李娜娜 張冬琴 孫淼 胡家豪 王橋 崔忠偉

摘要：國內(nèi)外公共場(chǎng)所使用的擠壓式洗手液可以起到清潔除菌的作用，但存在保存不當(dāng)、取液不便、污染嚴(yán)重等問題。研發(fā)一款面向公共場(chǎng)所的智能存取裝置，有效地解決了上述難題。該裝置具備兩個(gè)功能：IC卡確認(rèn)管理員身份后，經(jīng)STM32F103微控發(fā)出相應(yīng)的指令，控制舵機(jī)打開裝置蓋，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加液操作;紅外傳感器感應(yīng)到需求后，STM32F103微控向繼電器發(fā)送指令，繼電器工作使蠕動(dòng)泵釋放洗手液。由此可達(dá)到封閉式存取、適時(shí)自動(dòng)釋放洗手液的目的。

關(guān)鍵詞：洗手液;公共場(chǎng)所;智能存取;紅外傳感器;STM32F103;蠕動(dòng)泵

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）03-0252-03

隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展和人們對(duì)環(huán)保健康的需求，洗手液作為日常生活中的必需品被大家普遍使用，特別是公共場(chǎng)所對(duì)于洗手液的需求更大。如果使用衛(wèi)生質(zhì)量不合格產(chǎn)品特別是使用細(xì)菌超標(biāo)的洗手液，手會(huì)越洗越臟，給細(xì)菌提供再次傳播污染的機(jī)會(huì)，從而引起疾病[1]。我們研發(fā)了一款面向公共場(chǎng)所的智能存取裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出液，達(dá)到取液方便、衛(wèi)生快捷、低碳環(huán)保、避免交叉感染的效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擬研發(fā)一款物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，其包含STM32F103微控、IC卡感應(yīng)模塊、紅外傳感器、蠕動(dòng)泵、舵機(jī)。系統(tǒng)主要通過紅外線傳感器感應(yīng)人手，發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)判斷是否需要釋放液體并傳達(dá)給繼電器，繼電器控制蠕動(dòng)泵開啟，實(shí)現(xiàn)適時(shí)自動(dòng)釋放洗手液、封閉式存取的功能，達(dá)到避免傳播細(xì)菌的效果。

其中，STM32F103微控是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可對(duì)各個(gè)模塊的請(qǐng)求發(fā)出相應(yīng)的控制指令，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體功能不可或缺的控制器;IC卡感應(yīng)模塊用于判斷管理員的身份，管理員身份被確認(rèn)后，舵機(jī)對(duì)系統(tǒng)裝置執(zhí)行開蓋處理，方便管理員加液操作;紅外傳感器判斷是否有人需要使用洗手液，當(dāng)感應(yīng)到手伸過來，則向微控發(fā)送信號(hào)，再由STM32F103微控向繼電器發(fā)出指令，繼電器收到指令后開始工作，此時(shí)蠕動(dòng)泵通電，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)向用戶投放洗手液的功能。

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所用元器件以及相應(yīng)的性能參數(shù)如表1所示：

利用上表元器件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，其電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.1 STM32F103微控制器原理

為了控制整個(gè)智能存取裝置.達(dá)到低功耗、便于使用、結(jié)構(gòu)簡單易懂、性能好等效果，我們選用STM32F103微控作為該裝置的控制模塊。

STM32F103（Microcontrollers）的類型是一種集成電路（IC），是一款基于ARM Corex-M內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，其程序存儲(chǔ)容量是64KB（64K x 8）。采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器f其容量為20K x 8）、I/O口數(shù)量為37、中斷系統(tǒng)、最多7個(gè)定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器等部件組成，構(gòu)成適用于各種場(chǎng)合、各類裝置器件的多功能微控。體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用范圍廣是STM32F103微控制器的主要特點(diǎn)，具有編程方便，容易移植的優(yōu)點(diǎn)[2-6]。

2.2 基于管理員的控制功能

管理員需要對(duì)洗手液裝置進(jìn)行添加洗手液操作。首先通過IC卡確認(rèn)刷卡人的身份，不是管理員則無操作，若為管理員，則在STM32F103微控的控制下，利用舵機(jī)打開裝置容器蓋，管理員往裝置內(nèi)加入洗手液。實(shí)現(xiàn)管理員的控制功能采用如下三個(gè)模塊：

（1）IC卡模塊

為準(zhǔn)確判斷管理員的身份，需要保證裝置能夠精準(zhǔn)識(shí)別、模塊穩(wěn)定且可靠，基于此，我們選用型號(hào)為MF RC-522 RC522的IC卡模塊。本模塊價(jià)格低廉、體積小同時(shí)擁有高性能，適用于各種基于ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式通信場(chǎng)合。在本系統(tǒng)中通過串口通訊發(fā)送管理員信息給STM32F103微控[7-10]。

