許家偉 鄭振宇 謝燁 葛琳 鮑若蘭

摘? 要：在疫情的背景下，日常的洗手消毒工作越來越成為人們生活中的必要環(huán)節(jié)，而目前使用較為廣泛的手按式消毒瓶，已不能滿足當前形勢的需求。文章設計的基于STM32的智能感應式噴霧洗手消毒儀，采用噴霧式節(jié)水設計，能自動檢測人體的靠近并進行消毒、測溫操作，將消毒工作智能化、自動化，減少了人員之間的相互接觸，為防疫工作帶來便利，具有良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：防疫；洗手儀；STM32；噴霧消毒

中圖分類號：TP273；TP368.1 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0195-04

Abstract： In the context of the epidemic situation， the daily hand washing and disinfection work has increasingly become a necessary link in people's lives. At present， the widely used hand pressed disinfection bottles can no longer meet the needs of the current situation. The intelligent induction spray hand washing disinfection instrument based on STM32 designed in this paper adopts the spray water-saving design， which can automatically detect the proximity of human body and carry out disinfection and temperature measurement operations. It makes the disinfection work intelligent and automatic， reduces the mutual contact between personnel， brings convenience to epidemic prevention work， and has a good development prospect.

Keywords： epidemic prevention; hand washing instrument; STM32; spray disinfection

0? 引? 言

在新冠疫情的背景下，日常洗手消毒已經(jīng)成為我們每天都應予以重視的環(huán)節(jié)，做到正確洗手是預防和控制病原體、病毒傳播的最基本、最簡單且行之有效的手段[1]。而當前使用較廣泛的消毒用具多為手按式消毒瓶，在眾多進出場所需有人手持執(zhí)行消毒操作，對于人流量大、工作人員不足的場合下，難以應付過來。在洗手消毒儀需求量如此巨大和防疫工作如此重要的情況下，洗手消毒儀的智能化十分必要，智能洗手消毒儀能更好的服務民眾，使防疫工作更加高效，同時減少了人員接觸[2]，降低了疫情防控工作人員的感染風險，具有良好的發(fā)展前景。

本文設計的智能感應式噴霧洗手消毒儀，則能很好地解決這一問題，將消毒工作自動化，更符合當下形勢需求。該產(chǎn)品可應用于食堂、小區(qū)、校門口、宿舍出入口、商場、廁所等需要洗手消毒工作的場所，便利快捷?；诠?jié)能環(huán)保的理念，采用噴霧式節(jié)水設計，較于流水式大大節(jié)約用水，搭載自動感應開關(guān)以避免傳統(tǒng)接觸式污染，解決水龍頭不擰緊、忘記關(guān)水而造成的水資源浪費問題，同時具有測量人體溫度、消毒液不足提醒等功能，為防疫工作提供便利。

1? 總體方案設計

本設計使用STM32 F103C8T6作為主控，裝置通過紅外傳感器實現(xiàn)非接觸式噴霧開關(guān)，使用溫度傳感器實現(xiàn)人體體溫的測量，通過HC-05藍牙模塊連接手機進行通信，開發(fā)手機APP進行實時體溫數(shù)據(jù)監(jiān)測、異常提醒。溫濕度傳感器將采集到的環(huán)境信息轉(zhuǎn)化成電信號由主控接收，再對OLED模塊進行控制顯示，同時對加熱器進行控制實現(xiàn)液體溫度的調(diào)節(jié)。除市電供電外，還設計了充電鋰電池的供電方式，設置安全充電、蓄電、放電電路，實現(xiàn)設備的電池可充電，可更換。通過超聲波模塊實現(xiàn)消毒液剩余量的檢測，在消毒液不足時發(fā)出提醒以及時補充。系統(tǒng)框圖如圖1所示，本設計的樣機如圖2所示。

2? 硬件模塊設計

2.1? 電源模塊

電源部分采用市電供電與電池供電兩種供電方式。當外接電源存在時，使用市電供電，并對電池進行充電；當無市電供電的情況下，MOS管選擇電路將自動切換至電池供電。該電源模塊加入了保險絲，提高了電路的安全性，實現(xiàn)過流保護裝置的功能。MOS管選擇電路原理圖如圖3所示。

