智能人體消毒安檢門控制系統設計

姚詩宇，林茂瑤，艾星月，胡婷婷，高志菊

（興義民族師范學院物理與工程技術學院，貴州 興義 562400）

1 前言

及時進行細菌與病毒的消殺，切斷它們的傳播途徑，是有效預防呼吸道傳染病等疾病的關鍵。本系統采用STC89C52RC 作為主控系統，借助各個功能模塊的協同作用，初步實現了對用戶的全面霧化病毒消殺，成功地降低了環境中細菌與病毒的存活率，從而發揮了相應的防范作用。

基于先進的單片機和傳感器技術，我們設計了一款智能人體消毒安檢門，旨在實現對公共場所聚集性人群的自動化和有序高效的細菌與病毒消殺功能[1]。這一系統的關鍵在于其創新性的測溫消毒功能，不僅能夠及時發現潛在的健康風險，還能為場地節省大量的空間。

此外，這款安檢門具有有序高效、維修便捷、操作簡便等優勢，使其成為一個極具智能化程度的解決方案。通過智能化的控制系統，該設備不僅能夠有效清除人體表面的病菌，還能在維持高效運行的同時降低對場地資源的占用，為公共場所提供了一層全新的健康保護屏障。

2 系統硬件設計

智能人體消毒安檢門采用以STC89C52RC 為核心的主控芯片，其硬件系統涵蓋了多個關鍵模塊，旨在構建一個全面而高效的細菌與病毒消殺體系。主控模塊作為核心組成部分，負責協調各個硬件模塊的運行，確保系統的順暢工作。

2.1 主控模塊

在本設計中，我們精心選擇了STC89C52RC 芯片作為智能裝置的控制中樞，其在整個系統中扮演著核心角色。所有輸入和輸出信號都經由STC89C52RC 芯片精準調控，確保系統的高效穩定運行[2]。

在單片機最小系統中，我們使用了上拉電阻，它在輸入電流時不僅充當限流器，還通過一個電阻將不確定的信號穩定在高電平。這不僅提供了信號的可控性，還為系統提供了一個泄流通道，有效防止高電平干擾[3]。

時鐘電路是整個系統的關鍵組成部分，由一個11.0592 MHz 的晶振和兩個22pF 的電容并聯構成。這一時鐘電路產生精準的時鐘信號，通過引腳XTAL2（引腳18）輸入內部時鐘電路，同時將引腳XTAL1（引腳19）[4]接地，從而實現對單片機的精準驅動，確保其正常工作。

為了實現對系統的可控復位，我們設計了一個復位電路，其中電阻和電容串聯后接入單片機的引腳RST。這個復位電路通過一個電阻（阻值為10kΩ）和一個電容（數值為10μF）[5]的巧妙組合，實現了電容充電時間為0.1 秒。在電容充電時，電阻兩端的電壓逐漸減小，引腳RST 處于低電平，從而使單片機正常工作；而在電容放電時，引腳RST 處于高電平，觸發電路進入復位狀態。這一設計不僅保證了系統的可控性，還在復位過程中有效地維護了電路的穩定性。

2.2 人體紅外感應模塊

在此設計中，我們精心選擇了HC-SR501 人體熱釋電傳感器作為核心組件。由于自然界中一切高于絕對零度的物質均可產生紅外線，而紅外線是一種肉眼無法察覺的光，其顯著特點在于其具有熱效應。HC-SR501傳感器通過感應區域內人體所產生的紅外光譜的變化，能夠精準地捕捉到人體的熱輻射，從而實現對人體運動的高度敏感。當人體進入感應區域時，傳感器自動接通輸出電路，打開相應負載；而當人體完成霧化消毒并離開感應區域后，傳感器則會自動關閉輸出電路，準備迎接下一個用戶的到來。該熱釋電紅外傳感器采用重復觸發模式，即在感應到人體并輸出高電平后，在延時開啟的過程中，如果有用戶再次進入感應范圍，傳感器將保持輸出端為高電平，直至用戶離開其工作范圍，延時過后才將高電平轉換為低電平。這種設計有效地保障了系統在感應到用戶活動時的持續穩定性。

2.3 溫度測量模塊

在本設計中，我們選擇MLX90614 芯片作為非接觸式測溫元件，其獨特之處在于能夠感知被測物體的紅外輻射能量，通過紅外線自動檢測用戶的體溫，避免了直接與用戶接觸。該芯片具有廣泛的測溫范圍，可涵蓋-70℃到382.2℃之間的溫度范圍，且表現出卓越的穩定性、出色的溫度分辨率（在0.01℃內）[6]、快速的響應速度和極大的使用便捷性，因此被選用為本裝置溫度檢測的核心元件。

