錢偉龍 QIAN Wei-long；張治軍 ZHANG Zhi-jun；鮑蓉 BAO Rong

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730060）

0 引言

隨著人們對生活水平的不斷提高，對生活中居住環(huán)境也有較高的要求，人們希望自己的居家環(huán)境更方便、更健康、更整潔。而鞋底是人們經(jīng)常接觸污垢的最直接部位。不論是流行病、有害物質(zhì)或影響環(huán)境的污染物，它們很容易粘在鞋底上。隨著人體的運動，鞋底已成為有害物質(zhì)最重要的載體，不斷地從一個環(huán)境遷移到另一個環(huán)境，如何堵住鞋底下的“偷渡者”。

疫情在世界各地肆虐，消毒、清潔和戴口罩已成為控制疫情傳播的有力措施。后疫情時代，對進(jìn)入室內(nèi)人員鞋底進(jìn)行清洗消毒成為一種常態(tài)，確保進(jìn)入室內(nèi)人員鞋底干凈衛(wèi)生，成為一種現(xiàn)實需求。因此，設(shè)計一種操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用于各種場所，能夠快速徹底地去除鞋底污垢并對鞋底進(jìn)行消毒的智能鞋底清洗機(jī)是必要的，滿足時代的需要，市場潛力巨大。

1 總體設(shè)計方案

本文針對智能清潔機(jī)主要從電氣、機(jī)械、顯示方案等方面進(jìn)行了設(shè)計研究，電氣我們采用了最簡單的驅(qū)動方式，用傳感器、電機(jī)等組成。通過傳感技術(shù)和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，利用紅外線物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器。接下來是機(jī)械部分，機(jī)械有兩部分組成，清洗裝置和烘干裝置，這是清洗裝置外形，這是烘干裝置外形，清洗裝置和烘干裝置同為方形結(jié)構(gòu)，方便我們的拼接。清洗裝置的上面是一個踩踏板，通過傳動軸的轉(zhuǎn)動達(dá)到清潔，下面是由蓄水盒和控制器組成，這個蓄水盒里面我們可以稀釋消毒液達(dá)到殺菌消毒作用，采用最傳統(tǒng)的消毒方式，對水進(jìn)行過濾重復(fù)使用，更加環(huán)保。烘干裝置用于烘干鞋底和本身清理，結(jié)構(gòu)簡潔可靠，可長時間循環(huán)使用，節(jié)省大量能源。

鞋底清洗消毒裝置是以機(jī)械控制為主，電器結(jié)構(gòu)為輔。利用傳感技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)電結(jié)合。鞋底清洗消毒裝置是通過感應(yīng)裝置是否感應(yīng)到可執(zhí)行的信息。如果檢測到信息電機(jī)開始工作。共同完成清洗消毒工作。電氣部分由傳感器、電機(jī)等組成。

2 機(jī)械部分設(shè)計

機(jī)械部分的設(shè)計是智能鞋底清潔機(jī)的關(guān)鍵所在，關(guān)系到機(jī)器的操作、結(jié)構(gòu)及成本；本文設(shè)計的機(jī)械部分主要包括x軸方向的可以實現(xiàn)同步運行的傳送帶，和傳送帶相連接的清洗硬刷輪，以及固定支撐座上安裝的溫度傳感器，如圖1所示。當(dāng)人們將腳放在智能鞋底清潔機(jī)上時，傳感器檢測到信號，控制程序啟動，電機(jī)帶動傳送帶開始同步運行。傳送帶的運行帶動清洗輪毛刷同步旋轉(zhuǎn)，毛刷與鞋底接觸，對鞋底表面進(jìn)行清潔?？紤]到在長時間使用后，傳送帶疲勞后清潔效率會降低，因此在輸送帶底部設(shè)置了一個自動可調(diào)張緊輪，可對傳送帶松緊進(jìn)行調(diào)整。

