基于Arduino單片機自動控制的電梯按鈕自動消毒裝置

丁帥陽 胡甲琦 陽一凡 韓成浩 胡益凡

（合肥工業(yè)大學機械工程學院 安徽省宣城市 242000）

1 總體方案設計

1.1 電梯按鈕自動消毒裝置設計

在該消毒裝置的控制上，采用處理速度快、兼容性好且價格便宜的Arduino單片機。其硬件資源豐富，核心為ATmega328P的微控制器。它有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用作PWM輸出），6個模擬輸入，16MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復位按鈕。其功能強大，同時滿足低功耗的要求，在開發(fā)板供電方面只需5V電源便可進行驅動，使用非常方便。裝置需要藍牙模塊實現不同開發(fā)板間的通訊功能；另外，還需要對裝置的機械結構進行建模，以及對電路進行分析，從而對裝置進行選型，對裝置的電路進行設計，使該裝置能夠在電梯內部投入使用。該裝置包含的各個模塊如圖1所示。

圖1：電梯按鈕自動消毒裝置各模塊示意圖

1.2 電梯按鈕自動消毒裝置制作難點

1.2.1 機械結構設計難點

機械結構設計難點在于自清潔機構的設計，裝置在對電梯按鈕消毒后需要對末端滾筒進行清潔以便能夠達到重復清潔和長久使用的目的。自清潔機構需要同時有儲存和清潔的功能，工作時，自清潔機構需要打開以便能夠完成對滾筒的清潔動作；未工作時，自清潔機構作為末端滾筒的儲存裝置。所以在設計自清潔機構時，必須要滿足以上要求。

1.2.2 電路設計難點

電路設計難點在于供電電路的設計和藍牙通訊電路的設計。在夜間電梯長時間無人使用時需要使裝置進入休眠狀態(tài)。本裝置連接眾多模塊，為了使得硬件能被最大程度地利用，在電路設計時需要根據不同的IO口具有的硬件資源將不同的模塊與合適的IO口連接到一起。關于藍牙通訊電路的設計，開發(fā)板間的通訊需要依靠藍牙模塊HC-05。藍牙協(xié)議復雜，運行時容易受干擾是項目進行過程中需要著重考慮的問題。在進行藍牙調試時需要確保信息的準確性和時效性，以防止裝置出現故障。

1.3 電梯按鈕自動消毒裝置的設計目標

計劃設計該裝置可以每30分鐘對電梯按鈕進行一次消毒，將殘余在其表面的病毒消除，以降低病毒傳染率。對主體擦拭機構稍加改動后便可對更多公共場所物件進行消毒。通過對該裝置控制程序的設計，使其能夠完美驅動電機、舵機的正常運行，并對采集的信號作出有效的處理。此外，對電源的設計要求能夠滿足單片機、電機和舵機等的正常供電，同時要使該裝置不對電梯的正常使用產生影響，并能達到良好的消毒效果。

1.4 電梯按鈕自動消毒裝置預期成果

在當今疫情仍持續(xù)發(fā)展的情況下，電梯按鈕自動消毒裝置能代替人工對頻繁使用的電梯進行定時的按鈕消毒工作，可以做到：

（1）減少人工資源的浪費，及時對使用過的電梯按鈕進行消毒，提高消毒效果，避免病毒通過間接接觸進一步的傳播。

（2）該裝置投入使用后可以從病毒傳播途徑上減少病毒的傳播，達到降低人與人之間間接接觸而導致傳染的可能性。

2 電梯按鈕自動消毒裝置結構設計與實現

裝置的結構包含三個主要部分，分別是末端與電梯按鈕表面直接接觸完成消毒工作的清潔機構、進行豎直方向運動的滾珠絲杠導軌傳動機構和對海綿滾筒進行清潔工作的自清潔機構。裝置的結構如圖2所示。

圖2：裝置結構示意圖

2.1 清潔機構

清潔機構的末端海綿滾筒與電梯按鈕面板直接接觸，通過機械臂帶動海綿滾筒并施加擦拭動作所需的基本壓力。海綿滾筒與電梯按鈕面板通過接觸表面的滾動摩擦，在消毒劑的作用下對電梯按鈕起到消毒滅菌的作用，從而完成對電梯按鈕的清潔工作。清潔機構的機械臂由舵機及其標準套件組成，滾筒與機械臂之間使用3D打印的支架連接。這樣設計有效地減小了裝置的制作成本和占用體積，且在非工作狀態(tài)時不影響電梯的正常使用。