2.2? 主控模塊

本設計所使用主控的型號為STM32F103C8T6，是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的32位微控制器。該主控模塊的主頻率為72 MHz，程序存儲器容量為64 KB，供電電壓2 ～3.6 V，工作溫度為-40～85 ℃，滿足本設計的需求。

2.3? 紅外感應模塊

本設計采用E18-D80NK漫反射式紅外線NPN感應光電開關(guān)，用于檢測是否有手部靠近。該開關(guān)主要由發(fā)射器、接收器兩部分構(gòu)成，由此組成一個紅外感應模塊的標準部件。其中發(fā)射器每隔一定時間會對外發(fā)射出光束，當所發(fā)出的光束照射到目標物體之后，在物體表面發(fā)生的漫反射會返回到接收器中，當接收器接收到足夠的組合光時，開關(guān)的狀態(tài)則會發(fā)生變化，進而達到感應物體靠近的作用。在實際使用中，當手部靠近時，模塊的輸出引腳輸出高電平，主控對接收到的電平信號進行判斷，從而控制電機輸出。其靈敏度可調(diào)節(jié)，可根據(jù)實際檢測需求調(diào)節(jié)感應人體的靈敏度，從而控制檢測距離。光線被檢測物體遮擋示意圖如圖4所示。

2.4? 電機驅(qū)動模塊

本設計采用雙路直流電機驅(qū)動模塊，雙H橋，可同時驅(qū)動兩臺直流電機，分別用于噴霧電機和水量補充電機。該電機驅(qū)動模塊具備寬電壓輸入，范圍在6.5 V到27 V，單路最大功率達到189 W，同時擁有欠壓保護，當線路電壓降低到臨界電壓時，可保護電器，防止設備過載，并帶光耦隔離，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定。

2.5? 人體測溫模塊

本設計使用非接觸式紅外測溫模塊GY-614V3DCC，用于測量人體的體溫。該模塊的檢測元件一般為熱電型探測器，通過測量目標物體表面所輻射出來的紅外能量來確定該物體表面的溫度。因其測溫過程無須與被測物體接觸，被廣泛應用于各類場景，如公共場所的人體體溫監(jiān)測等。該模塊能快速測量目標物體溫度，同時不影響當前環(huán)境溫度，可長時間使用，并且易于操作。該模塊使用串口與主控進行通信，將測量到的數(shù)據(jù)返回到主控制器中進行處理判斷。

2.6? 水箱余量檢測模塊

本設計采用HC-SR04超聲波模塊進行水箱剩余量的檢測，通過測量超聲波發(fā)出與接收到信號的時長，再根據(jù)聲音在空氣（25 ℃）中的速度346 m/s，即可計算出所測的距離為高電平時間乘以速度的二分之一，測量出超聲波模塊距水面的距離，進而測量出水箱中液體的剩余量[3]。HC-SR04的控制時序圖如圖5所示。

2.7? 顯示模塊

本設計的數(shù)據(jù)顯示功能使用四線SPI通信OLED模塊進行。相比于需要背光的LCD屏幕來說，OLED通過自發(fā)光來顯示內(nèi)容，使得它即使在外部光線較強的情況下，也能清晰顯示數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)較好的效果，不易受外界環(huán)境的干擾。同時，該顯示模塊刷新速度快，顯示穩(wěn)定，符合本設計需要在短時間內(nèi)更新數(shù)據(jù)的需求。該OLED模塊在與單片機進行通信時使用SPI協(xié)議，屬于全雙工同步通信，傳輸速度快，僅需要四根引腳線，大大節(jié)約了IO口的資源[4]。四線SPI寫操作時序圖如圖6所示。

2.8? 藍牙通信模塊

本設計除了將各種采集到的數(shù)據(jù)在OLED屏幕上進行顯示外，還通過藍牙發(fā)送到手機上位機中進行同步顯示。這里采用的是HC-05藍牙串口通信模塊，通過與單片機串口引腳的連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端，同時也能接收從上位機發(fā)來的指令，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達10 m，通信簡便快捷。該模塊體積小巧，通過簡易的指令即可對其串口波特率等參數(shù)進行修改配置，使用靈活。并可通過模塊自帶的LED燈直觀判斷藍牙的連接狀態(tài)[5]。藍牙通信模塊引腳圖如圖7所示；帶有藍牙模塊的單片機與手機APP的通信示意圖如圖8所示。

