基于STM32的智能感應(yīng)式噴霧洗手消毒儀

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(lái)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(dāng)前形勢(shì)的需求。文章設(shè)計(jì)的基于STM32的智能感應(yīng)式噴霧洗手消毒儀，采用噴霧式節(jié)水設(shè)計(jì)，能自動(dòng)檢測(cè)人體的靠近并進(jìn)行消毒、測(cè)溫操作，將消毒工作智能化、自動(dòng)化，減少了人員之間的相互接觸，為防疫工作帶來(lái)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(hào)：TP273；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(yīng)予以重視的環(huán)節(jié)，做到正確洗手是預(yù)防和控制病原體、病毒傳播的最基本、最簡(jiǎn)單且行之有效的手段[1]。而當(dāng)前使用較廣泛的消毒用具多為手按式消毒瓶，在眾多進(jìn)出場(chǎng)所需有人手持執(zhí)行消毒操作，對(duì)于人流量大、工作人員不足的場(chǎng)合下，難以應(yīng)付過(guò)來(lái)。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(wù)民眾，使防疫工作更加高效，同時(shí)減少了人員接觸[2]，降低了疫情防控工作人員的感染風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的發(fā)展前景。

本文設(shè)計(jì)的智能感應(yīng)式噴霧洗手消毒儀，則能很好地解決這一問(wèn)題，將消毒工作自動(dòng)化，更符合當(dāng)下形勢(shì)需求。該產(chǎn)品可應(yīng)用于食堂、小區(qū)、校門(mén)口、宿舍出入口、商場(chǎng)、廁所等需要洗手消毒工作的場(chǎng)所，便利快捷?；诠?jié)能環(huán)保的理念，采用噴霧式節(jié)水設(shè)計(jì)，較于流水式大大節(jié)約用水，搭載自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)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(fèi)問(wèn)題，同時(shí)具有測(cè)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(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用STM32 F103C8T6作為主控，裝置通過(guò)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式噴霧開(kāi)關(guān)，使用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)人體體溫的測(cè)量，通過(guò)HC-05藍(lán)牙模塊連接手機(jī)進(jìn)行通信，開(kāi)發(fā)手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)體溫?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、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(hào)由主控接收，再對(duì)OLED模塊進(jìn)行控制顯示，同時(shí)對(duì)加熱器進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)液體溫度的調(diào)節(jié)。除市電供電外，還設(shè)計(jì)了充電鋰電池的供電方式，設(shè)置安全充電、蓄電、放電電路，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的電池可充電，可更換。通過(guò)超聲波模塊實(shí)現(xiàn)消毒液剩余量的檢測(cè)，在消毒液不足時(shí)發(fā)出提醒以及時(shí)補(bǔ)充。系統(tǒng)框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)的樣機(jī)如圖2所示。

2? 硬件模塊設(shè)計(jì)

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(dāng)外接電源存在時(shí)，使用市電供電，并對(duì)電池進(jìn)行充電；當(dāng)無(wú)市電供電的情況下，MOS管選擇電路將自動(dòng)切換至電池供電。該電源模塊加入了保險(xiǎn)絲，提高了電路的安全性，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)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(shè)計(jì)所使用主控的型號(hào)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(chǔ)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(shè)計(jì)的需求。

2.3? 紅外感應(yīng)模塊

本設(shè)計(jì)采用E18-D80NK漫反射式紅外線NPN感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)是否有手部靠近。該開(kāi)關(guān)主要由發(fā)射器、接收器兩部分構(gòu)成，由此組成一個(gè)紅外感應(yīng)模塊的標(biāo)準(zhǔn)部件。其中發(fā)射器每隔一定時(shí)間會(huì)對(duì)外發(fā)射出光束，當(dāng)所發(fā)出的光束照射到目標(biāo)物體之后，在物體表面發(fā)生的漫反射會(huì)返回到接收器中，當(dāng)接收器接收到足夠的組合光時(shí)，開(kāi)關(guān)的狀態(tài)則會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到感應(yīng)物體靠近的作用。在實(shí)際使用中，當(dāng)手部靠近時(shí)，模塊的輸出引腳輸出高電平，主控對(duì)接收到的電平信號(hào)進(jìn)行判斷，從而控制電機(jī)輸出。其靈敏度可調(diào)節(jié)，可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求調(diào)節(jié)感應(yīng)人體的靈敏度，從而控制檢測(cè)距離。光線被檢測(cè)物體遮擋示意圖如圖4所示。

2.4? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，雙H橋，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，分別用于噴霧電機(jī)和水量補(bǔ)充電機(jī)。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)到189 W，同時(shí)擁有欠壓保護(hù)，當(dāng)線路電壓降低到臨界電壓時(shí)，可保護(hù)電器，防止設(shè)備過(guò)載，并帶光耦隔離，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定。

2.5? 人體測(cè)溫模塊

本設(shè)計(jì)使用非接觸式紅外測(cè)溫模塊GY-614V3DCC，用于測(cè)量人體的體溫。該模塊的檢測(cè)元件一般為熱電型探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物體表面所輻射出來(lái)的紅外能量來(lái)確定該物體表面的溫度。因其測(cè)溫過(guò)程無(wú)須與被測(cè)物體接觸，被廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景，如公共場(chǎng)所的人體體溫監(jiān)測(cè)等。該模塊能快速測(cè)量目標(biāo)物體溫度，同時(shí)不影響當(dāng)前環(huán)境溫度，可長(zhǎng)時(shí)間使用，并且易于操作。該模塊使用串口與主控進(jìn)行通信，將測(cè)量到的數(shù)據(jù)返回到主控制器中進(jìn)行處理判斷。

