基于微孔型陶瓷超聲波霧化片智能消毒器的設(shè)計(jì)

孫春志　唐佐俠　馬艷彬　陳玉珠

關(guān)鍵詞：公共安全；霧化片；消毒器；算法

中圖分類號：TP212；TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

近年來，頻發(fā)的公共衛(wèi)生事件對公眾的身體健康造成了巨大威脅。其中，公共場所的衛(wèi)生間具有空間狹小和人流量較大的特點(diǎn)，是細(xì)菌病毒滋生傳播的主要場所。公共衛(wèi)生間內(nèi)的病原微生物主要通過糞口、高濃度氣溶膠、呼吸道和近距離接觸等方式進(jìn)行傳播，目前常見的消毒手段有人工定期噴灑消毒劑、紫外線照射消毒和智能消毒機(jī)器人消殺等。其中，人工定期噴灑消毒劑方式工作煩瑣且無法做到全時(shí)段消殺，工作效率較低的同時(shí)增加了工作人員的感染風(fēng)險(xiǎn)；紫外線照射消毒方式是利用汞燈發(fā)出的紫外線實(shí)現(xiàn)消毒殺菌，但其釋放出來的紫外線能量較大，易對人體皮膚和眼睛造成危害；智能消毒機(jī)器人售價(jià)較高且大多適用于相對簡單開闊的場所，難以適應(yīng)公共衛(wèi)生間等空間狹小的場所。

因此，本文主要利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)解決公共衛(wèi)生間的智能消毒問題。采用遠(yuǎn)距離紅外傳感器實(shí)時(shí)檢測公共衛(wèi)生間的人流量，根據(jù)檢測結(jié)果由高速處理器控制微孔型陶瓷超聲波霧化片霧化消毒劑，經(jīng)直流風(fēng)機(jī)將其均勻噴灑至公共衛(wèi)生間內(nèi)，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)根據(jù)公共衛(wèi)生間的人流量自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧量。

1整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用型號為STC15W408AS的單片機(jī)作為主控芯片。裝置前端利用熱釋電紅外傳感器獲取公共衛(wèi)生間的出入數(shù)據(jù)并送入主控制器，當(dāng)檢測到有人離開后，主控制器將控制驅(qū)動(dòng)電路和微孔型陶瓷超聲波霧化片工作，微孔型陶瓷超聲波霧化片通過高頻振動(dòng)將液體消毒劑霧化，并利用直流風(fēng)機(jī)將霧態(tài)消毒劑以一定速度噴灑至公共衛(wèi)生間內(nèi)。顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，管理人員可以隨時(shí)調(diào)節(jié)出擋位，本設(shè)計(jì)使用浮磁無水檢測設(shè)備檢測消毒劑余量，當(dāng)其低于閾值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并利用物聯(lián)網(wǎng)單元電路通知后臺(tái)及時(shí)加注或更換消毒液。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2智能消毒器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中所有主電路均由220 V市電經(jīng)過AC-DC（交流一直流）降壓變換電路后供電，并設(shè)計(jì)了可充電的DC（直流）12 V鋰電池作為備用電源。主電路工作時(shí)實(shí)時(shí)檢測備用鋰電池電壓是否正常，電壓過低時(shí)將給備用電源充電。電壓達(dá)到閾值后自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)，一旦主電路非正常斷開，系統(tǒng)將自動(dòng)切換至備用鋰電池繼續(xù)供電，維持系統(tǒng)繼續(xù)工作不低于24 h。待主電路恢復(fù)正常供電后切換為主電路供電，同時(shí)為備用鋰電池充電，或人工更換備用鋰電池。

2.2控制電路設(shè)計(jì)

