基于單片機的用腳開閉多功能門設(shè)計

謝松辰，莫云杰

（1.安徽省合肥市第四中學(xué)，安徽 合肥 233000；2.安徽建筑大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 用腳開閉門的研究背景

新冠肺炎疫情是中華人民共和國成立以來中國遭遇的傳播速度最快、感染范圍最廣、防控難度最大的一次重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件[1]。由于新冠肺炎疫情的沖擊，國民對公共環(huán)境衛(wèi)生更加關(guān)注。公共場所的清潔與消毒，是防治傳染病的重點區(qū)域。而公共廁所作為公共場所中不可或缺的一部分，已成為感染新冠肺炎的高危區(qū)域。2020-06-21T0：00—24：00，北京新增9例本地確診病例，其中2例在海淀區(qū)，經(jīng)海淀區(qū)疾控中心的流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該2例確診病例的感染途徑是永定路70號院的公共廁所。

日常生活中，類似于公共廁所的公共區(qū)域還有很多，人們不可避免地要到一些公共場所接觸同一個物品，如電梯按鍵、公共衛(wèi)生間的門等。而門基本上都是用手打開或者關(guān)閉，導(dǎo)致了門把手被很多人觸摸，也加快了細菌和病毒的傳播概率。因此，若能設(shè)計一種不用手進行開閉的門，將會降低公共區(qū)域的病菌傳播。與此同時，當(dāng)人們的雙手中抱有大量的文件或拿著很多東西時，無法騰出手將門進行打開或關(guān)閉，如果選用腳來進行開關(guān)門，人的皮膚就不會直接接觸到受污染的門把手，大大降低了被病菌感染的可能。因此，設(shè)計一種用腳進行開閉的門是降低公共衛(wèi)生間疾病傳播、解決無法用手開關(guān)門的重要途徑。

當(dāng)人處在衛(wèi)生間時，若突然出現(xiàn)身體不適需要幫助，或者由于身體原因?qū)е峦蝗粫灥篃o人發(fā)現(xiàn)時，將會錯過最佳救援時間；此外，有些人喜歡在廁所長時間玩手機，既占用了公共資源，又會對自身身體健康產(chǎn)生一定的影響，如易導(dǎo)致便秘等。因此，在設(shè)計用腳開閉門的裝置時需要通過控制部分實現(xiàn)報警提醒和求助的功能。

2 設(shè)計的原理與組成

基于單片機的用腳開閉多功能門裝置由門體結(jié)構(gòu)、開閉門機械結(jié)構(gòu)、控制器、紅外檢測模塊、指示燈模塊、蜂鳴器模塊、按鍵模塊和應(yīng)急開關(guān)門模塊組成。該裝置分為機械結(jié)構(gòu)部分和電控部分，其中機械結(jié)構(gòu)部分用腳控進行開關(guān)門，電控部分用于檢測門后人員情況。通過機械結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備的共同作用實現(xiàn)腳動開關(guān)門、人體檢測顯示、長時間無動作報警和人員主動求助功能，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計原理

用腳開閉門的機械裝置主要由腳踏齒輪、轉(zhuǎn)向齒輪、門桿轉(zhuǎn)動軸和開關(guān)門踏板等組成，通過腳踏齒輪傳動和門桿轉(zhuǎn)動軸傳動來實現(xiàn)門的開與關(guān)。具體工作原理如下。

2.1.1 腳踏齒輪傳動

腳踏齒輪傳動主要通過開關(guān)門踏板和腳踏齒輪實現(xiàn)。在腳踏齒輪兩側(cè)各安裝一個腳踏板，腳踏其中一個踏板后，踏板上的齒狀結(jié)構(gòu)帶動腳踏齒輪朝一個方向轉(zhuǎn)動。相反，腳踏另外一個踏板后則使腳踏齒輪朝另外一個方向轉(zhuǎn)動，工作原理如圖2所示。

