電梯用自動(dòng)紫外線殺菌燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯這類人流密集、相對(duì)封閉的公共場所進(jìn)行高效殺菌消毒，達(dá)到防止病毒傳染的目的，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)紫外線殺菌燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32芯片為主處理器，采用紅外傳感器與藍(lán)牙模塊，通過手機(jī)控制，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定所需的消毒時(shí)間與消毒頻率，并可做到僅在電梯中無人且非運(yùn)行時(shí)段消毒。

關(guān)鍵詞：紫外線殺菌;電梯;自動(dòng);STM32

0 引言

電梯轎廂是相對(duì)密閉的空間，空氣流通性差，人員密集，易于細(xì)菌或病毒通過接觸或呼吸道、飛沫等方式傳播。紫外線消毒是最方便的空氣消毒方法，對(duì)物體表面消毒具有一定效果，特別是對(duì)光滑表面消毒效果更好，適用于對(duì)電梯轎廂與電梯按鍵的消毒，可以更加高效地達(dá)到防止病毒傳染的效果，為此本文設(shè)計(jì)了一種適用于電梯殺菌消毒的自動(dòng)紫外線殺菌燈系統(tǒng)。

1 紫外線殺菌原理

紫外線殺菌原理是通過誘發(fā)DNA相鄰的嘧啶堿基產(chǎn)生環(huán)丁烷嘧啶二聚體，產(chǎn)生光化學(xué)產(chǎn)物，阻礙基因的正常復(fù)制，進(jìn)而導(dǎo)致微生物的滅活和死亡。紫外線殺菌作為一種常見的空氣和物體表面消毒方式，對(duì)多種微生物有著高效的殺滅效果，尤其是對(duì)于結(jié)核分枝桿菌、流感病毒等有著顯著的殺滅作用。同時(shí)，紫外線照射產(chǎn)生的臭氧有利于較長時(shí)間內(nèi)保持轎廂內(nèi)的清潔。目前，國內(nèi)只有溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院使用了智能紫外線消毒監(jiān)控管理系統(tǒng)，應(yīng)用于醫(yī)院的感染高風(fēng)險(xiǎn)醫(yī)療區(qū)域。但是，該系統(tǒng)安裝成本較高，且其核心技術(shù)是采用國際先進(jìn)的氮化鎵基紫外傳感器，對(duì)硬件要求較高，尤其像電梯這類數(shù)量眾多、分布較為分散的公共場所，很難普及這種消毒系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的是電梯用自動(dòng)紫外線燈殺菌系統(tǒng)，主要是針對(duì)住宅小區(qū)和辦公區(qū)等場所的電梯，使用單片機(jī)自動(dòng)控制紫外線燈進(jìn)行殺菌。系統(tǒng)采用STM32f103作為主處理器，具有體積小、耗電量低等特點(diǎn)，有利于安裝在電梯中，批量生產(chǎn)后的設(shè)備成本較低，容易被較多普通用戶接受。該系統(tǒng)安裝在電梯中，可以由手機(jī)通過藍(lán)牙模塊與STM32f103處理器通信，設(shè)置殺菌時(shí)間后，可由該模塊將殺菌的具體時(shí)間上傳至手機(jī)端。處理器內(nèi)設(shè)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，設(shè)置開啟紫外線燈時(shí)間30 min，如果有人進(jìn)入電梯或電梯有開門信號(hào)則停止殺菌工作，無人后繼續(xù)工作。

該系統(tǒng)的工作方式：（1）系統(tǒng)開機(jī)，初始化系統(tǒng)，設(shè)置開燈時(shí)間和開燈時(shí)長。同時(shí)設(shè)置開燈時(shí)間間隔，精確到小時(shí)或天，例如時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器設(shè)置為1天，就是每天在開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的范圍內(nèi)開燈。如果大于1，就是到計(jì)時(shí)開始時(shí)間時(shí)減1，減到1的時(shí)候，就可以開燈。開燈后把時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器設(shè)置為初始值。（2）判斷是否到達(dá)設(shè)計(jì)的開燈時(shí)間區(qū)間。如果到達(dá)開燈時(shí)間區(qū)間后，判斷電梯內(nèi)是否有人或物，沒有就開燈計(jì)時(shí)。判斷是否到達(dá)關(guān)燈時(shí)間，如果到達(dá)則關(guān)燈，并通過Wi-Fi將開燈時(shí)長發(fā)送至手機(jī)。（3）判斷是否有人按電梯按鈕，如果有，則關(guān)燈，重復(fù)第2步。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本文考慮到功耗、時(shí)鐘電路需求等因素，采用STM32f103芯片作為主處理器，該芯片最高工作頻率為72 MHz，有4M～16M晶體振蕩器，內(nèi)嵌出廠調(diào)校的8 MHz的RC振蕩器及帶校準(zhǔn)功能的32 kHz RTC振蕩器，有一個(gè)VBAT引腳為RTC和后備存儲(chǔ)器供電。RTC接一個(gè)外部晶體的32.768 kHz的振蕩器，可以產(chǎn)生一個(gè)1 s時(shí)長的時(shí)間基準(zhǔn)。該芯片具有功耗低的特點(diǎn)。