2.6? 水箱余量檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波模塊進(jìn)行水箱剩余量的檢測(cè)，通過(guò)測(cè)量超聲波發(fā)出與接收到信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)，再根據(jù)聲音在空氣（25 ℃）中的速度346 m/s，即可計(jì)算出所測(cè)的距離為高電平時(shí)間乘以速度的二分之一，測(cè)量出超聲波模塊距水面的距離，進(jìn)而測(cè)量出水箱中液體的剩余量[3]。HC-SR04的控制時(shí)序圖如圖5所示。

2.7? 顯示模塊

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示功能使用四線SPI通信OLED模塊進(jìn)行。相比于需要背光的LCD屏幕來(lái)說(shuō)，OLED通過(guò)自發(fā)光來(lái)顯示內(nèi)容，使得它即使在外部光線較強(qiáng)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(shí)，該顯示模塊刷新速度快，顯示穩(wěn)定，符合本設(shè)計(jì)需要在短時(shí)間內(nèi)更新數(shù)據(jù)的需求。該OLED模塊在與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)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(xiě)操作時(shí)序圖如圖6所示。

2.8? 藍(lán)牙通信模塊

本設(shè)計(jì)除了將各種采集到的數(shù)據(jù)在OLED屏幕上進(jìn)行顯示外，還通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)上位機(jī)中進(jìn)行同步顯示。這里采用的是HC-05藍(lán)牙串口通信模塊，通過(guò)與單片機(jī)串口引腳的連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端，同時(shí)也能接收從上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達(dá)10 m，通信簡(jiǎn)便快捷。該模塊體積小巧，通過(guò)簡(jiǎn)易的指令即可對(duì)其串口波特率等參數(shù)進(jìn)行修改配置，使用靈活。并可通過(guò)模塊自帶的LED燈直觀判斷藍(lán)牙的連接狀態(tài)[5]。藍(lán)牙通信模塊引腳圖如圖7所示；帶有藍(lán)牙模塊的單片機(jī)與手機(jī)APP的通信示意圖如圖8所示。

2.9? 環(huán)境溫濕度檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)的環(huán)境溫濕度測(cè)量功能使用DHT11傳感器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，包括一個(gè)高分子電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，可測(cè)量5%～95% RH的濕度范圍與-20～+60 ℃的溫度范圍，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，通過(guò)單總線與微處理器通訊。DHT11有4個(gè)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(fù)極GND，其中DATA引腳與單片機(jī)引腳相連，即可傳輸采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)到主控進(jìn)行處理[6]。

2.10? 水溫測(cè)量模塊

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

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 主程序設(shè)計(jì)

主程序使用模塊化的思想進(jìn)行編程，對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，采取分別進(jìn)行代碼編寫(xiě)，最終在主程序調(diào)用的基本思路，從而實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所涉及的功能。主程序的流程為，先對(duì)所需要用到的各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化配置，配置成功之后進(jìn)行環(huán)境溫濕度檢測(cè)和溫度控制，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；隨后檢測(cè)是否有手部靠近，當(dāng)有手部靠近時(shí)，對(duì)人體進(jìn)行體溫測(cè)量與顯示，接著啟動(dòng)噴霧電機(jī)，若人體離開(kāi)，則關(guān)閉噴霧電機(jī)。在每一次循環(huán)的過(guò)程中，都會(huì)對(duì)消毒液的剩余量進(jìn)行一次檢測(cè)，若余量不足，則進(jìn)行補(bǔ)充操作。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

3.2? 感應(yīng)噴霧系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

使用E18-D80NK漫反射式紅外線NPN感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到人體靠近時(shí)，其輸出引腳輸出高電平，單片機(jī)在檢測(cè)到IO口電平為高時(shí)，控制水泵電機(jī)噴出噴霧，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸自動(dòng)感應(yīng)的噴霧洗手功能。

3.3? 人體測(cè)溫程序設(shè)計(jì)

將GY-614V3DCC模塊與單片機(jī)的串口引腳進(jìn)行連接，當(dāng)人體靠近時(shí)，該模塊將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，顯示在OLED模塊上，并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī)軟件。若體溫超出正常范圍，蜂鳴器將發(fā)出警報(bào)，同時(shí)上位機(jī)軟件接收到相應(yīng)通知。

3.4? 水溫控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

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

3.5上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

使用Android Studio進(jìn)行安卓上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，對(duì)單片機(jī)采集到的人體體溫、余量、環(huán)境溫濕度等信息進(jìn)行可視化顯示，使得對(duì)數(shù)據(jù)的把控更為智能與便捷，可及時(shí)關(guān)注數(shù)據(jù)的變化與趨勢(shì)，為相關(guān)工作提供便利。上位機(jī)軟件界面如圖11所示。

4? 結(jié)? 論

本文基于STM32設(shè)計(jì)了一款智能感應(yīng)式噴霧洗手消毒儀，對(duì)硬件平臺(tái)和軟件處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)識(shí)別人體靠近狀態(tài)，當(dāng)手靠近消毒儀下方時(shí)自動(dòng)噴出霧狀消毒液，離開(kāi)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉；同時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)人體體溫并顯示在屏幕中，若超過(guò)設(shè)定溫度，則發(fā)出提醒聲，將所測(cè)得的體溫等信息通過(guò)藍(lán)牙通信發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)APP，工作人員可在應(yīng)用內(nèi)實(shí)時(shí)查看相關(guān)信息，接收人員體溫異常提醒等，具有一定的實(shí)用性。

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