基于Arduino 单片机控制技术的多喷头语音消毒器设计*

杨俊杰，张龙一，吴青阳

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

2019年底以来，新冠病毒席卷全球，5 亿多人感染了新冠肺炎，我国也有数十万人感染，给我国的疫情防控带来了严峻的挑战。 为了防止新冠病毒蔓延，政府部门组织人员对公共场所进行全面的杀菌消毒，但由于人群的不断流动，还是有大量人员感染情况的发生。 在大型集会场所，病毒主要依附于公共接触的门把手和脚垫等区域。 因此，本文提出了一种基于Arduino 单片机的多喷头式语音消毒器[1]。该消毒器是在以往消毒器基础上的改进，并加入了语音模块，不仅提高了装置的自动化水平，而且节约了资金以及人力资源消耗成本。 该消毒器趋于自动化，且环保，符合当今的发展趋势，未来还可设置成太阳能发电，实现能源的自给自足。

1 多喷头语音消毒器整体设计思路

在本设计方案中，消毒器的传感模块连接脚垫。 当有人站在脚垫上时，附着在脚垫上的压力薄膜感应到力的作用而使电阻发生变化，电阻的变化使电流产生变化，由此产生信号刺激控制器发出指令，实现消毒液的自动喷洒。 为了改善传统自动消毒装置的单一消毒模式，该装置设置多个消毒喷头，通过吸盘使其连接在门把手或地垫等多个位置。 当有人站在地垫上时，首先消毒器会对消毒对象的鞋子进行消毒，其次是门把手、 地垫以及消毒对象的手。

为了能够对消毒对象更加快捷地进行消毒，同时快速了解消毒流程，在该装置的设计过程中加入了语音提示模块。 语音提示模块可根据Arduino 单片机发出的控制信号，在消毒的各个环节对消毒对象进行消毒步骤的提示。 当喷洒完成后，提示消毒对象离开，从而完成消毒工作[2]。

本装置通过压力传感器来检测是否有人站在脚垫上，进而实现下一步操作。 压力传感器将信号输送到Arduino 处理器模块，通过程序检测计算得到压力值，从而判定是否有人站在上面。 当检测到有人需要进行消毒时，控制器发出工作信号，开启装置进行消毒工作。 消毒液的传输通过抽水电机实现，由Arduino 单片机控制抽水电机实现对消毒液的抽取喷洒。 由于单片机无法直接驱动抽水器进行工作，因此只有通过放大驱动继电器的电信号来驱动电机，才能最大程度实现信号的正常准确传输[3]。消毒器的组成结构见图1。

图1 消毒器的组成结构

2 组成部件及相关系统的使用

2.1 组成部件

消毒器装置内部组成部件见第100 页表1，外部材料主要有塑料外壳、 软管、 压力传感器、 语音播放器、 橡胶地垫、 精铜喷头等。

表1 消毒器组成部件

2.2 部件类型

硬件部分为处理器模块、 压力检测模块、 喷洒模块、 语音模块、 电源和机械结构部件。 本装置以Arduino 单片机作为核心处理器进行信号控制，通过压力薄膜进行消毒对象的检测。 喷洒模块主要通过继电器放大电信号驱动电机转动，从而使抽水泵抽取消毒液进行喷洒消毒。 在进行消毒时，为了提高消毒器的交互性，系统通过语音模块对用户的消毒进程进行提示。 针对电源部分，采用锂电池组进行供电，并使用了LM2596 电源稳压芯片[4]。

使用C 语言作为编程语言，并设计了压力感应检测、 语音播报、 电信号驱动等相关程序。

3 制作与设计过程

3.1 控制器选型

Arduino 单片机是一种开源控制器，其开发难度低，开源资料多，操作方便快捷[5]。STM32 单片机在性价比方面具有优势，但对于本设计来说，STM32 单片机定位较高，许多的片外资源不能得到有效利用，可能造成片外资源的浪费。 而51 单片机的性能较弱，而且开发难度较大。 因此在本设计中采用了Arduino 单片机作为控制器，实物见图2。

图2 Arduino 单片机实物

3.2 供电方式选型

锂电池使用非水电解质溶液进行发电，负极材料为锂金属或锂合金，实物见图3。

图3 锂电池实物图

与其他电池不同，锂电池具有高充电密度、 长寿命和高单位成本的特点[6]。 由于锂电池所使用的电极材料与其他电池不同，可产生1.5～3.7 V 的电压，且在市面上销售广泛，其中可充电锂电池不仅可重复利用，而且不会对环境造成恶劣影响。 3 节以上的锂电池便可达到本设计要求的5 V 电压，且相比USB 接口供电，不用单独在电路板上做USB 接口，且电压较为稳定，不用加装稳压模块，便于移动。由于本系统的移动性要求较高，且锂电池小巧，因此选用锂电池更符合装置要求。