圖2 腳踏齒輪工作原理示意圖

2.1.2 門桿轉(zhuǎn)動軸傳動

門桿轉(zhuǎn)動軸傳動主要通過轉(zhuǎn)向齒輪、腳踏齒輪和門桿轉(zhuǎn)動軸實現(xiàn)，如圖3所示。1號轉(zhuǎn)向齒輪與腳踏齒輪同軸，當(dāng)腳踏齒輪轉(zhuǎn)動后將帶動1號轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動，并間接帶動2號轉(zhuǎn)向齒輪和門桿轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。

2.1.3 廁所門的開關(guān)

圖3中的門桿轉(zhuǎn)動軸固定在廁所門邊上。在腳踏齒輪傳動和門桿轉(zhuǎn)動軸傳動的作用下，分別用腳踏開門踏板和關(guān)門踏板，促使門桿轉(zhuǎn)動軸朝不同方向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)開門和關(guān)門的功能。

圖3 門桿轉(zhuǎn)動軸工作原理示意圖

2.2 電控部分設(shè)計原理

用腳開閉門電控部分主要通過單片機來進行控制[2-3]，并輔以顯示模塊、報警模塊、檢測模塊等來實現(xiàn)人體檢測顯示、長時間無動作報警和人員主動求助功能。

人體檢測采用紅外檢測的方法，通過紅外檢測模塊檢測是否有人存在，并通過LED指示燈提示當(dāng)前的狀態(tài)，若指示燈為紅色表示門內(nèi)是有人狀態(tài)，綠色是無人狀態(tài)，黃色是報警狀態(tài)。報警功能是當(dāng)人長時間無動作的時候，蜂鳴器發(fā)出報警聲，若門內(nèi)人員情況正常，可通過按下復(fù)位按鍵取消報警，系統(tǒng)重新計時。

當(dāng)人出現(xiàn)身體不適需要幫助時，可按求助報警按鍵，蜂鳴器會發(fā)出報警聲，同時門鎖會自動解開，方便救援；當(dāng)人在門后暈倒時，達到一定時間后系統(tǒng)會自動發(fā)出警報聲，同時門鎖自動解開，方便外面的人聽到警報聲，及時予以救援。報警時指示燈為黃燈亮起，且蜂鳴器發(fā)出響聲。此時，若不是人為地按下復(fù)位按鍵，系統(tǒng)會認為人體出現(xiàn)意外，門鎖會自動解開，方便外面的人進行救援。

該電控部分主要使用到的硬件設(shè)備有控制器、紅外傳感器、LED模塊、蜂鳴器、按鍵模塊和應(yīng)急開門模塊。具體工作原理如下。

控制器：控制器是電子控制模塊的核心，編寫程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。該控制器名為ATmega328P單片機，擁有13個數(shù)字輸入輸出口和6個模擬輸入口，如圖4所示。

圖4 控制器

紅外傳感器：紅外傳感器的功能是檢測有無人員在門后面，如果檢測到門后面有人，就會產(chǎn)生電平的變化，電平變化會被控制器接收到，控制器接收到數(shù)據(jù)就可以在LED顯示器上顯示出來，如圖5所示。

圖5 紅外傳感器

LED顯示器：LED模塊一共有3種顏色，分別為紅色、綠色和黃色，如圖6所示。3種顏色分別代表著不同的狀態(tài)。紅色代表門后有人，綠色代表門后無人，黃色代表門后人出現(xiàn)了異常情況。

圖6 LED燈模塊

蜂鳴器：蜂鳴器模塊適用于在人出現(xiàn)異常的情況下報警使用，當(dāng)人長時間無操作的時候，蜂鳴器也會發(fā)出聲音，提醒人們注意或進行及時救助，如圖7所示。

圖7 蜂鳴器模塊

按鍵模塊：按鍵模塊一共設(shè)置了2個按鍵，分別為復(fù)位按鍵和求助按鍵。當(dāng)時間足夠報警產(chǎn)生時，如果不需要救援可以按下復(fù)位按鍵，停止報警；當(dāng)自身覺得不舒服需要救援時，可以按下求助按鍵，此時蜂鳴器會發(fā)出報警聲，并且門鎖會自動打開，如圖8所示。

