一種智能鞋底清潔機的設計研究

錢偉龍 QIAN Wei-long；張治軍 ZHANG Zhi-jun；鮑蓉 BAO Rong

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學，蘭州 730060）

0 引言

隨著人們對生活水平的不斷提高，對生活中居住環(huán)境也有較高的要求，人們希望自己的居家環(huán)境更方便、更健康、更整潔。而鞋底是人們經(jīng)常接觸污垢的最直接部位。不論是流行病、有害物質(zhì)或影響環(huán)境的污染物，它們很容易粘在鞋底上。隨著人體的運動，鞋底已成為有害物質(zhì)最重要的載體，不斷地從一個環(huán)境遷移到另一個環(huán)境，如何堵住鞋底下的“偷渡者”。

疫情在世界各地肆虐，消毒、清潔和戴口罩已成為控制疫情傳播的有力措施。后疫情時代，對進入室內(nèi)人員鞋底進行清洗消毒成為一種常態(tài)，確保進入室內(nèi)人員鞋底干凈衛(wèi)生，成為一種現(xiàn)實需求。因此，設計一種操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用于各種場所，能夠快速徹底地去除鞋底污垢并對鞋底進行消毒的智能鞋底清洗機是必要的，滿足時代的需要，市場潛力巨大。

1 總體設計方案

本文針對智能清潔機主要從電氣、機械、顯示方案等方面進行了設計研究，電氣我們采用了最簡單的驅(qū)動方式，用傳感器、電機等組成。通過傳感技術(shù)和控制電機的轉(zhuǎn)動，利用紅外線物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。接下來是機械部分，機械有兩部分組成，清洗裝置和烘干裝置，這是清洗裝置外形，這是烘干裝置外形，清洗裝置和烘干裝置同為方形結(jié)構(gòu)，方便我們的拼接。清洗裝置的上面是一個踩踏板，通過傳動軸的轉(zhuǎn)動達到清潔，下面是由蓄水盒和控制器組成，這個蓄水盒里面我們可以稀釋消毒液達到殺菌消毒作用，采用最傳統(tǒng)的消毒方式，對水進行過濾重復使用，更加環(huán)保。烘干裝置用于烘干鞋底和本身清理，結(jié)構(gòu)簡潔可靠，可長時間循環(huán)使用，節(jié)省大量能源。

鞋底清洗消毒裝置是以機械控制為主，電器結(jié)構(gòu)為輔。利用傳感技術(shù)，實現(xiàn)機電結(jié)合。鞋底清洗消毒裝置是通過感應裝置是否感應到可執(zhí)行的信息。如果檢測到信息電機開始工作。共同完成清洗消毒工作。電氣部分由傳感器、電機等組成。

2 機械部分設計

機械部分的設計是智能鞋底清潔機的關(guān)鍵所在，關(guān)系到機器的操作、結(jié)構(gòu)及成本；本文設計的機械部分主要包括x軸方向的可以實現(xiàn)同步運行的傳送帶，和傳送帶相連接的清洗硬刷輪，以及固定支撐座上安裝的溫度傳感器，如圖1所示。當人們將腳放在智能鞋底清潔機上時，傳感器檢測到信號，控制程序啟動，電機帶動傳送帶開始同步運行。傳送帶的運行帶動清洗輪毛刷同步旋轉(zhuǎn)，毛刷與鞋底接觸，對鞋底表面進行清潔。考慮到在長時間使用后，傳送帶疲勞后清潔效率會降低，因此在輸送帶底部設置了一個自動可調(diào)張緊輪，可對傳送帶松緊進行調(diào)整。

圖1 鞋底清潔機結(jié)構(gòu)框圖示意圖

3 電氣部分設計

電氣部分的設計采用紅外檢測方式，我們將紅外線發(fā)射管、紅外線接收管安裝在機器入口兩側(cè)，通過調(diào)試，使紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線可以被紅外線接收管接收，紅外線發(fā)射管和紅外線接收管連接在控制電路上，控制電路采用最簡單的Arduino驅(qū)動方式，如圖2所示。主要由傳感器，電機等組成，通過傳感技術(shù)控制電機的運行。

