廣州市輕工技師學(xué)院 江吳芳

基于Arduino設(shè)計(jì)了一款助輔設(shè)備，是一款風(fēng)循環(huán)電子干燥消毒盒，以Arduino板為控制核心，結(jié)合proteus軟件仿真分析，討論分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹一種助聽(tīng)設(shè)備干燥消毒系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。

1 電子干燥消毒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景

電子干燥消毒盒是一款助輔設(shè)備，專(zhuān)為老年和兒童聽(tīng)障人群設(shè)計(jì)的聽(tīng)輔具配件。使用助聽(tīng)器或人工耳蝸是幫助患有重度、極度耳聾的成人或兒童恢復(fù)聽(tīng)力的有效治療途徑，它對(duì)使用環(huán)境要求較高，且價(jià)格昂貴。新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2019-2023年助聽(tīng)器行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，從銷(xiāo)量來(lái)看，自2011年以來(lái)，我國(guó)助聽(tīng)器銷(xiāo)量始終保持持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，發(fā)展到2018年產(chǎn)品銷(xiāo)量達(dá)到850萬(wàn)個(gè)以上，同比增長(zhǎng)約21.4個(gè)百分點(diǎn)。我國(guó)助聽(tīng)器市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致與助聽(tīng)設(shè)備配套的助輔設(shè)備需求量也不斷增大。而作為一款特殊的半導(dǎo)體擴(kuò)音器，助聽(tīng)設(shè)備在日常使用過(guò)程中對(duì)干燥環(huán)境要求高，如遇潮濕環(huán)境，潮氣或水的進(jìn)入會(huì)損壞電子元件，使其不能正常工作，產(chǎn)生噪音、失真或無(wú)放大聲等情況。若長(zhǎng)期受潮，則內(nèi)部主板有可能腐爛而使其損壞或報(bào)廢。市面現(xiàn)有的產(chǎn)品多借助電子干燥箱或簡(jiǎn)易干燥盒去除濕氣，達(dá)到維護(hù)和保養(yǎng)的目地。但是原裝配備的干燥盒功能簡(jiǎn)單、價(jià)格昂貴，市面上售賣(mài)的干燥盒主要有兩款，一款是普通干燥盒+干燥餅，另外一款是電子干燥盒，通過(guò)加熱來(lái)蒸發(fā)水氣，長(zhǎng)期使用會(huì)加速助聽(tīng)設(shè)備的老化，安全系數(shù)低。在綜合考慮成本、性價(jià)比、實(shí)際使用需求、材料成本因素后，擬設(shè)計(jì)一款常溫風(fēng)循環(huán)多功能干燥盒，做到干燥劑重復(fù)使用，滿足環(huán)保需求和成本控制需要，風(fēng)循環(huán)能加速干燥速度，提高了干燥速度，又不影響助聽(tīng)設(shè)備的使用期間，使用更為便捷。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

Arduino是一個(gè)能夠用來(lái)感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，它包括基于單片機(jī)并且開(kāi)放源代碼的硬件平臺(tái)Arduino板和軟件Arduino IDE，成為全球最流行的開(kāi)源硬件，也是一個(gè)優(yōu)秀的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Arduino平臺(tái)具有諸多優(yōu)勢(shì)。（1）借助Arduino平臺(tái)可簡(jiǎn)便、快速的完成原型制作；（2）可多方位探索原型的設(shè)計(jì)方法；（3）開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單。

本設(shè)計(jì)采用Arduino作為控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算和協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備，傳感器感應(yīng)接收信號(hào)，Arduino控制電機(jī)、LED等輸出裝置，實(shí)現(xiàn)電子干燥消毒盒的功能。

總體設(shè)計(jì)方案：

助聽(tīng)設(shè)備正常工作的關(guān)鍵是防潮。電子干燥消毒盒是一種集維護(hù)和保養(yǎng)、消毒等多種功能的助聽(tīng)設(shè)備干燥盒，具有易便攜、低成本、低能耗的特點(diǎn)，通過(guò)干燥劑密封吸濕、風(fēng)循環(huán)加速除去使用者佩戴時(shí)進(jìn)入助聽(tīng)設(shè)備的潮氣或水氣。結(jié)合新冠疫情防控要求，增加無(wú)接觸控制盒子開(kāi)和關(guān)的功能，避免在公共場(chǎng)合使用時(shí)，多人接觸造成的病毒交叉?zhèn)鞑?。通過(guò)感應(yīng)控制助聽(tīng)器設(shè)備干燥盒開(kāi)和關(guān)，避免照顧人員手部接觸到設(shè)備，同時(shí)配備紫外線消毒，消毒時(shí)刻指示燈顯示消毒，配備便攜式電源和外接電源兩種電源模式，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電子干燥消毒盒系統(tǒng)框圖

電子干燥消毒盒的具體功能如下：

（1）無(wú)接觸開(kāi)關(guān)控制，防止交叉?zhèn)魅?。通過(guò)紅外傳感器控制干燥盒蓋，無(wú)需手動(dòng)開(kāi)關(guān)，需要他人管理助聽(tīng)設(shè)備時(shí)，不產(chǎn)生人和物的接觸，符合防疫衛(wèi)生要求。

（2）常溫干燥、消毒，防潮。采用超靜音磁懸浮小風(fēng)扇，在密閉空間形成空氣對(duì)流循環(huán)，加速空氣的接觸干燥劑，達(dá)到快速干燥，同時(shí)進(jìn)行紫外線消毒。