當用戶進入檢測范圍時，MLX90614 芯片通過非接觸式的測溫過程，將檢測到的溫度傳送給單片機進行數字處理。如果被測物體的溫度超過了預設的指定溫度38℃，蜂鳴器將立即發出報警提示，提醒用戶或操作人員注意。

2.4 液晶顯示模塊

在裝置運行的過程中，需要實時顯示體溫測量數據、風扇除塵與霧化消毒各20 秒倒計時等畫面。由于所需顯示的信息相對簡潔，因此選擇LCD1602 液晶顯示屏作為輸出顯示的設計方案。LCD1602 是一款工業字符型液晶，具備同時顯示16*02 即32 個字符的能力，這在實際應用中提供了足夠的信息展示空間。該型液晶顯示屏操作簡便，通過讀狀態、寫指令、讀數據、寫數據這四個基本指令，便可輕松控制LCD1602 液晶顯示數字與字符的呈現。LCD1602 的設計體積小巧、重量輕，與單片機的I/O 口相連接相對簡單，易于操作，同時具有出色的穩定性。設計電路圖中，引腳1、2 連接電源，引腳3 連接一個電阻值為2K 的固定電阻R2后接地。引腳4、5、6（即RS、R/W、EN 三個管腳為讀寫控制管腳）分別連接至單片機的P2.7、P2.6、P2.5管腳。LCD1602 的數據傳輸端口與單片機的P0 端口實行并行數據傳輸，鑒于P0 端口內部無法提供高阻態，因此需要外接10k 上拉電阻。背光源正極引腳15 連接至VCC，而背光源負極引腳16 則連接至地線。

2.5 蜂鳴器提示模塊

在該裝置中，霧化消毒的啟動和結束階段，我們采用蜂鳴器模塊來向用戶提供信息提示。蜂鳴器的發聲原理是通過電流流經電磁線圈，產生磁場來驅動振動膜發聲。由于其電路需要具備高度的穩定性和可靠性，但所選擇的STC89C52RC 主控板無法直接提供對蜂鳴器的直接驅動功能，因此在設計中需要通過將蜂鳴器連接到三極管上，從而通過擴流的方式實現對蜂鳴器的驅動[7]。在這個設計中，三極管充當開關的角色，用于控制蜂鳴器的開啟或關閉。當電路接收到一個高電平信號時，三極管導通，此時蜂鳴器發出風扇除塵與霧化消毒開始或結束的提示音；而當電路接收到一個低電平信號時，三極管關閉，蜂鳴器停止工作。這種智能的控制方式既實現了對蜂鳴器的有效驅動，又為用戶提供了清晰明了的操作提示。

2.6 霧化消毒模塊控制電路

HK4100F-DC5V-SHG繼電器是一款性能卓越的設備，具有工作穩定、動作迅速、體積小巧、使用壽命長等諸多優點。而8550 三極管則以小電流控制大電流的通斷，其在操作中展現出長壽命、高開關速度和緊湊體積等優越特性。

這一系統的工作原理如下：JP2 用于調控LED1 的亮度，通過123 來實現開關等級控制。JK1 作為兩個電阻之間的接口，VCC 為電源接入口，而R4 則是用于變更和控制繼電器電壓的電阻，從而使LED1 能夠接收不同的電壓并呈現出不同的顏色。當在電磁式繼電器的線圈兩側施加相應的電壓U 時，線圈中會流過對應的電流I，從而產生電磁效應，導致電磁式繼電器中的銜鐵在電磁力的吸引下克服彈簧的拉力，吸附在鐵芯上，帶動動靜觸點吸合。一旦電磁式繼電器的線圈斷電，電磁的吸力會逐漸消失，銜鐵將受到觸點彈簧的反作用力，彈回到原位，使得動靜觸點再次吸合。

