謝松辰，莫云杰

（1.安徽省合肥市第四中學(xué)，安徽 合肥 233000；2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 用腳開(kāi)閉門(mén)的研究背景

新冠肺炎疫情是中華人民共和國(guó)成立以來(lái)中國(guó)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(fā)公共衛(wèi)生事件[1]。由于新冠肺炎疫情的沖擊，國(guó)民對(duì)公共環(huán)境衛(wèi)生更加關(guān)注。公共場(chǎng)所的清潔與消毒，是防治傳染病的重點(diǎn)區(qū)域。而公共廁所作為公共場(chǎng)所中不可或缺的一部分，已成為感染新冠肺炎的高危區(qū)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(qū)，經(jīng)海淀區(qū)疾控中心的流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該2例確診病例的感染途徑是永定路70號(hào)院的公共廁所。

日常生活中，類似于公共廁所的公共區(qū)域還有很多，人們不可避免地要到一些公共場(chǎng)所接觸同一個(gè)物品，如電梯按鍵、公共衛(wèi)生間的門(mén)等。而門(mén)基本上都是用手打開(kāi)或者關(guān)閉，導(dǎo)致了門(mén)把手被很多人觸摸，也加快了細(xì)菌和病毒的傳播概率。因此，若能設(shè)計(jì)一種不用手進(jìn)行開(kāi)閉的門(mén)，將會(huì)降低公共區(qū)域的病菌傳播。與此同時(shí)，當(dāng)人們的雙手中抱有大量的文件或拿著很多東西時(shí)，無(wú)法騰出手將門(mén)進(jìn)行打開(kāi)或關(guān)閉，如果選用腳來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén)，人的皮膚就不會(huì)直接接觸到受污染的門(mén)把手，大大降低了被病菌感染的可能。因此，設(shè)計(jì)一種用腳進(jìn)行開(kāi)閉的門(mén)是降低公共衛(wèi)生間疾病傳播、解決無(wú)法用手開(kāi)關(guān)門(mén)的重要途徑。

當(dāng)人處在衛(wèi)生間時(shí)，若突然出現(xiàn)身體不適需要幫助，或者由于身體原因?qū)е峦蝗粫灥篃o(wú)人發(fā)現(xiàn)時(shí)，將會(huì)錯(cuò)過(guò)最佳救援時(shí)間；此外，有些人喜歡在廁所長(zhǎng)時(shí)間玩手機(jī)，既占用了公共資源，又會(huì)對(duì)自身身體健康產(chǎn)生一定的影響，如易導(dǎo)致便秘等。因此，在設(shè)計(jì)用腳開(kāi)閉門(mén)的裝置時(shí)需要通過(guò)控制部分實(shí)現(xiàn)報(bào)警提醒和求助的功能。

2 設(shè)計(jì)的原理與組成

基于單片機(jī)的用腳開(kāi)閉多功能門(mén)裝置由門(mén)體結(jié)構(gòu)、開(kāi)閉門(mén)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器、紅外檢測(cè)模塊、指示燈模塊、蜂鳴器模塊、按鍵模塊和應(yīng)急開(kāi)關(guān)門(mén)模塊組成。該裝置分為機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電控部分，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分用腳控進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén)，電控部分用于檢測(cè)門(mén)后人員情況。通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備的共同作用實(shí)現(xiàn)腳動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)、人體檢測(cè)顯示、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作報(bào)警和人員主動(dòng)求助功能，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)原理

用腳開(kāi)閉門(mén)的機(jī)械裝置主要由腳踏齒輪、轉(zhuǎn)向齒輪、門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸和開(kāi)關(guān)門(mén)踏板等組成，通過(guò)腳踏齒輪傳動(dòng)和門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)門(mén)的開(kāi)與關(guān)。具體工作原理如下。

2.1.1 腳踏齒輪傳動(dòng)

腳踏齒輪傳動(dòng)主要通過(guò)開(kāi)關(guān)門(mén)踏板和腳踏齒輪實(shí)現(xiàn)。在腳踏齒輪兩側(cè)各安裝一個(gè)腳踏板，腳踏其中一個(gè)踏板后，踏板上的齒狀結(jié)構(gòu)帶動(dòng)腳踏齒輪朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。相反，腳踏另外一個(gè)踏板后則使腳踏齒輪朝另外一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳動(dòng)