圖2 控制電路驅(qū)動方式

3.1 紅外線傳感器的啟動和應用

紅外傳感器是利用紅外線的物理特性進行測量的傳感器，在測量過程中不直接與被測物體接觸，具有靈敏度高、響應快的優(yōu)點。

該紅外傳感器主要由光學系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路組成。其中光學系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為透射型和反射型兩種。檢測原件根據(jù)工作原理的不同，可分為熱檢測元件和光電檢測元件兩種；熱敏電阻是應用最廣泛的熱檢測元件，當熱敏電阻被紅外線照射時，溫度升高，電阻迅速發(fā)生變化，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光敏元件通常被用作光電檢測元件，對光線非常敏感，當沒有光照射時，光敏電阻呈高阻狀態(tài)；當有光照射時，光敏電阻的電阻值迅速減小，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

本文中智能鞋底清潔機正是利用紅外線傳感器控制觸發(fā)整個裝置的開關(guān)，如果有人時整個裝置運行，在一定的時間內(nèi)將鞋底清洗消毒，然后停止一段時間，等待人離開，再次判斷是否有信號輸入。

3.2 紅外線控制原理

本智能清潔機采用光敏紅外傳感器來實現(xiàn)信號的檢測，利用紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，其發(fā)射紅外線的強度可以通過改變電流的大小實現(xiàn)，隨電流增大而增強。發(fā)出的紅外線被紅外接收管（屬于光敏二極管）接收，它的內(nèi)部有一個對紅外線敏感的PN節(jié)，只對紅外線有反應，無紅外光時，光敏管不導通。接收到紅外線的紅外接收管，光敏管導通形成光電流，光電流大小隨著紅外線強度增強在一定范圍內(nèi)增大。本文正是利用了這一點把紅外技術(shù)應用到智能鞋底清潔機的實際開發(fā)中。如圖3、圖4所示，紅外線傳感器分為發(fā)射和接收兩部分。

從圖3、圖4中可以看出，紅外發(fā)射電路和紅外接收電路連接到單片機的IO端口，其工作原理如下。紅外發(fā)射電路：當電路接入高電平時，三極管Q1不導通，故此紅外發(fā)射管D1不發(fā)射紅外線；當電路接入低電平時，三極管Q1導通，從而使紅外發(fā)射管D1發(fā)出紅外線。紅外接收電路：通過調(diào)整電位器R4給HS0038的1腳提供一個閾值電壓，電壓大小可以根據(jù)實際情況來確定。紅外光敏二極管C2接收到紅外線時，電路中會產(chǎn)生電流，電流大小會隨著紅外線的強弱而變化，紅外線由弱變強時，電流由小變大。當沒有紅外線或紅外線很弱時，沒有電流產(chǎn)生，此時引腳3的電壓接近VCC，其電壓值高于引腳2的電壓，通過HS0038比較后，接收檢測引腳輸出一個高電平。當隨著紅外線強度增強時，電流也會變大，此時引腳3的電壓值等于VCC-I*R3，電壓就會越來越小，當引腳3的電壓比引腳2的電壓還小時，接收檢測引腳就會輸出低電平。該電路用于智能鞋底清潔機時，當沒有人站在智能清潔機上時，紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號，紅外接收電路接收的紅外線比較強，此時接收檢測引腳輸出低電平，智能清潔機處于停止狀態(tài)。當有人站在智能清潔機上時，紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號，由于紅外信號被遮擋，因此接收電路光敏二極管C2接收不到紅外信號，接收檢測引腳輸出高電平，此時通過電機控制智能清潔機的運行，對鞋底進行清潔消毒。