2.2 導軌傳動機構

使用57步進電機驅動的滾珠絲杠導軌驅動，帶動與滑塊連接的機械臂運動，從而對電梯的整個操作面板進行消毒，滑塊與機械臂之間通過3D打印的連接板進行連接。使用導軌傳動減少了機械臂的自由度，由此降低了機械臂的制作成本和控制難度。滾珠絲杠導軌可將步進電機的回轉運動轉化為直線運動，具有以下特點：摩擦損失小、傳動效率高。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率；精度高。滾珠絲杠副的生產在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面進行了嚴格的控制；高速進給和微進給可能。利用滾珠運動，可使啟動力矩極??；軸向剛度高。滾珠絲杠內通過給滾珠加預壓力，在實際用于機械裝置時，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強。

57步進電機配有DM542驅動器，DM542是一款專業(yè)的兩相步進電機驅動器，兼容Arduino和其他多種主控器，可實現步進電機正反轉控制，對步距角進行細分，通過改變頻率改變電機的速度。

2.3 自清潔機構

使用加壓泵將消毒瓶中的消毒液通過導管噴灑在滾筒上進行自清潔，加壓泵選用5V直流水泵，配合人體紅外傳感器模塊在無人搭乘時對電梯按鈕進行消毒，避免對乘客產生干擾。

設置的自清潔模塊可以及時對海綿滾筒進行清潔，并且補充滾筒上吸附的消毒液，以防止被電梯按鈕污染的海綿滾筒造成的二次污染，使消毒液揮發(fā)導致的消毒效率大幅降低，此外自清潔機構為半封閉結構，以減少消毒液揮發(fā)的刺激性氣味。此模塊保證了裝置長時間的高效殺菌消毒，同時提高了裝置的自動化程度，減小了人工成本。

2.4 消毒材料的選擇

2.4.1 酒精（醇類消毒劑）

優(yōu)點：較溫和不刺激，可直接接觸皮膚；容易獲取，便宜。

缺點：略有氣味，部分人群酒精過敏，不可噴霧消毒，當局部空氣濃度達到3%以上時，甚至會被火星或者衣服上的靜電引燃。

2.4.2 雙氧水（過氧化物消毒劑）

優(yōu)點：低濃度的雙氧水能夠起到消毒作用并且化學性質較為溫和，可直接接觸皮膚，分解后沒有氣味。相比于酒精，使用雙氧水的成本更低。

缺點：電梯按鈕是金屬的，由于很多金屬元素的物質也可以催化雙氧水分解，如鐵離子、銀單質、氧化銅等，這種催化分解跳過了過氧氫根釋放活性氧[O]的階段，跨越有效的氧化消毒階段直接生成氧氣和水，消毒效果自然會降低。雙氧水易分解，需要及時更換。我們的解決方案是用保鮮膜覆蓋按鈕表面，一方面能夠防止液體不斷接觸按鈕造成事故，另一方面可以保證消毒效果。

2.4.3 酚類消毒劑（比較常見的如滴露）

優(yōu)點：氣味清新，可直接接觸人體。

缺點：更換消毒液時需要將滴露和水混合倒入，比例難以精確控制；成本較高。

3 裝置控制程序設計

圖3是程序執(zhí)行流程圖。本項目使用的編程語言是基于Arduino平臺的C語言，在編寫程序過程中使用了大量第三方庫，資源豐富，可操作性好。程序編寫時采用模塊化編程，將不同模塊的初始化和驅動程序分別放入不同的子程序中，通過在主程序中調用子程序來實現總體的控制功能。模塊化編程最大的優(yōu)點是程序的可閱讀力強，編程思路體現得更加清晰，對于程序的分模塊調試以及程序修改也非常方便。通過代碼編寫控制各個模塊相互協(xié)調以實現項目所需功能。此外，該裝置中使用到藍牙通訊、中斷、定時器中斷等，通過合理分配硬件資源可以使得裝置能夠及時響應，正常工作，以完成預期的任務。

圖3：程序執(zhí)行流程圖

電梯按鈕消毒裝置啟動后，完成各模塊的初始化，然后每隔三十分鐘檢測電梯內部是否有人以及電梯是否正在運行，如果電梯處于空閑狀態(tài)則裝置開始工作，工作時間控制在三分鐘，完成工作后繼續(xù)等待下一次工作。