系統(tǒng)硬件電路由STM32處理器電路、紫外線燈控制電路和紅外傳感器電路組成。其中STM32處理器電路由電源系統(tǒng)、復(fù)位電路、晶振電路、調(diào)式電路等主要電路組成。復(fù)位電路是指系統(tǒng)上電時(shí)為處理器提供復(fù)位信號(hào);晶振電路由一個(gè)主晶振倍頻后產(chǎn)生72 MHz主工作時(shí)鐘和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振，內(nèi)部分頻后產(chǎn)生1 Hz的時(shí)鐘用于時(shí)間日歷記錄。電源電路給出的是模擬電源與數(shù)字電源隔離電路，提供12 V、5 V和3.3 V的電源以及由一個(gè)電池提供3 V的電源，其中12 V電源用來驅(qū)動(dòng)燈繼電器，5 V電源為基本的邏輯器件電源，3.3 V電源是主處理器的工作電源，電池電源為芯片時(shí)鐘電路電源。串行單線調(diào)試模式電路用于將軟件下載到芯片和芯片的調(diào)試。藍(lán)牙接口電路可以通過手機(jī)或其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)也可以將殺菌時(shí)間信息通過藍(lán)牙設(shè)備傳到手機(jī)端，本文采用DT-06無線Wi-Fi串口透傳模塊實(shí)現(xiàn)。紅外感應(yīng)電路可以根據(jù)電梯的大小適當(dāng)設(shè)計(jì)紅外感應(yīng)電路的個(gè)數(shù)，本文設(shè)計(jì)兩路相同的紅外感應(yīng)電路，以免一旦紅外感應(yīng)電路發(fā)生故障，打開紫外線燈對(duì)人體造成傷害。主處理器對(duì)電梯中的紅外感應(yīng)電路進(jìn)行檢測，檢測其是否發(fā)生故障。紫外線燈控制電路在開燈條件都滿足的情況下，根據(jù)設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行開燈殺菌。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)采用手機(jī)通過藍(lán)牙模塊傳送給處理器初始化信息，藍(lán)牙通過中斷程序向處理器傳輸數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)回傳到手機(jī)中。程序初始化數(shù)據(jù)包括初始化開始開燈時(shí)間、開燈間隔計(jì)數(shù)器、關(guān)燈計(jì)數(shù)器、開燈時(shí)長計(jì)數(shù)器、開始和結(jié)束狀態(tài)標(biāo)志。開始狀態(tài)標(biāo)志用來控制系統(tǒng)是否工作，如果工作則置位1，如果不工作則復(fù)位0。手機(jī)端可以通過設(shè)置結(jié)束狀態(tài)標(biāo)志為1隨時(shí)結(jié)束該系統(tǒng)的工作程序，在主程序中增加判斷結(jié)束狀態(tài)的語句。如果開始狀態(tài)為1，表示開啟自動(dòng)消毒系統(tǒng)，判斷開始時(shí)間是否到達(dá)，如果沒有到達(dá)，則等待，直到開燈時(shí)間到達(dá)。到達(dá)開燈時(shí)間后，判斷開燈間隔計(jì)數(shù)器是否為1，若不為1，說明初始化數(shù)據(jù)是人為設(shè)定的，該系統(tǒng)消毒間隔不是1天，則開燈間隔計(jì)數(shù)器減1，程序進(jìn)入等待時(shí)間周期中，等待時(shí)間為23 h，在等待過程中，仍然可采用結(jié)束狀態(tài)標(biāo)志中斷程序進(jìn)行，即等待過程中，如檢測到結(jié)束標(biāo)志狀態(tài)為1，則結(jié)束系統(tǒng)工作程序，若等待過程中結(jié)束狀態(tài)標(biāo)志始終為0，則程序仍然繼續(xù)保持等待狀態(tài)，直到開燈間隔計(jì)數(shù)器減1為止。此時(shí)要打開紅外掃描裝置，并開啟關(guān)燈計(jì)數(shù)器（關(guān)燈計(jì)時(shí)器初值為設(shè)定的開燈時(shí)長，例如設(shè)定開燈時(shí)間為02：00—03：00，則關(guān)燈計(jì)數(shù)器值為60 min），關(guān)燈計(jì)數(shù)器開始減計(jì)時(shí)。

判斷是否滿足消毒條件，即通過紅外掃描裝置判斷是否有人或物，如果有則等待，如果無，還需要判斷是否有電梯按鍵按下，如果同時(shí)滿足電梯內(nèi)沒有人或物，且無電梯按鍵被按下，則開燈，并開啟開燈時(shí)長計(jì)數(shù)器，開燈時(shí)長計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。開燈后仍然繼續(xù)判斷是否有人或物以及是否有電梯按鍵被按下，如果有人進(jìn)入電梯或有電梯按鍵被按下，則關(guān)燈，關(guān)閉開燈時(shí)長計(jì)數(shù)器，并判斷關(guān)燈計(jì)數(shù)器是否為0。如果不為0，則繼續(xù)判斷是否滿足開燈條件，若滿足則開燈，開啟開燈時(shí)長計(jì)數(shù)器，并重復(fù)上述循環(huán)。如果為0，則關(guān)燈，并通過藍(lán)牙發(fā)送開燈時(shí)長計(jì)數(shù)器值給手機(jī)。如此循環(huán)，直到檢測到結(jié)束狀態(tài)為1，系統(tǒng)工作結(jié)束。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種電梯用自動(dòng)紫外線殺菌燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過改變殺菌時(shí)間來調(diào)整殺菌頻率，從而使該系統(tǒng)在特殊時(shí)期能發(fā)揮更大的作用。

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收稿日期：2020-03-12

作者簡介：林楓（2002—），女，遼寧人，研究方向：儀器與光信號(hào)處理。