圖8 按鍵和指示燈

應(yīng)急開門模塊：在沒有發(fā)生報警的情況下，應(yīng)急開門模塊是充當(dāng)機械裝置門鎖供使用的；在發(fā)生報警或者是人為地發(fā)起報警時，模塊可以自動解鎖，打開門鎖，方便對里面的人進行救援，如圖9所示。

圖9 應(yīng)急開門模塊

3 操作方法與步驟

基于單片機的用腳開閉多功能門裝置的操作方法分為2個部分：①門的開與關(guān)。在門內(nèi)通過腳踏開門踏板和關(guān)門踏板，帶動齒輪傳動和門桿轉(zhuǎn)動軸傳動，進而帶動門桿轉(zhuǎn)動軸朝開門和關(guān)門的方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)開門和關(guān)門的功能，該部分機械結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。②電控部分。通過單片機控制實現(xiàn)人體檢測、長時間無動作報警和人員主動求助功能。當(dāng)人進入門內(nèi)，紅外傳感器會自動檢測到人體，并且開始計時，設(shè)定時間為6 min。如果超過6 min人還在門內(nèi)，系統(tǒng)就會自動觸發(fā)蜂鳴器報警，這個時候警報聲會持續(xù)15 s。如果15 s內(nèi)里面的人按下了復(fù)位按鍵，系統(tǒng)就會停止報警，然后重新計時；如果15 s內(nèi)門內(nèi)的人沒有按下復(fù)位按鍵，系統(tǒng)就會認為人員出現(xiàn)意外狀況，那么門鎖會自動解開，方便門外的人員進入救援。如果人在門后的過程中，感覺身體不適需要幫助，可以人為地按下求助按鍵，就會直接觸發(fā)警報，那么門鎖也會自動解開，定義為人需要救援。電控部分由模塊化結(jié)構(gòu)組成，功能齊全。

4 總結(jié)

新冠疫情的發(fā)生讓人們注意到了公共區(qū)域直接接觸發(fā)生感染的危險性，公共衛(wèi)生間的衛(wèi)生以及防止人員密集型接觸同一區(qū)域的設(shè)計刻不容緩。針對現(xiàn)有公共衛(wèi)生間門多采用手動開關(guān)，易造成交叉感染的情況，本文設(shè)計了一種用腳進行開閉的多功能門裝置，也解決了公共衛(wèi)生間內(nèi)人們因長時間玩手機而占用公共資源，以及當(dāng)衛(wèi)生間內(nèi)人突然感到身體不適想要求助或者暈倒了無法及時得到救援的問題。

主要設(shè)計內(nèi)容如下：①采用機械結(jié)構(gòu)，通過腳踏齒輪傳動和門桿轉(zhuǎn)動軸傳動來實現(xiàn)衛(wèi)生間門的開與關(guān)，避免了人員皮膚直接接觸公共區(qū)域，保證了人與細菌隔離，減少人員交叉感染的風(fēng)險，安全衛(wèi)生。②基于單片機功能，通過利用紅外感應(yīng)感知人員狀況，超時可報警。當(dāng)人進入衛(wèi)生間時間超過設(shè)定的時間時，蜂鳴器發(fā)出報警聲，人員情況正常，可按復(fù)位按鍵取消報警，系統(tǒng)重新計時；當(dāng)人出現(xiàn)身體不適需要幫助時，可按求助按鍵，蜂鳴器會發(fā)出報警聲，同時門鎖會自動解開；當(dāng)人在門內(nèi)暈倒時，達到一定時間系統(tǒng)會自動發(fā)出警報聲，同時門鎖自動解開，方便外面的人聽到警報聲，及時進行救援。本裝置使用鋰電池，可充電，停電時也不影響使用。③本裝置在實現(xiàn)用腳開關(guān)門的基本功能上，具有人體檢測、長時間無動作報警和人員主動求助功能，制作簡單、成本較低、實用性強。