4 系統(tǒng)電路設計

4.1 各個模塊功能的實現

4.1.1 人體紅外檢測模塊

為了實現裝置不影響電梯正常使用的運行條件，我們選用了人體紅外檢測模塊，該模塊采用人體紅外熱釋電傳感器HC-SR501，當人進入電梯后，傳感器采集到前方人體溫度變化的數據，會將其以電壓信號的方式傳輸到芯片，芯片再通過AD轉換成相應的數字信息，系統(tǒng)由此得到電梯內是否空載的信息。如果此時電梯內有人，人體標志位將置1，紅燈亮起，再經過主控芯片分析，將信息傳遞給其他模塊，作為其他模塊運行的判斷標準。

4.1.2 藍牙通訊模塊

為了實現末端執(zhí)行機構和主控之間的通訊，采用了HC-05模塊，將一塊開發(fā)板作為主機，另一塊開發(fā)板作為從機，實現兩塊Arduino uno開發(fā)板之間的信息與命令傳輸，該模塊可以協(xié)調各部分模塊的運行與配合，并且藍牙的低功耗小，體積的特性也避免了多余的有線連接，節(jié)省了空間，增加了緊湊性。

4.1.3 報警急停模塊

如果在裝置運行過程中設備出現了故障，例如裝置電壓不足、裝置在運行過程中電梯開啟使其受到干擾，裝置受到人為破壞等，此時裝置將自動停止工作并鎖死，同時蜂鳴器發(fā)出警報，若裝置未能及時停止，我們也設計了急停按鈕，電梯內人員也可通過急停按鈕進行人為制動控制。

4.2 系統(tǒng)驅動電路連接示意圖

步進電機采用57步進電機，相應的驅動器采用雷塞DM542驅動器，圖4為驅動電路連接示意圖。

圖4：驅動電路連接示意圖

4.3 硬件資源的分配

根據Arduino不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O上，以實現硬件資源的合理使用。此外，對于需要驅動的電機和舵機用專門的驅動電路與之相連接，藍牙通訊電路需要用UART進行連接，為了滿足各個模塊能夠實現其功能，從而滿足需要，將Arduino uno的硬件資源進行分配，使能夠順利完成項目所需要的功能。

5 項目研究中遇到的部分問題及應對思路與措施

5.1 裝置運行時會出現電線纏繞問題

裝置的主運動，即滾珠絲杠的運動范圍較大，如果采用線連接位于滑塊上的機械臂會導致裝置在運動過程中線纏繞在一起，從而可能引發(fā)裝置故障。如果想要達到避免用線連接并可以控制舵機的目的，可以采用藍牙通訊，通過兩塊開發(fā)板間的無線通信實現對舵機的控制，同時可以避免了有線纏繞的問題。為此，本文采用HC-05藍牙模塊進行開發(fā)板間的通訊。

5.2 各個模塊的協(xié)同工作問題

本裝置包含多個模塊，要實現各個模塊協(xié)同工作以達到預期的工作效果。裝置采用的是以AVR系列的ATmega328P芯片為核心Arduino uno板，各個模塊由此主控板控制，通過程序控制各個模塊信號的處理及輸出。通過利用內部的定時中斷來控制各個模塊工作順序，以此來使各個模塊相配合達到預期的工作效果。

6 總結與展望

本項目研究的是“基于Arduino單片機自動控制的電梯按鈕消毒裝置”，該裝置具有能夠替代人工定時對電梯按鈕消毒的功能，可以頻繁對電梯按鈕進行自動消毒，以阻止病毒通過間接接觸進行傳播。裝置結構簡單、價格便宜且易安裝，適合推廣普及，實現疫情防控常態(tài)化，全面化。

通過查閱國內外文獻，作者發(fā)現研發(fā)此類產品的企業(yè)不多，本項目研發(fā)的產品可以占據先發(fā)優(yōu)勢，擠占市場藍海。

作者計劃完成項目之后先在所在城市進行試運行，與廠家聯(lián)系之后再通過優(yōu)化以及流水線生產進一步壓低成本，使得該產品進入人口密集場所的電梯，減少被病毒感染的風險。

該裝置可以每30分鐘對電梯進行一次消毒，這不僅可以在國內得到應用，更有望推廣到國外，該裝置的設計思路不單單只能應用于電梯按鈕的消毒，對其稍做更改，保留核心的擦拭機構，就可以應用于更廣范圍的公共衛(wèi)生防護領域，具有非常廣泛的應用前景。