3.3 电路板选型

采用回流焊技术是近年来电子工业工艺一个很明显的趋势，回流焊技术分为3 个过程： 预热、 回流和冷却。 通常所说的通孔回流焊接技术就是传统插装件所用的回流焊接工艺，其优点是有可能在同一时间内完成所有的焊点，最大程度上降低成本。而手动焊接的电路板集成度相较于覆铜简易电路板和工业PCB 制作有不足之处，但价格便宜，成本低，不需要花费过多时间设计PCB 文件，且易于修改，灵活性高，跟焊接仪器相比，省去了操作参数设定、 等待升温等环节。 所以，选择手动焊接万用板，其简单、 易上手，性价比高，可同时满足科创作品对于实践动手能力的要求[7]。

4 硬件系统设计

4.1 处理器模块

本设计中最核心的部分是处理器模块，采用Arduino 处理器。 单片机的最小系统包括电源电路、时钟电路和复位电路。 Arduino 单片机的电源电路作为单片机最小系统的整体供电核心，通常可选择从单片机的VCC引脚和其自带的USB 供电接口进行供电，整个Arduino 单片机上所有的5 V 引脚都是连通的，同时所对应的电源负极引脚也是连在一起的，所以单片机的电源具有连通性。 电阻和电容组成复位电路。 复位电路存在的目的就是为了在上电那一刻给予单片机一个开始工作的信号。 要想单片机开始工作，至少需要两个连续周期的高电平。

4.2 压力检测电路模块

为了实现系统对消毒对象的检测功能，关键是要检测到是否有人站在消毒地垫上，采用的方法是压力检测法。 当有人站在脚垫上时，脚垫上的压力变大，脚垫下方的压力传感器实现信号的转化与传输，通过单片机控制实现自动喷洒消毒液的功能[8]。本设计采用压力薄膜传感器，见第101 页图4。

图4 压力薄膜传感器

4.3 抽水电路模块

本设计的消毒部分采用喷洒消毒液的方式进行消毒。 电机抽取消毒液后通过继电器进行驱动，完成消毒工作。 电机模块见第101 页图5。

图5 电机模块

4.4 语音提示电路模块

选用YS-M3 语音播放模块 （见图6） 作为本设计的语音提示电路。 由于YS-M3 语音播放模块支持片内时钟震荡，可以简化电路，且YS-M3 语音播放模块内置稳压电源电路，工作电流无需外接稳压电路也可保障正常使用，因此不再针对该模块进行外围稳压电路设计，采用直流5 V 供电。 YSM3 语音播放模块具备9 个触发端口，需要结合单片机I/O 接口触发播放，并且触发一次播放一次[9]。另外该模块具有调节音量大小的旋钮，本设计中仅有一个音量调节旋钮，在模块T 点处选择焊接，触发单曲循环模式，保证在整个工作过程中可以准确地播放提示音。

图6 语音模块实物

4.5 电源电路模块

单片机需要外部电源提供稳定的直流电才能正常工作。 在实现过程中，Arduino 系列单片机最小系统的电源采用5 V，因电池组电压为12 V，所以需要一个稳压模块来进行降压稳压。 本设计使用的电源稳压芯片为LM2596 芯片，根据芯片的使用说明可知，该芯片使用时需在输入端和输出端加上滤波电容，作用是滤除杂波，防止输入和输出的电压不稳定，单片机的供电系统原理见图7。

图7 供电系统原理图

5 结论

本文设计的基于Arduino 单片机控制技术的多功能消毒器采用非接触式消毒能够很好地防止交叉感染，采用多个喷头提高了消毒的全面性，同时加入了语言提示模块提示人们消毒进程，相较于市面上的传统消毒器具有智能、 消毒效率高等多个优点。 同时该装置工作效率高，有效解决了人力投入过大的问题。 对于一些中小型企业，只需一台机器便可解决整个公共区域的消毒问题，一定程度上减少了费用及人力资源的投入，具有良好的经济效益； 对于人流量较多的公共场所，因成本较低，适合大量投入使用。

目前市场上大多还是手动操作消毒器，其消毒过程较为单一，且需要人工进行操作，而本文设计的消毒器在原有消毒器基础上进行改进，特有的语音模块降低了消毒过程中机器对人工的需求，一体化程度提高，该消毒器具有更强的市场竞争力。