圖1 鞋底清潔機(jī)結(jié)構(gòu)框圖示意圖

3 電氣部分設(shè)計

電氣部分的設(shè)計采用紅外檢測方式，我們將紅外線發(fā)射管、紅外線接收管安裝在機(jī)器入口兩側(cè)，通過調(diào)試，使紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線可以被紅外線接收管接收，紅外線發(fā)射管和紅外線接收管連接在控制電路上，控制電路采用最簡單的Arduino驅(qū)動方式，如圖2所示。主要由傳感器，電機(jī)等組成，通過傳感技術(shù)控制電機(jī)的運行。

圖2 控制電路驅(qū)動方式

3.1 紅外線傳感器的啟動和應(yīng)用

紅外傳感器是利用紅外線的物理特性進(jìn)行測量的傳感器，在測量過程中不直接與被測物體接觸，具有靈敏度高、響應(yīng)快的優(yōu)點。

該紅外傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路組成。其中光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為透射型和反射型兩種。檢測原件根據(jù)工作原理的不同，可分為熱檢測元件和光電檢測元件兩種；熱敏電阻是應(yīng)用最廣泛的熱檢測元件，當(dāng)熱敏電阻被紅外線照射時，溫度升高，電阻迅速發(fā)生變化，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光敏元件通常被用作光電檢測元件，對光線非常敏感，當(dāng)沒有光照射時，光敏電阻呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時，光敏電阻的電阻值迅速減小，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

本文中智能鞋底清潔機(jī)正是利用紅外線傳感器控制觸發(fā)整個裝置的開關(guān)，如果有人時整個裝置運行，在一定的時間內(nèi)將鞋底清洗消毒，然后停止一段時間，等待人離開，再次判斷是否有信號輸入。

3.2 紅外線控制原理

本智能清潔機(jī)采用光敏紅外傳感器來實現(xiàn)信號的檢測，利用紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，其發(fā)射紅外線的強度可以通過改變電流的大小實現(xiàn)，隨電流增大而增強。發(fā)出的紅外線被紅外接收管（屬于光敏二極管）接收，它的內(nèi)部有一個對紅外線敏感的PN節(jié)，只對紅外線有反應(yīng)，無紅外光時，光敏管不導(dǎo)通。接收到紅外線的紅外接收管，光敏管導(dǎo)通形成光電流，光電流大小隨著紅外線強度增強在一定范圍內(nèi)增大。本文正是利用了這一點把紅外技術(shù)應(yīng)用到智能鞋底清潔機(jī)的實際開發(fā)中。如圖3、圖4所示，紅外線傳感器分為發(fā)射和接收兩部分。

從圖3、圖4中可以看出，紅外發(fā)射電路和紅外接收電路連接到單片機(jī)的IO端口，其工作原理如下。紅外發(fā)射電路：當(dāng)電路接入高電平時，三極管Q1不導(dǎo)通，故此紅外發(fā)射管D1不發(fā)射紅外線；當(dāng)電路接入低電平時，三極管Q1導(dǎo)通，從而使紅外發(fā)射管D1發(fā)出紅外線。紅外接收電路：通過調(diào)整電位器R4給HS0038的1腳提供一個閾值電壓，電壓大小可以根據(jù)實際情況來確定。紅外光敏二極管C2接收到紅外線時，電路中會產(chǎn)生電流，電流大小會隨著紅外線的強弱而變化，紅外線由弱變強時，電流由小變大。當(dāng)沒有紅外線或紅外線很弱時，沒有電流產(chǎn)生，此時引腳3的電壓接近VCC，其電壓值高于引腳2的電壓，通過HS0038比較后，接收檢測引腳輸出一個高電平。當(dāng)隨著紅外線強度增強時，電流也會變大，此時引腳3的電壓值等于VCC-I*R3，電壓就會越來越小，當(dāng)引腳3的電壓比引腳2的電壓還小時，接收檢測引腳就會輸出低電平。該電路用于智能鞋底清潔機(jī)時，當(dāng)沒有人站在智能清潔機(jī)上時，紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號，紅外接收電路接收的紅外線比較強，此時接收檢測引腳輸出低電平，智能清潔機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有人站在智能清潔機(jī)上時，紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號，由于紅外信號被遮擋，因此接收電路光敏二極管C2接收不到紅外信號，接收檢測引腳輸出高電平，此時通過電機(jī)控制智能清潔機(jī)的運行，對鞋底進(jìn)行清潔消毒。