2.7 風扇除塵模塊控制電路

該模塊采用無葉風扇進行人體除塵，無葉風扇即為空氣增倍機，其具有無扇葉的新奇外觀、風量均勻、能耗低、噪聲小、清洗便捷、安全系數高、不吸附塵土等特點。工作原理是基于噴氣式飛機引擎及汽車渦輪增壓技術。其在特定環境下通過壓氣裝置將空氣吸入風扇的基座中，而后經過氣旋加速器進行加速處理，進入上方的圓環空腔內部，再從圓環空腔的細縫中高速吹出。由于空氣是強迫性地從這一個圓圈中吹出，故通過的空氣量比有葉電扇增加了15 倍，每小時的速度也增加了35km。當內部空氣由細縫吹出時，由于貼著圓環表面的空氣流速大，造成其壓強比后方以及上下左右的空氣壓強小，使周邊空氣一起向前流動，導致后方更多的空氣流入風扇的出風口，從而實現了只需極少的空氣擾動，即可帶動大量的空氣源源不斷地對流。

3 系統軟件設計

當人體熱釋電傳感器感知到有用戶進入該裝置的入口時，系統立即啟動初始化程序，啟動各個模塊的工作流程。溫度傳感器開始監測人體的溫度，實時將溫度數據傳送至液晶顯示屏上，以便用戶清晰了解當前體溫狀況。在這個過程中，如果人體溫度超過38℃，即異常溫度狀態，蜂鳴器將會持續發出提示音，提醒用戶注意。

接著，蜂鳴器首次提示后，觸發風扇除塵模塊，開始對人體進行除塵操作。完成除塵后，蜂鳴器再次發出提示音，標志著除塵工作的圓滿結束。而隨后的第三次蜂鳴器提示，由驅動模塊控制水泵啟動，啟動霧化消毒程序。霧化消毒完成后，蜂鳴器發出提示音，表明整個霧化消毒過程已經結束。在這整個過程中，液晶顯示屏負責倒計時顯示風扇除塵和霧化消毒各20秒的工作時長。

然而，如果系統未檢測到任何用戶存在，液晶顯示屏將呈現字符“N”，并且整個系統將進入靜默狀態，即無聲音報警、風扇除塵和霧化消毒模塊均停止工作。這種智能的響應機制確保了系統只在檢測到用戶時才進行相應的操作，從而在有效節省能源的同時，提供了全方位的用戶體驗。

4 原理圖

智能人體消毒安檢門的控制系統設計總原理圖包含了單片機最小系統、人體紅外感應模塊、驅動風扇除塵模塊、溫度測量模塊、液晶顯示模塊、蜂鳴器提示模塊以及驅動霧化消毒模塊。裝置的主要工作流程如下：放置于公共場所入口處，當用戶從室外進入室內時，人體紅外感應模塊感知到人體紅外光譜的變化，自動啟動輸出電路并向單片機主控系統輸送高電平信號。

同時，MLX90614 數字溫度傳感器通過脈沖方式將檢測到的溫度值轉換為電壓值，并輸送給STC89C52RC單片機進行處理，以實時監測溫度，并通過LCD1602顯示人體當前溫度。霧化消毒啟動和結束時，蜂鳴器用于提示用戶。信號傳達至主控芯片后，中央控制器發出指令，驅動繼電器控制風扇除塵模塊和霧化消毒模塊。通過程序編譯，確保除塵和消毒的時間在規定時限內，當時間達到設定閾值時，除塵和消毒過程將自動停止。

液晶顯示屏LCD1602 用于顯示風扇除塵和霧化消毒的20 秒倒計時、人體溫度測量數據等參數。紅外感應檢測到整個消毒過程結束后，用戶能夠通過液晶顯示屏及時獲得20 秒倒計時信息，作為下一步操作的參考依據。這一完備的系統設計旨在為用戶提供準確、可靠、及時的信息，從而確保智能人體消毒安檢門在運行時的高效性和便捷性。

5 結語

該設備可安裝于醫院、學校、公司等各類公共場所，有效解決在大型商場、工廠車間等人員密集場合，人體通過相互接觸而傳播細菌與病毒的潛在安全隱患。它能夠全面對裝置入口的每一位用戶進行霧化消毒，切實遏制細菌與病毒的傳播途徑。配備的人體紅外線感應器、溫度測量器、蜂鳴器、液晶顯示屏等組件，當用戶接近時，無需觸碰任何按鍵，即可實現自動檢測人體紅外光譜、測量人體溫度、顯示溫度測量數據、風扇除塵和霧化消毒各20 秒倒計時，并自動驅動除塵模塊和霧化模塊進行人體除塵和霧化消毒等功能。其高靈敏度和系統運行的穩定性使其能夠針對指定場所的全體人員進行高效消毒，具備顯著的實用價值。這種設備在日常生活中不僅提供了自動、便捷的操作方式，還能夠迅速響應并采取必要措施，從而確保公共場所的衛生安全，為人們提供更為健康、安全的使用環境。