基于單片機的用腳開閉多功能門設計

謝松辰，莫云杰

（1.安徽省合肥市第四中學，安徽 合肥 233000；2.安徽建筑大學機械與電氣工程學院，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公共衛生事件[1]。由于新冠肺炎疫情的沖擊，國民對公共環境衛生更加關注。公共場所的清潔與消毒，是防治傳染病的重點區域。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，經海淀區疾控中心的流行病學調查發現，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、公共衛生間的門等。而門基本上都是用手打開或者關閉，導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，若能設計一種不用手進行開閉的門，將會降低公共區域的病菌傳播。與此同時，當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閉，如果選用腳來進行開關門，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，設計一種用腳進行開閉的門是降低公共衛生間疾病傳播、解決無法用手開關門的重要途徑。

當人處在衛生間時，若突然出現身體不適需要幫助，或者由于身體原因導致突然暈倒無人發現時，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生一定的影響，如易導致便秘等。因此，在設計用腳開閉門的裝置時需要通過控制部分實現報警提醒和求助的功能。

2 設計的原理與組成

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

圖1 系統框圖

2.1 機械結構部分設計原理

用腳開閉門的機械裝置主要由腳踏齒輪、轉向齒輪、門桿轉動軸和開關門踏板等組成，通過腳踏齒輪傳動和門桿轉動軸傳動來實現門的開與關。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門踏板和腳踏齒輪實現。在腳踏齒輪兩側各安裝一個腳踏板，腳踏其中一個踏板后，踏板上的齒狀結構帶動腳踏齒輪朝一個方向轉動。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 門桿轉動軸傳動

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

2.1.3 廁所門的開關

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

圖3 門桿轉動軸工作原理示意圖

2.2 電控部分設計原理

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指示燈提示當前的狀態，若指示燈為紅色表示門內是有人狀態，綠色是無人狀態，黃色是報警狀態。報警功能是當人長時間無動作的時候，蜂鳴器發出報警聲，若門內人員情況正常，可通過按下復位按鍵取消報警，系統重新計時。

當人出現身體不適需要幫助時，可按求助報警按鍵，蜂鳴器會發出報警聲，同時門鎖會自動解開，方便救援；當人在門后暈倒時，達到一定時間后系統會自動發出警報聲，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，且蜂鳴器發出響聲。此時，若不是人為地按下復位按鍵，系統會認為人體出現意外，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備有控制器、紅外傳感器、LED模塊、蜂鳴器、按鍵模塊和應急開門模塊。具體工作原理如下。

控制器：控制器是電子控制模塊的核心，編寫程序實現相應的功能。該控制器名為ATmega328P單片機，擁有13個數字輸入輸出口和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，控制器接收到數據就可以在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。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異常的情況下報警使用，當人長時間無操作的時候，蜂鳴器也會發出聲音，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：按鍵模塊一共設置了2個按鍵，分別為復位按鍵和求助按鍵。當時間足夠報警產生時，如果不需要救援可以按下復位按鍵，停止報警；當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

應急開門模塊：在沒有發生報警的情況下，應急開門模塊是充當機械裝置門鎖供使用的；在發生報警或者是人為地發起報警時，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。在門內通過腳踏開門踏板和關門踏板，帶動齒輪傳動和門桿轉動軸傳動，進而帶動門桿轉動軸朝開門和關門的方向轉動，實現開門和關門的功能，該部分機械結構簡單、操作方便。②電控部分。通過單片機控制實現人體檢測、長時間無動作報警和人員主動求助功能。當人進入門內，紅外傳感器會自動檢測到人體，并且開始計時，設定時間為6 min。如果超過6 min人還在門內，系統就會自動觸發蜂鳴器報警，這個時候警報聲會持續15 s。如果15 s內里面的人按下了復位按鍵，系統就會停止報警，然后重新計時；如果15 s內門內的人沒有按下復位按鍵，系統就會認為人員出現意外狀況，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構組成，功能齊全。

4 總結

新冠疫情的發生讓人們注意到了公共區域直接接觸發生感染的危險性，公共衛生間的衛生以及防止人員密集型接觸同一區域的設計刻不容緩。針對現有公共衛生間門多采用手動開關，易造成交叉感染的情況，本文設計了一種用腳進行開閉的多功能門裝置，也解決了公共衛生間內人們因長時間玩手機而占用公共資源，以及當衛生間內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。

主要設計內容如下：①采用機械結構，通過腳踏齒輪傳動和門桿轉動軸傳動來實現衛生間門的開與關，避免了人員皮膚直接接觸公共區域，保證了人與細菌隔離，減少人員交叉感染的風險，安全衛生。②基于單片機功能，通過利用紅外感應感知人員狀況，超時可報警。當人進入衛生間時間超過設定的時間時，蜂鳴器發出報警聲，人員情況正常，可按復位按鍵取消報警，系統重新計時；當人出現身體不適需要幫助時，可按求助按鍵，蜂鳴器會發出報警聲，同時門鎖會自動解開；當人在門內暈倒時，達到一定時間系統會自動發出警報聲，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本裝置在實現用腳開關門的基本功能上，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。