基于微孔型陶瓷超聲波霧化片智能消毒器的設計

孫春志　唐佐俠　馬艷彬　陳玉珠

關鍵詞：公共安全；霧化片；消毒器；算法

中圖分類號：TP212；TH122 文獻標識碼：A

0引言

近年來，頻發的公共衛生事件對公眾的身體健康造成了巨大威脅。其中，公共場所的衛生間具有空間狹小和人流量較大的特點，是細菌病毒滋生傳播的主要場所。公共衛生間內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段消殺，工作效率較低的同時增加了工作人員的感染風險；紫外線照射消毒方式是利用汞燈發出的紫外線實現消毒殺菌，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；智能消毒機器人售價較高且大多適用于相對簡單開闊的場所，難以適應公共衛生間等空間狹小的場所。

因此，本文主要利用現代電子信息技術解決公共衛生間的智能消毒問題。采用遠距離紅外傳感器實時檢測公共衛生間的人流量，根據檢測結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，經直流風機將其均勻噴灑至公共衛生間內，并利用機器學習技術根據公共衛生間的人流量自動調節噴霧量。

1整體方案設計

本設計采用型號為STC15W408AS的單片機作為主控芯片。裝置前端利用熱釋電紅外傳感器獲取公共衛生間的出入數據并送入主控制器，當檢測到有人離開后，主控制器將控制驅動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將液體消毒劑霧化，并利用直流風機將霧態消毒劑以一定速度噴灑至公共衛生間內。顯示屏實時顯示當前工作狀態，管理人員可以隨時調節出擋位，本設計使用浮磁無水檢測設備檢測消毒劑余量，當其低于閾值時進行聲光報警，并利用物聯網單元電路通知后臺及時加注或更換消毒液。系統結構如圖1所示。

2智能消毒器硬件電路設計

2.1電源電路設計

本設計中所有主電路均由220 V市電經過AC-DC（交流一直流）降壓變換電路后供電，并設計了可充電的DC（直流）12 V鋰電池作為備用電源。主電路工作時實時檢測備用鋰電池電壓是否正常，電壓過低時將給備用電源充電。電壓達到閾值后自動關斷保護，一旦主電路非正常斷開，系統將自動切換至備用鋰電池繼續供電，維持系統繼續工作不低于24 h。待主電路恢復正常供電后切換為主電路供電，同時為備用鋰電池充電，或人工更換備用鋰電池。

2.2控制電路設計

采用STC15W408AS單片機作為主控芯片，芯片內集成了精度非常高的內部振蕩電路與可靠性較高的復位電路，無須額外增加晶體振蕩器與復位電路設計。其中，內部振蕩電路的供電電壓為5V，高亢靜電ESD（靜電釋放）的保護耐壓為20000V，當設計處于掉電模式時可以由外部中斷喚醒，也可以利用芯片內掉電喚醒功能的專用定時器喚醒，應用在本設計的電池供電系統中非常合適，在線系統可仿真、編程和遠程升級。

2.3霧化驅動電路及人體檢測電路設計

本設計利用微孔型陶瓷超聲波霧化片的高頻諧振，將液態水分子打散從而產生自然飄逸的水霧，再利用直流風機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域進行消毒殺菌。微孔型陶瓷超聲波霧化片有效結合了鋼片和陶瓷的優點，適合放于水面上工作，工作時功耗較低，一般用于迷你加濕器或醫療噴霧器上。由于本設計應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。霧化片驅動電路如圖2所示。

本設計選用的紅外傳感器在頂端開設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。檢測信號經高速處理器處理，長時間無信號輸入時將進入低功耗待機狀態。

2.4顯示電路設計

本設計采用型號為CH455的芯片用于數碼管顯示驅動。其內部設置有時鐘振蕩電路，最多可以點亮32只LED（發光二極管）或動態驅動4位數碼管，同時還能夠對28鍵的鍵盤進行掃描；芯片CH455可以通過由SCL（串行時鐘線）和SDA（串行數據線）組成的兩線串行接口控制器進行數據交換，以及與外部單片機連接。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，以減少外部驅動大電流產生的電磁干擾。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。芯片內部具有限流功能，通過調節占空比可提供8級亮度控制。

3軟件設計

本設計的軟件設計部分包括系統、按鍵、顯示初始化設計、人體檢測設計、中斷部分的設計、USART（通用同步／異步串行接收／發送器）接口驅動、液位檢測、定時器設置、AD（模擬到數字）轉換以及配置使用的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生間的人流量，并對測量數據進行分析和處理，根據時間段與人流量自動調節噴霧量，從而達到智能消毒的效果。系統軟件流程如圖3所示。

4結論

本設計利用電子信息智能檢測技術完成了對公共衛生間智能消毒器的設計。利用人工智能算法計算公共衛生間的實時人流量，根據檢測結果自動調節消毒劑噴霧量，有效提高了公共衛生間的整潔程度，降低了病菌傳播的風險，解決了人們對公共衛生間衛生問題的擔憂，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，本設計也可用于噴灑除味劑等，為城市的公共衛生保駕護航，具有重要的科學意義和工程應用價值。