采用STC15W408AS單片機(jī)作為主控芯片，芯片內(nèi)集成了精度非常高的內(nèi)部振蕩電路與可靠性較高的復(fù)位電路，無須額外增加晶體振蕩器與復(fù)位電路設(shè)計(jì)。其中，內(nèi)部振蕩電路的供電電壓為5V，高亢靜電ESD（靜電釋放）的保護(hù)耐壓為20000V，當(dāng)設(shè)計(jì)處于掉電模式時(shí)可以由外部中斷喚醒，也可以利用芯片內(nèi)掉電喚醒功能的專用定時(shí)器喚醒，應(yīng)用在本設(shè)計(jì)的電池供電系統(tǒng)中非常合適，在線系統(tǒng)可仿真、編程和遠(yuǎn)程升級。

2.3霧化驅(qū)動(dòng)電路及人體檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用微孔型陶瓷超聲波霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子打散從而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，再利用直流風(fēng)機(jī)將水霧從底部吹向出口，使消毒劑能夠均勻地覆蓋到更多區(qū)域進(jìn)行消毒殺菌。微孔型陶瓷超聲波霧化片有效結(jié)合了鋼片和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，適合放于水面上工作，工作時(shí)功耗較低，一般用于迷你加濕器或醫(yī)療噴霧器上。由于本設(shè)計(jì)應(yīng)用的試劑多為酸性或堿性溶液，容易腐蝕霧化片，減少霧化片使用壽命，故采用微孔型陶瓷超聲波霧化片，并在其表面涂上疏水材料，減弱試劑對其的腐蝕。霧化片驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

本設(shè)計(jì)選用的紅外傳感器在頂端開設(shè)了裝有濾光鏡片的窗口，該濾光鏡片能夠透過波長范圍為7～10μm的光，同時(shí)吸收其他波長的紅外線，非常適用于人體紅外輻射的探測。檢測信號經(jīng)高速處理器處理，長時(shí)間無信號輸入時(shí)將進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。

2.4顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用型號為CH455的芯片用于數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)。其內(nèi)部設(shè)置有時(shí)鐘振蕩電路，最多可以點(diǎn)亮32只LED（發(fā)光二極管）或動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管，同時(shí)還能夠?qū)?8鍵的鍵盤進(jìn)行掃描；芯片CH455可以通過由SCL（串行時(shí)鐘線）和SDA（串行數(shù)據(jù)線）組成的兩線串行接口控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以及與外部單片機(jī)連接。電容Cl和C2分布在芯片CH455的電源引腳旁邊，主要用于電源退耦，以減少外部驅(qū)動(dòng)大電流產(chǎn)生的電磁干擾。該芯片具有低功耗睡眠模式，可以通過軟件命令喚醒或者外部按鍵喚醒。芯片內(nèi)部具有限流功能，通過調(diào)節(jié)占空比可提供8級亮度控制。

3軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)部分包括系統(tǒng)、按鍵、顯示初始化設(shè)計(jì)、人體檢測設(shè)計(jì)、中斷部分的設(shè)計(jì)、USART（通用同步／異步串行接收／發(fā)送器）接口驅(qū)動(dòng)、液位檢測、定時(shí)器設(shè)置、AD（模擬到數(shù)字）轉(zhuǎn)換以及配置使用的I／O（輸入／輸出）口和各模塊的初始化。熱釋電紅外傳感器檢測公共衛(wèi)生間的人流量，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)時(shí)間段與人流量自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧量，從而達(dá)到智能消毒的效果。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用電子信息智能檢測技術(shù)完成了對公共衛(wèi)生間智能消毒器的設(shè)計(jì)。利用人工智能算法計(jì)算公共衛(wèi)生間的實(shí)時(shí)人流量，根據(jù)檢測結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)消毒劑噴霧量，有效提高了公共衛(wèi)生間的整潔程度，降低了病菌傳播的風(fēng)險(xiǎn)，解決了人們對公共衛(wèi)生間衛(wèi)生問題的擔(dān)憂，為解決空間狹小且人流量較大場所的智能消毒問題提供新思路。此外，本設(shè)計(jì)也可用于噴灑除味劑等，為城市的公共衛(wèi)生保駕護(hù)航，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。