基于微孔型陶瓷超声波雾化片智能消毒器的设计

孙春志　唐佐侠　马艳彬　陈玉珠

关键词：公共安全；雾化片；消毒器；算法

中图分类号：TP212；TH122 文献标识码：A

0引言

近年来，频发的公共卫生事件对公众的身体健康造成了巨大威胁。其中，公共场所的卫生间具有空间狭小和人流量较大的特点，是细菌病毒滋生传播的主要场所。公共卫生间内的病原微生物主要通过粪口、高浓度气溶胶、呼吸道和近距离接触等方式进行传播，目前常见的消毒手段有人工定期喷洒消毒剂、紫外线照射消毒和智能消毒机器人消杀等。其中，人工定期喷洒消毒剂方式工作烦琐且无法做到全时段消杀，工作效率较低的同时增加了工作人员的感染风险；紫外线照射消毒方式是利用汞灯发出的紫外线实现消毒杀菌，但其释放出来的紫外线能量较大，易对人体皮肤和眼睛造成危害；智能消毒机器人售价较高且大多适用于相对简单开阔的场所，难以适应公共卫生间等空间狭小的场所。

因此，本文主要利用现代电子信息技术解决公共卫生间的智能消毒问题。采用远距离红外传感器实时检测公共卫生间的人流量，根据检测结果由高速处理器控制微孔型陶瓷超声波雾化片雾化消毒剂，经直流风机将其均匀喷洒至公共卫生间内，并利用机器学习技术根据公共卫生间的人流量自动调节喷雾量。

1整体方案设计

本设计采用型号为STC15W408AS的单片机作为主控芯片。装置前端利用热释电红外传感器获取公共卫生间的出入数据并送入主控制器，当检测到有人离开后，主控制器将控制驱动电路和微孔型陶瓷超声波雾化片工作，微孔型陶瓷超声波雾化片通过高频振动将液体消毒剂雾化，并利用直流风机将雾态消毒剂以一定速度喷洒至公共卫生间内。显示屏实时显示当前工作状态，管理人员可以随时调节出挡位，本设计使用浮磁无水检测设备检测消毒剂余量，当其低于阈值时进行声光报警，并利用物联网单元电路通知后台及时加注或更换消毒液。系统结构如图1所示。

2智能消毒器硬件电路设计

2.1电源电路设计

本设计中所有主电路均由220 V市电经过AC-DC（交流一直流）降压变换电路后供电，并设计了可充电的DC（直流）12 V锂电池作为备用电源。主电路工作时实时检测备用锂电池电压是否正常，电压过低时将给备用电源充电。电压达到阈值后自动关断保护，一旦主电路非正常断开，系统将自动切换至备用锂电池继续供电，维持系统继续工作不低于24 h。待主电路恢复正常供电后切换为主电路供电，同时为备用锂电池充电，或人工更换备用锂电池。

2.2控制电路设计

采用STC15W408AS单片机作为主控芯片，芯片内集成了精度非常高的内部振荡电路与可靠性较高的复位电路，无须额外增加晶体振荡器与复位电路设计。其中，内部振荡电路的供电电压为5V，高亢静电ESD（静电释放）的保护耐压为20000V，当设计处于掉电模式时可以由外部中断唤醒，也可以利用芯片内掉电唤醒功能的专用定时器唤醒，应用在本设计的电池供电系统中非常合适，在线系统可仿真、编程和远程升级。

2.3雾化驱动电路及人体检测电路设计

本设计利用微孔型陶瓷超声波雾化片的高频谐振，将液态水分子打散从而产生自然飘逸的水雾，再利用直流风机将水雾从底部吹向出口，使消毒剂能够均匀地覆盖到更多区域进行消毒杀菌。微孔型陶瓷超声波雾化片有效结合了钢片和陶瓷的优点，适合放于水面上工作，工作时功耗较低，一般用于迷你加湿器或医疗喷雾器上。由于本设计应用的试剂多为酸性或碱性溶液，容易腐蚀雾化片，减少雾化片使用寿命，故采用微孔型陶瓷超声波雾化片，并在其表面涂上疏水材料，减弱试剂对其的腐蚀。雾化片驱动电路如图2所示。

本设计选用的红外传感器在顶端开设了装有滤光镜片的窗口，该滤光镜片能够透过波长范围为7～10μm的光，同时吸收其他波长的红外线，非常适用于人体红外辐射的探测。检测信号经高速处理器处理，长时间无信号输入时将进入低功耗待机状态。

2.4显示电路设计

本设计采用型号为CH455的芯片用于数码管显示驱动。其内部设置有时钟振荡电路，最多可以点亮32只LED（发光二极管）或动态驱动4位数码管，同时还能够对28键的键盘进行扫描；芯片CH455可以通过由SCL（串行时钟线）和SDA（串行数据线）组成的两线串行接口控制器进行数据交换，以及与外部单片机连接。电容Cl和C2分布在芯片CH455的电源引脚旁边，主要用于电源退耦，以减少外部驱动大电流产生的电磁干扰。该芯片具有低功耗睡眠模式，可以通过软件命令唤醒或者外部按键唤醒。芯片内部具有限流功能，通过调节占空比可提供8级亮度控制。

3软件设计

本设计的软件设计部分包括系统、按键、显示初始化设计、人体检测设计、中断部分的设计、USART（通用同步／异步串行接收／发送器）接口驱动、液位检测、定时器设置、AD（模拟到数字）转换以及配置使用的I／O（输入／输出）口和各模块的初始化。热释电红外传感器检测公共卫生间的人流量，并对测量数据进行分析和处理，根据时间段与人流量自动调节喷雾量，从而达到智能消毒的效果。系统软件流程如图3所示。

4结论

本设计利用电子信息智能檢测技术完成了对公共卫生间智能消毒器的设计。利用人工智能算法计算公共卫生间的实时人流量，根据检测结果自动调节消毒剂喷雾量，有效提高了公共卫生间的整洁程度，降低了病菌传播的风险，解决了人们对公共卫生间卫生问题的担忧，为解决空间狭小且人流量较大场所的智能消毒问题提供新思路。此外，本设计也可用于喷洒除味剂等，为城市的公共卫生保驾护航，具有重要的科学意义和工程应用价值。