（2） STM32F103微控

在確認(rèn)管理員身份后，需要對(duì)應(yīng)的模塊發(fā)出相關(guān)的控制指令。為實(shí)現(xiàn)此功能，選用STM32F103微控，將相關(guān)指令發(fā)送給舵機(jī)。

（3）舵機(jī)

IC卡發(fā)出開蓋請(qǐng)求后，為實(shí)現(xiàn)感應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而打開系統(tǒng)裝置的功能，選用型號(hào)為MG995的舵機(jī)。該舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20ms的PWM（Pulse Width Modulaion，脈沖寬度調(diào)制）波，PWM信號(hào)的脈沖信號(hào)寬度為0.5ms時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)為0度，相應(yīng)的其中的脈沖寬度為2.5ms時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)為180度，裝置要求的旋轉(zhuǎn)度數(shù)根據(jù)用戶自定義社進(jìn)行設(shè)置。STM32F103微控通過PWM波控制舵機(jī)打開容器蓋[11-12]。

2.3 基于用戶的控制功能

本系統(tǒng)裝置在STM32F103微控的控制下，利用紅外傳感器判斷用戶是否有使用洗手液的需求，若有需求，蠕動(dòng)泵釋放洗手液，達(dá)到方便用戶健康使用洗手液的效果。實(shí)現(xiàn)用戶的控制功能采用如下兩個(gè)模塊：

（1）紅外傳感器

為判斷洗手液的使用需求，選用型號(hào)為E18-D80NK紅外傳感器。E18-D80NK是一種把發(fā)射和接收集成在一起的紅外傳感器，發(fā)射光在發(fā)出之前先進(jìn)行調(diào)制，輸出時(shí)通過接收頭解調(diào)收到的反射光，這樣就防止了可見光的干擾。在本設(shè)計(jì)中該模塊通過數(shù)字信號(hào)的方式將請(qǐng)求發(fā)送到STM32F103微控[13-15]。

（2）蠕動(dòng)泵

收到STM32F103微控發(fā)出的請(qǐng)求后，選用蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)向用戶投放洗手液的功能。蠕動(dòng)泵由三個(gè)部分構(gòu)成：驅(qū)動(dòng)器，泵頭和軟管。它可以通過對(duì)軟管的交替擠壓來釋放流體，具有無污染、密封性良好和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)[16-17]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)伸手出液以及識(shí)別加液兩個(gè)功能：（1）啟用系統(tǒng)時(shí)首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化的成功與否決定系統(tǒng)能否正常使用;（2）若系統(tǒng)初始化成功，在裝置有洗手液的情況下，通過紅外傳感器判斷是否有用戶伸手即有使用洗手液需求，若紅外傳感器檢測(cè)到用戶有使用需求，則STM32F103微控向繼電器發(fā)出工作指令，此時(shí)蠕動(dòng)泵通電釋放洗手液，完成后用戶可以正常使用洗手液;（3）若無使用需求且系統(tǒng)裝置中無洗手液，IC卡模塊判斷有無刷卡操作，無刷卡操作，返回判斷使用需求;有刷卡操作，判斷當(dāng)前是否為管理員，不是管理員返回判斷使用需求，是管理員則舵機(jī)控制裝置開蓋，管理員添加洗手液。

4 結(jié)果與分析

本裝置設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)響應(yīng)時(shí)間、液體流量、使用距離等進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)量，達(dá)到使用時(shí)實(shí)時(shí)自動(dòng)出液且出液量適當(dāng)?shù)男Ч?。紅外傳感器可識(shí)別距離在3-80cm之間，當(dāng)有人手接近出液口，紅外線光遇到人手時(shí)會(huì)將反射的光信號(hào)傳回紅外線接收頭，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后再放大和整形，裝置就得到了“有人接近”的信號(hào)，此時(shí)通過繼電器控制蠕動(dòng)泵動(dòng)作便可打開出液口，在人手或物體離開后，將自動(dòng)關(guān)閉。響應(yīng)時(shí)間與液體流量取決于蠕動(dòng)泵軟管的粗細(xì)，如需要0.005-0.05ml/min時(shí)，從流量上看，能夠使用THIOA+lxl，調(diào)速時(shí)，步進(jìn)電機(jī)單位是O.1RPM（轉(zhuǎn)，分鐘），會(huì)以0.0042ml/min的倍數(shù)增長。裝置的流量以及響應(yīng)時(shí)間受蠕動(dòng)泵的影響。

5 結(jié)束語

本裝置實(shí)用價(jià)值高、受眾廣、結(jié)構(gòu)簡單，利用紅外線傳感器、STM32微控、電磁閥等，研發(fā)了這一款面向公共場(chǎng)所的智能存取裝置，取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置實(shí)現(xiàn)無接觸、無須按壓的功能，達(dá)到伸手出液、低碳環(huán)保、有效抑菌的效果，有利于保護(hù)人們的健康。

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