門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳動(dòng)主要通過(guò)轉(zhuǎn)向齒輪、腳踏齒輪和門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。1號(hào)轉(zhuǎn)向齒輪與腳踏齒輪同軸，當(dāng)腳踏齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)后將帶動(dòng)1號(hào)轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并間接帶動(dòng)2號(hào)轉(zhuǎn)向齒輪和門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1.3 廁所門(mén)的開(kāi)關(guān)

圖3中的門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定在廁所門(mén)邊上。在腳踏齒輪傳動(dòng)和門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳動(dòng)的作用下，分別用腳踏開(kāi)門(mén)踏板和關(guān)門(mén)踏板，促使門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸朝不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)的功能。

圖3 門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸工作原理示意圖

2.2 電控部分設(shè)計(jì)原理

用腳開(kāi)閉門(mén)電控部分主要通過(guò)單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制[2-3]，并輔以顯示模塊、報(bào)警模塊、檢測(cè)模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)人體檢測(cè)顯示、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作報(bào)警和人員主動(dòng)求助功能。

人體檢測(cè)采用紅外檢測(cè)的方法，通過(guò)紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)是否有人存在，并通過(guò)LED指示燈提示當(dāng)前的狀態(tài)，若指示燈為紅色表示門(mén)內(nèi)是有人狀態(tài)，綠色是無(wú)人狀態(tài)，黃色是報(bào)警狀態(tài)。報(bào)警功能是當(dāng)人長(zhǎng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作的時(shí)候，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，若門(mén)內(nèi)人員情況正常，可通過(guò)按下復(fù)位按鍵取消報(bào)警，系統(tǒng)重新計(jì)時(shí)。

當(dāng)人出現(xiàn)身體不適需要幫助時(shí)，可按求助報(bào)警按鍵，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)門(mén)鎖會(huì)自動(dòng)解開(kāi)，方便救援；當(dāng)人在門(mén)后暈倒時(shí)，達(dá)到一定時(shí)間后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)門(mén)鎖自動(dòng)解開(kāi)，方便外面的人聽(tīng)到警報(bào)聲，及時(shí)予以救援。報(bào)警時(shí)指示燈為黃燈亮起，且蜂鳴器發(fā)出響聲。此時(shí)，若不是人為地按下復(fù)位按鍵，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為人體出現(xiàn)意外，門(mén)鎖會(huì)自動(dòng)解開(kāi)，方便外面的人進(jìn)行救援。

該電控部分主要使用到的硬件設(shè)備有控制器、紅外傳感器、LED模塊、蜂鳴器、按鍵模塊和應(yīng)急開(kāi)門(mén)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(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。該控制器名為ATmega328P單片機(jī)，擁有13個(gè)數(shù)字輸入輸出口和6個(gè)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(cè)有無(wú)人員在門(mén)后面，如果檢測(cè)到門(mén)后面有人，就會(huì)產(chǎn)生電平的變化，電平變化會(huì)被控制器接收到，控制器接收到數(shù)據(jù)就可以在LED顯示器上顯示出來(lái)，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(tài)。紅色代表門(mén)后有人，綠色代表門(mén)后無(wú)人，黃色代表門(mén)后人出現(xiàn)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(xiàn)異常的情況下報(bào)警使用，當(dāng)人長(zhǎng)時(shí)間無(wú)操作的時(shí)候，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出聲音，提醒人們注意或進(jìn)行及時(shí)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(shè)置了2個(gè)按鍵，分別為復(fù)位按鍵和求助按鍵。當(dāng)時(shí)間足夠報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，如果不需要救援可以按下復(fù)位按鍵，停止報(bào)警；當(dāng)自身覺(jué)得不舒服需要救援時(shí)，可以按下求助按鍵，此時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，并且門(mén)鎖會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，如圖8所示。

圖8 按鍵和指示燈

應(yīng)急開(kāi)門(mén)模塊：在沒(méi)有發(fā)生報(bào)警的情況下，應(yīng)急開(kāi)門(mén)模塊是充當(dāng)機(jī)械裝置門(mén)鎖供使用的；在發(fā)生報(bào)警或者是人為地發(fā)起報(bào)警時(shí)，模塊可以自動(dòng)解鎖，打開(kāi)門(mén)鎖，方便對(duì)里面的人進(jìn)行救援，如圖9所示。