圖3 紅外發(fā)射電路

圖4 紅外接收電路

3.3 紅外線和開發(fā)板的組裝原理

我們可以很容易的使用Arduino連接PIR運動傳感器，像其他的傳感器一樣。但是這一切都取決于我們的代碼邏輯，我們想要通過它如何有效的來檢測運動。和其他的傳感器一樣，PIR有3個引腳，VCC、信號和地。圖5展示了一個非常簡單的使用Arduino連接PIR運動傳感器的電路。

圖5 傳感器電路圖

PIR傳感器還有2個旋鈕。一個用于通過增大或減小運動檢測的范圍來調(diào)整靈敏度，另一個用于調(diào)整響應(yīng)延遲的靈敏度。

3.4 L298驅(qū)動芯片

本文中電路設(shè)計驅(qū)動使用的是L298驅(qū)動芯片，該芯片的主要特點是：具有兩個h橋的高壓大電流全橋驅(qū)動器可用于驅(qū)動感應(yīng)負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制；工作電壓高，最大工作電壓可以達(dá)到46V；有兩個啟用控制終端，允許或禁止設(shè)備在不受輸入信號影響的情況下工作；有一個邏輯功率輸入，使內(nèi)部邏輯電路在低電壓下工作；輸出電流大，瞬時峰值電流可達(dá)3a，連續(xù)工作電流為1.5a；它可以外部連接以檢測電阻并將變化反饋給控制電路。（圖6）

圖6 L298驅(qū)動芯片

4 顯示屏部分

為了保證系統(tǒng)的正常運行，有必要實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為了便于查看系統(tǒng)狀態(tài)，本設(shè)計中設(shè)置了一個監(jiān)測和指示裝置，該裝置由控制智能清洗機(jī)啟動和停止的接觸器的常開或常閉觸點以及檢測故障的繼電器控制。電路圖如圖7所示。

圖7 顯示電路

當(dāng)人們需要清潔鞋底將腳放在傳送帶上時，紅外傳感器檢測到信號，由控制裝置啟動智能鞋底清潔機(jī)開始運行，控制回路中繼電器得電，從而控制常開觸點接通，觸點一側(cè)的發(fā)光二極管點亮，指示智能鞋底清潔機(jī)處于運行狀態(tài)。當(dāng)人們將腳離開傳送帶上，紅外傳感器檢測到的信號發(fā)生變化，智能鞋底清潔機(jī)停止運行，信號被發(fā)送到主控室的單片機(jī)，單片機(jī)接收到低電平信號并立即響應(yīng)，觸電一側(cè)的另一發(fā)光二極管點亮，指示智能鞋底清潔機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。

5 特色與創(chuàng)新之處

①它適合于任何的場合，智能清潔機(jī)采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)場地進(jìn)行調(diào)整安裝。

②高效智能，結(jié)構(gòu)簡潔，作品機(jī)械設(shè)計簡潔可靠，體積小巧。

③通過機(jī)械產(chǎn)品清洗消毒鞋底，使無塵車間等戴鞋套的地方杜絕了一次性塑料鞋套的使用，減少污染。

④智能清潔消毒機(jī)主要是利用傳感技術(shù)，對是否有人進(jìn)行此操作進(jìn)行判斷，不需人去開關(guān)，自動化控制系統(tǒng)為人們提供便捷。

6 結(jié)束語

該產(chǎn)品的設(shè)計將有助于減輕人們拖地和消毒地板的麻煩。只需往上面一站，不考慮任何因素的繼續(xù)向前通行，鞋底即干干凈凈，比換鞋套省錢，也避免了二次污染，一舉足而皆大歡。它不僅適用于大型商場、無塵車間、家庭，也適用于辦公室、實驗室和實驗室。此外，本產(chǎn)品還具有鞋底消毒功能，適用于醫(yī)院、食品廠、制藥廠、農(nóng)場等特殊場所。該產(chǎn)品設(shè)計合理，制造美觀，技術(shù)先進(jìn)，使用方便，簡單大方，占地面積小，為家庭和辦公提供了一個清新的環(huán)境。