（3）自選干燥模式（干燥天氣工作模式/潮濕天氣工作模式），自適應(yīng)各種天氣條件下的干燥需求。

（4）干燥劑循環(huán)使用，環(huán)保。采用無(wú)毒可循環(huán)使用的電子再生吸濕卡，干燥時(shí)為藍(lán)色，吸收后顯示粉紅色。電子再生吸濕卡單獨(dú)通電加熱，恢復(fù)藍(lán)色干燥狀態(tài)。

3 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

電子干燥消毒盒由門(mén)控系統(tǒng)、干燥消毒系統(tǒng)、工作指示系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成，接下來(lái)將詳細(xì)介紹各系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

注意：H表示3-5V電壓，L表示0V或該引腳懸空，DC+表示電源正極（3-20V）

3.1 門(mén)控系統(tǒng)

門(mén)控系統(tǒng)由紅外感應(yīng)傳感器、直流雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、限位開(kāi)關(guān)及直流減速電機(jī)構(gòu)成。通過(guò)直流雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入口INA和INB來(lái)控制直流減速電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，Arduino UNO板的P6、P7引腳控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的INA、INB信號(hào)輸入，當(dāng)INA=H，INB=L，電機(jī)正轉(zhuǎn)，INA=L，INB=H，電機(jī)反轉(zhuǎn)，INA=INB=L，電機(jī)自然停止。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊BED01的使用說(shuō)明詳見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊BED01使用說(shuō)明

門(mén)控感應(yīng)傳感器采用紅外傳感器，檢測(cè)距離1mm~30cm，當(dāng)感應(yīng)到信號(hào)時(shí)，輸出高電平。門(mén)控系統(tǒng)通過(guò)紅外傳感器和限位開(kāi)關(guān)獲取打開(kāi)和關(guān)閉信號(hào)，Arduino 控制系統(tǒng)發(fā)出命令控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，電子干燥消毒盒門(mén)控系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

圖2 門(mén)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路圖

電子干燥消毒盒門(mén)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示，如當(dāng)門(mén)控傳感器和和限位開(kāi)關(guān)（前）同時(shí)得電的情況下，Arduino控制P6和P7分別輸出高電平和低電平，從而使INA=H，INB=L，電機(jī)正轉(zhuǎn)。

圖3 門(mén)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 干燥消毒和空氣循環(huán)系統(tǒng)

干燥消毒系統(tǒng)由紫外線消毒燈、紅外傳感器、風(fēng)扇、電子干燥餅和工作指示燈。選用2路繼電器模塊，控制紫外線消毒燈和風(fēng)扇，接Arduino UNO板P2.7端口，低電平有效，預(yù)留1路備用。工作指示燈紅燈接Arduino UNO板P2.6，低電平亮。檢測(cè)是否放入物品，采用紅外傳感器，接Arduino UNO板P1.1端口，高電平輸出，如圖4所示。

圖4 消毒干燥系統(tǒng)電路圖

在密閉的空間里，通過(guò)Arduino控制風(fēng)扇帶動(dòng)空氣流動(dòng)，加速給電子干燥餅送風(fēng)，提高空氣循環(huán)的效率，從而達(dá)到加速干燥的效果。

干燥燥消毒系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，當(dāng)紅外傳感器（物體放置）檢測(cè)到有物體時(shí)，同時(shí)限位開(kāi)關(guān)（前）有信號(hào)輸入時(shí)，Arduino控制繼電器閉合，使紫外線燈、風(fēng)扇、工作指示燈定時(shí)工作，定時(shí)時(shí)間未到，紅外傳感器（門(mén)控）感應(yīng)無(wú)法打開(kāi)盒子。

圖5 消毒干燥系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 工作指示及電源系統(tǒng)

工作指示狀態(tài)由紅、綠兩盞LED燈顯示，當(dāng)綠燈亮，紅燈滅時(shí)，表示電子干燥消毒盒接入電源，處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)綠燈和紅燈同時(shí)亮，表示系統(tǒng)正在工作中，此時(shí)風(fēng)循環(huán)干燥系統(tǒng)和消毒系統(tǒng)同時(shí)工作，此時(shí)工作盒子無(wú)法打開(kāi)。當(dāng)紅燈滅時(shí)，表示工作結(jié)束。

電子干燥消毒盒的供電系統(tǒng)包括兩部分，一是外接外部供電電源，另一個(gè)是內(nèi)部配備的便攜式電源。

小結(jié)：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Arduino為核心控制器，結(jié)合紅外傳感器、繼電器、電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等元器件，實(shí)現(xiàn)工作盒子的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，可防止使用過(guò)程接觸交叉感染。根據(jù)天氣的潮濕度選擇干燥消毒時(shí)間的長(zhǎng)短，操作簡(jiǎn)單安全可靠，性價(jià)比高，實(shí)用性強(qiáng)，為聽(tīng)障人群解決實(shí)際需求，同時(shí)克服了市場(chǎng)上加熱型電子干燥盒的缺點(diǎn)，比普通干燥盒效率高，充分體現(xiàn)節(jié)能減排，具有實(shí)際的設(shè)計(jì)參考意義，同時(shí)可以作為電子設(shè)計(jì)入門(mén)教學(xué)應(yīng)用。