圖9 應(yīng)急開(kāi)門(mén)模塊

3 操作方法與步驟

基于單片機(jī)的用腳開(kāi)閉多功能門(mén)裝置的操作方法分為2個(gè)部分：①門(mén)的開(kāi)與關(guān)。在門(mén)內(nèi)通過(guò)腳踏開(kāi)門(mén)踏板和關(guān)門(mén)踏板，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)和門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸朝開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)的功能，該部分機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。②電控部分。通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)人體檢測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作報(bào)警和人員主動(dòng)求助功能。當(dāng)人進(jìn)入門(mén)內(nèi)，紅外傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到人體，并且開(kāi)始計(jì)時(shí)，設(shè)定時(shí)間為6 min。如果超過(guò)6 min人還在門(mén)內(nèi)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，這個(gè)時(shí)候警報(bào)聲會(huì)持續(xù)15 s。如果15 s內(nèi)里面的人按下了復(fù)位按鍵，系統(tǒng)就會(huì)停止報(bào)警，然后重新計(jì)時(shí)；如果15 s內(nèi)門(mén)內(nèi)的人沒(méi)有按下復(fù)位按鍵，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為人員出現(xiàn)意外狀況，那么門(mén)鎖會(huì)自動(dòng)解開(kāi)，方便門(mén)外的人員進(jìn)入救援。如果人在門(mén)后的過(guò)程中，感覺(jué)身體不適需要幫助，可以人為地按下求助按鍵，就會(huì)直接觸發(fā)警報(bào)，那么門(mén)鎖也會(huì)自動(dòng)解開(kāi)，定義為人需要救援。電控部分由模塊化結(jié)構(gòu)組成，功能齊全。

4 總結(jié)

新冠疫情的發(fā)生讓人們注意到了公共區(qū)域直接接觸發(fā)生感染的危險(xiǎn)性，公共衛(wèi)生間的衛(wèi)生以及防止人員密集型接觸同一區(qū)域的設(shè)計(jì)刻不容緩。針對(duì)現(xiàn)有公共衛(wèi)生間門(mén)多采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)，易造成交叉感染的情況，本文設(shè)計(jì)了一種用腳進(jìn)行開(kāi)閉的多功能門(mén)裝置，也解決了公共衛(wèi)生間內(nèi)人們因長(zhǎng)時(shí)間玩手機(jī)而占用公共資源，以及當(dāng)衛(wèi)生間內(nèi)人突然感到身體不適想要求助或者暈倒了無(wú)法及時(shí)得到救援的問(wèn)題。

主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：①采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)腳踏齒輪傳動(dòng)和門(mén)桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生間門(mén)的開(kāi)與關(guān)，避免了人員皮膚直接接觸公共區(qū)域，保證了人與細(xì)菌隔離，減少人員交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，安全衛(wèi)生。②基于單片機(jī)功能，通過(guò)利用紅外感應(yīng)感知人員狀況，超時(shí)可報(bào)警。當(dāng)人進(jìn)入衛(wèi)生間時(shí)間超過(guò)設(shè)定的時(shí)間時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，人員情況正常，可按復(fù)位按鍵取消報(bào)警，系統(tǒng)重新計(jì)時(shí)；當(dāng)人出現(xiàn)身體不適需要幫助時(shí)，可按求助按鍵，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)門(mén)鎖會(huì)自動(dòng)解開(kāi)；當(dāng)人在門(mén)內(nèi)暈倒時(shí)，達(dá)到一定時(shí)間系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)門(mén)鎖自動(dòng)解開(kāi)，方便外面的人聽(tīng)到警報(bào)聲，及時(shí)進(jìn)行救援。本裝置使用鋰電池，可充電，停電時(shí)也不影響使用。③本裝置在實(shí)現(xiàn)用腳開(kāi)關(guān)門(mén)的基本功能上，具有人體檢測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作報(bào)警和人員主動(dòng)求助功能，制作簡(jiǎn)單、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)。