圖3 紅外發(fā)射電路

圖4 紅外接收電路

3.3 紅外線和開發(fā)板的組裝原理

我們可以很容易的使用Arduino連接PIR運動傳感器，像其他的傳感器一樣。但是這一切都取決于我們的代碼邏輯，我們想要通過它如何有效的來檢測運動。和其他的傳感器一樣，PIR有3個引腳，VCC、信號和地。圖5展示了一個非常簡單的使用Arduino連接PIR運動傳感器的電路。

圖5 傳感器電路圖

PIR傳感器還有2個旋鈕。一個用于通過增大或減小運動檢測的范圍來調(diào)整靈敏度，另一個用于調(diào)整響應延遲的靈敏度。

3.4 L298驅(qū)動芯片

本文中電路設計驅(qū)動使用的是L298驅(qū)動芯片，該芯片的主要特點是：具有兩個h橋的高壓大電流全橋驅(qū)動器可用于驅(qū)動感應負載；采用標準TTL邏輯電平信號控制；工作電壓高，最大工作電壓可以達到46V；有兩個啟用控制終端，允許或禁止設備在不受輸入信號影響的情況下工作；有一個邏輯功率輸入，使內(nèi)部邏輯電路在低電壓下工作；輸出電流大，瞬時峰值電流可達3a，連續(xù)工作電流為1.5a；它可以外部連接以檢測電阻并將變化反饋給控制電路。（圖6）

圖6 L298驅(qū)動芯片

4 顯示屏部分

為了保證系統(tǒng)的正常運行，有必要實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為了便于查看系統(tǒng)狀態(tài)，本設計中設置了一個監(jiān)測和指示裝置，該裝置由控制智能清洗機啟動和停止的接觸器的常開或常閉觸點以及檢測故障的繼電器控制。電路圖如圖7所示。

圖7 顯示電路

當人們需要清潔鞋底將腳放在傳送帶上時，紅外傳感器檢測到信號，由控制裝置啟動智能鞋底清潔機開始運行，控制回路中繼電器得電，從而控制常開觸點接通，觸點一側(cè)的發(fā)光二極管點亮，指示智能鞋底清潔機處于運行狀態(tài)。當人們將腳離開傳送帶上，紅外傳感器檢測到的信號發(fā)生變化，智能鞋底清潔機停止運行，信號被發(fā)送到主控室的單片機，單片機接收到低電平信號并立即響應，觸電一側(cè)的另一發(fā)光二極管點亮，指示智能鞋底清潔機處于停止狀態(tài)。

5 特色與創(chuàng)新之處

①它適合于任何的場合，智能清潔機采用模塊化設計，可根據(jù)場地進行調(diào)整安裝。

②高效智能，結(jié)構(gòu)簡潔，作品機械設計簡潔可靠，體積小巧。

③通過機械產(chǎn)品清洗消毒鞋底，使無塵車間等戴鞋套的地方杜絕了一次性塑料鞋套的使用，減少污染。

④智能清潔消毒機主要是利用傳感技術(shù)，對是否有人進行此操作進行判斷，不需人去開關(guān)，自動化控制系統(tǒng)為人們提供便捷。

6 結(jié)束語

該產(chǎn)品的設計將有助于減輕人們拖地和消毒地板的麻煩。只需往上面一站，不考慮任何因素的繼續(xù)向前通行，鞋底即干干凈凈，比換鞋套省錢，也避免了二次污染，一舉足而皆大歡。它不僅適用于大型商場、無塵車間、家庭，也適用于辦公室、實驗室和實驗室。此外，本產(chǎn)品還具有鞋底消毒功能，適用于醫(yī)院、食品廠、制藥廠、農(nóng)場等特殊場所。該產(chǎn)品設計合理，制造美觀，技術(shù)先進，使用方便，簡單大方，占地面積小，為家庭和辦公提供了一個清新的環(huán)境。