2.9? 環(huán)境溫濕度檢測模塊

本設計的環(huán)境溫濕度測量功能使用DHT11傳感器進行實現(xiàn)。DHT11是一款有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，包括一個高分子電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可測量5%～95% RH的濕度范圍與-20～+60 ℃的溫度范圍，并與一個高性能8位單片機相連接，通過單總線與微處理器通訊。DHT11有4個引腳，分別是3.3～5.5 V供電VCC、串行數(shù)據(jù)單總線DATA、空腳NC以及電源負極GND，其中DATA引腳與單片機引腳相連，即可傳輸采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)到主控進行處理[6]。

2.10? 水溫測量模塊

本設計采用防水型DS18B20溫度傳感器作為水溫探頭，測量水箱內(nèi)液體的溫度。其測溫范圍為-55～+125 ℃，64位只讀存儲器儲存器件的片序列號，可將溫度的精度設為0.5、0.25、0.125 ℃和0.062 5 ℃。該模塊通過D0引腳輸出傳感器所測量到的數(shù)據(jù)。

3? 軟件設計

3.1? 主程序設計

主程序使用模塊化的思想進行編程，對各個功能進行模塊化設計，采取分別進行代碼編寫，最終在主程序調(diào)用的基本思路，從而實現(xiàn)本設計所涉及的功能。主程序的流程為，先對所需要用到的各個功能模塊進行初始化配置，配置成功之后進行環(huán)境溫濕度檢測和溫度控制，并對數(shù)據(jù)進行顯示；隨后檢測是否有手部靠近，當有手部靠近時，對人體進行體溫測量與顯示，接著啟動噴霧電機，若人體離開，則關(guān)閉噴霧電機。在每一次循環(huán)的過程中，都會對消毒液的剩余量進行一次檢測，若余量不足，則進行補充操作。系統(tǒng)主程序設計流程如圖9所示。

3.2? 感應噴霧系統(tǒng)程序設計

使用E18-D80NK漫反射式紅外線NPN感應光電開關(guān)，當檢測到人體靠近時，其輸出引腳輸出高電平，單片機在檢測到IO口電平為高時，控制水泵電機噴出噴霧，從而實現(xiàn)無接觸自動感應的噴霧洗手功能。

3.3? 人體測溫程序設計

將GY-614V3DCC模塊與單片機的串口引腳進行連接，當人體靠近時，該模塊將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸至單片機，單片機在對數(shù)據(jù)進行處理之后，顯示在OLED模塊上，并通過藍牙模塊發(fā)送至上位機軟件。若體溫超出正常范圍，蜂鳴器將發(fā)出警報，同時上位機軟件接收到相應通知。

3.4? 水溫控制系統(tǒng)程序設計

本設計引入水溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在天氣較冷的環(huán)境中使用溫水進行洗手，在提升舒適度的同時，在一定程度上提高了清潔效果。同時兼具根據(jù)所測量出的環(huán)境溫度，自動調(diào)節(jié)噴霧溫度的功能。實現(xiàn)思路如圖10所示。

3.5上位機軟件設計

使用Android Studio進行安卓上位機軟件的設計與開發(fā)，對單片機采集到的人體體溫、余量、環(huán)境溫濕度等信息進行可視化顯示，使得對數(shù)據(jù)的把控更為智能與便捷，可及時關(guān)注數(shù)據(jù)的變化與趨勢，為相關(guān)工作提供便利。上位機軟件界面如圖11所示。

4? 結(jié)? 論

本文基于STM32設計了一款智能感應式噴霧洗手消毒儀，對硬件平臺和軟件處理系統(tǒng)進行了設計。利用紅外感應開關(guān)識別人體靠近狀態(tài)，當手靠近消毒儀下方時自動噴出霧狀消毒液，離開時自動關(guān)閉；同時自動監(jiān)測人體體溫并顯示在屏幕中，若超過設定溫度，則發(fā)出提醒聲，將所測得的體溫等信息通過藍牙通信發(fā)送數(shù)據(jù)到手機APP，工作人員可在應用內(nèi)實時查看相關(guān)信息，接收人員體溫異常提醒等，具有一定的實用性。

參考文獻：

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作者簡介：許家偉（2002—），男，漢族，廣西藤縣人，本科在讀，研究方向：自動化。