(jié)車廂的乘客都將有被感染的風(fēng)險[2-3]。

基于此，本文設(shè)計了一種具有防疫功能的高鐵動車座椅，涉及高鐵座椅技術(shù)領(lǐng)域，工作原理是通過高鐵座椅背后的測溫器，對乘客的體溫進行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)體溫過高的情況，報警盤會自動報警，讓人們知曉，方便及時隔離，點擊升降按鈕可以控制升降玻璃從安裝板的內(nèi)部升起，通過橫桿拉手和靠背拉手[4]，分別朝著2個方向拉拖塑料硬膜，利用塑料硬膜將整個座位罩起來，起到一定的隔離作用，避免出現(xiàn)疫情相互感染的現(xiàn)象，提高座位的安全性，提高裝置的實用性。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能防疫座椅立體結(jié)構(gòu)圖

1.2 功能敘述

本文設(shè)計的智能防疫座椅的結(jié)構(gòu)主要分為10個部分，分別是高鐵座椅、座椅靠背、電力連接桿、測溫器、顯示器、紅外線測溫頭、報警盤、坐墊、座位扶手及按鈕槽。以下是本座椅的主要功能敘述。

1.2.1 人體工學(xué)座椅

坐高鐵列車的時候，人們通常都在座位上。脊椎是支撐人體的主要構(gòu)造。其中，腰椎、骶骨和椎間盤支撐人體上肢大部分負(fù)荷，承擔(dān)彎曲和扭曲的負(fù)荷。人體在座位上時，脊柱有4個生理彎曲：脖子、胸、腰和骶。這些生理性的彎曲，有著椎間盤最好的壓力分布和身體間肌肉反應(yīng)[5]。當(dāng)座椅的設(shè)計不適合這個自然彎曲時，腰部就會產(chǎn)生壓力變化，讓人感到肌肉酸痛[6]。因此，在高鐵列車的座位設(shè)計中，應(yīng)充分考慮人脊椎的生理特性。座椅靠背曲線的設(shè)計應(yīng)遵循人體脊梁的生理曲線，使得腰部和背部的肌肉在乘客入座時可以完全放松。現(xiàn)如今，高鐵列車座位主要采用高靠背設(shè)計，這種設(shè)計不適合人體脊椎的自然彎曲，起不到承擔(dān)彎曲和扭曲的負(fù)荷作用，人體的腰部和脖子會感到不適。長時間乘車后，腰和脖子明顯有不適感。所以本研究靠背部分的設(shè)計是由木條拼湊而成，經(jīng)過拋光處理，考慮人體工程學(xué)并根據(jù)參考文獻所提供的資料來設(shè)計靠背和智能座椅，盡可能使使用者擁有完美的乘坐體驗。將主控板放在固定的靠背后部，在合理利用空間的同時方便后期程序調(diào)試檢修。

1.2.2 溫度檢測報警

扶手的旋轉(zhuǎn)和折疊裝置由齒輪組與驅(qū)動齒輪組運轉(zhuǎn)的驅(qū)動器組成，通過主控模塊控制電機驅(qū)動裝置帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)座椅扶手的自動折疊和打開。在設(shè)計方案中，通過電力連接桿、測溫器、顯示器、紅外線測溫頭和報警盤相配合，可以對座位后面的乘客進行體溫監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)體溫過高的乘客，裝置會自動報警，這樣可以及時提醒乘務(wù)員做出相應(yīng)的處理，避免出現(xiàn)疫情感染者再次與其他乘客接觸感染的問題，提高裝置的疫情防控效果，如圖1中4-7部分所示。

1.2.3 座椅隔離板

如圖2所示，升降玻璃的橫截面積小于安裝板的橫截面積，升降玻璃和安裝板的連接關(guān)系為活動套接。防護隔離罩一側(cè)的頂端可拆卸安裝橫桿拉手，防護隔離罩一側(cè)的底端可拆卸安裝靠背拉手。在設(shè)計方案中，采用升降按鈕、安裝板、升降玻璃、安裝框和防護隔離罩相配合，對乘客本身實現(xiàn)自我防護，或?qū)Τ霈F(xiàn)發(fā)燒、患有新冠肺炎的乘客及時進行隔離防護，提高高鐵座椅的安全性能，從而提高裝置的實用性。

智能防疫座椅裝置側(cè)視結(jié)構(gòu)由升降按鈕、安裝板、升降玻璃、安裝框及防護隔離罩組成，如圖2所示。

圖2 智能防疫座椅裝置側(cè)視結(jié)構(gòu)圖

智能防疫座椅裝置的按鈕槽部分由安裝框、橫桿拉手和靠背拉手組成，如圖3所示。按鈕槽的內(nèi)部可拆卸安裝有升降按鈕，高鐵座椅的一側(cè)固定安裝安裝板，安裝板的頂端可拆卸安裝升降玻璃，座椅靠背的一側(cè)固定安裝安裝框，安裝框的內(nèi)部可拆卸安裝有防護隔離罩，如圖4所示。

圖3 智能防疫座椅裝置A處放大結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 防護隔離罩的放大結(jié)構(gòu)示意圖

防護隔離罩由滑動板、轉(zhuǎn)動輪、連接桿、塑料硬膜及硬膜收卷桿組成。防護隔離罩的滑動板的表面可拆卸安裝轉(zhuǎn)動輪，轉(zhuǎn)動輪的內(nèi)部可拆卸安裝連接桿，連接桿的一側(cè)固定連接塑料硬膜，塑料硬膜的內(nèi)部可拆卸安裝硬膜收卷桿。

2 防疫座椅體溫檢測模塊設(shè)計

2.1 總體功能

本防疫座椅體溫檢測模塊的主要功能是一旦檢測到坐在座椅上的乘客體溫超過37℃，底座上的振動器就會開始蜂鳴報警，并提示乘務(wù)員前來查看該名乘客的身體狀況[7-9]。

利用STC89C58單片機作中央處理器，以單芯片微計算機為中心處理器，分成電源、網(wǎng)絡(luò)接口、控制I/O接口和數(shù)據(jù)處理4個部分。首先，通過DC9V輸入電源，然后利用78L05、78L06 2個不同的綜合電壓調(diào)節(jié)器分出+5 V和+6 V的分支電源。因此，光學(xué)耦合器的操作不會影響到主機的操作。通過因特網(wǎng)接口，服務(wù)器與控制終端交換信息，通過I/O接口，控制終端實現(xiàn)對空調(diào)（控制）設(shè)備實時狀態(tài)的控制。

由OP07構(gòu)成的信號放大電路，如圖5所示。

圖5 放大電路圖

顯而易見，信號在途徑開關(guān)電路U109、U110和U111后，受到電阻R129的影響，電壓發(fā)生變換，之后將其傳遞給OP07中的同相輸入端。

2.2 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)通過測溫將所測溫度傳給單片機，再通過LED數(shù)碼管顯示溫度。

2.2.1 溫度傳感電路

溫度傳感電路采用TN-901紅外測溫傳感器，如圖6所示，5腳是TN901電源端（VCC），VCC電源電壓范圍為3～5 V，一般選取3.3 V；4腳為TN901的數(shù)據(jù)輸入引腳，接至單片機的P2.5口，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)輸入時，4腳則一直輸出的是高電平；TN901的3腳是2 kHz時的脈沖輸出端，接至單片機的P2.6口；2腳為TN901的接地端；1腳為TN901的測溫啟動功能段，其為低電平有效的功能端，接至單片機的P2.7口。

圖6 溫度傳感電路

為了實際應(yīng)用，使用STC89C58芯片需要和外部的設(shè)備之間進行信息交換。除此之外，單芯片的計算機之間也可以交換信息，這種交換信息的過程通常被稱為通信。通信模式主要有串行、并行。

2.2.2 報警保持及消除電路

熱釋電傳感器探測的微弱電信號經(jīng)過放大電路的放大及濾波后，當(dāng)前置電路有電信號傳來時，此模塊的輸出信號由低電平到高電平變化，從而觸發(fā)報警音樂芯片驅(qū)動電路，放大電路中的電位器W1可用于對比較電路的判決電平進行調(diào)節(jié)[10]。報警電路主要完成報警保持及消除的控制，輸入電平高于判決電平發(fā)出報警，具體電路如圖7所示。

圖7 報警保持及消除電路

2.3 軟件代碼實現(xiàn)

在對單片機進行軟件編程時，本設(shè)計選擇C語言作為編程語言。

主程序的設(shè)計包括A/D獲取子程序和液晶顯示子程序2個部分，如圖8所示。當(dāng)按下開始鍵時，A/D取得子程序開始外部的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)將接收到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，按下復(fù)位鍵，A/D轉(zhuǎn)換再次開始。液晶顯示子程序在按下開始鍵時，屏幕會清除并準(zhǔn)備顯示所獲得的結(jié)果，在按下復(fù)位鍵后，會清除從先前保持的顯示器獲得的結(jié)果以準(zhǔn)備下一個顯示[11]。

圖8 系統(tǒng)主函數(shù)運行流程圖

主函數(shù)的作用是在綜合上述編程功能的基礎(chǔ)上完成對整個系統(tǒng)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)的控制，包含初始化溫度、初始化I/O口、初始化1602液晶及執(zhí)行顯示函數(shù)、運行A/D采集并最終正確顯示人體體溫測量結(jié)果等功能。I/O口初始化的作用是完成對STC89C58單片機I/O口的初始化。1602液晶顯示是本設(shè)計中較為重要的部分，這里完成了對1602液晶的初始化，包括相應(yīng)的靜態(tài)顯示及動態(tài)顯示[12]。

2.4 模塊測試

針對本設(shè)計不同的軟硬件功能分配，分別安排系統(tǒng)測試。對防疫座椅的體溫檢測模塊硬件等部分進行逐步測試。對防疫座椅的體溫檢測模塊軟件等部分進行整體軟件測試。

在測試模塊過程中，首先會對T1中斷子程序、串口中斷子程序、系統(tǒng)顯示子程序、循環(huán)功能子程序和數(shù)據(jù)處理子程序進行模擬調(diào)整。在確認(rèn)后進行聯(lián)調(diào)，接下來測試主程序。主要控制16個檢測點組，結(jié)束各組的引線誤差的測量和計算，除去該組的誤差，從而進行數(shù)據(jù)保存，此外，需要進行調(diào)整數(shù)值復(fù)原，初始化相關(guān)程序，查看接線情況的保存及裝置地址設(shè)置的保存轉(zhuǎn)換情況[13]，顯示測量結(jié)果準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

當(dāng)今社會大環(huán)境愈發(fā)向智能化發(fā)展。本項目的工作內(nèi)容是提供具有防疫功能的高鐵動車座椅，解決了一般高鐵座椅不能進行乘客體溫實時監(jiān)測，從而不能第一時間得知乘客的病情，存在疫情感染的安全隱患的問題。本文設(shè)計符合當(dāng)代發(fā)展趨勢。如果本文座椅投入使用，將大大減少車內(nèi)工作人員的工作量，同時為乘客的安全提供了保障。座椅靠背的底端固定連接有舒適坐墊，座椅靠背遠(yuǎn)離電力連接桿的一側(cè)可拆卸安裝有座位扶手，座位扶手的內(nèi)側(cè)設(shè)有按鈕槽等優(yōu)化設(shè)計，可以大大改善乘客的乘坐體驗，且可減少桌板方面事故發(fā)生的幾率。故發(fā)展前景與可行性較好。