便攜式紫外線消毒殺菌牙套盒

韓靖卜，周曉華，張欣宇

（1.西京學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西西安，710123；2.西京學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安，710123）

0 引言

隱形牙套作為一種美觀性的牙齒正畸器材，越來(lái)越被大眾所熟知，且已有許多年輕人佩戴起來(lái)，作為一種易摘戴的且進(jìn)入口腔的物質(zhì)，它的衛(wèi)生是至關(guān)重要的。

隱形牙套對(duì)于矯正牙齒的人來(lái)說(shuō)，需要每天至少佩戴20 小時(shí)，口腔中的菌群在口腔內(nèi)是一個(gè)健康平衡的狀態(tài)，但是當(dāng)口腔中的菌群隨著隱形牙套離開(kāi)口腔接觸外界后就會(huì)滋生一些其他的細(xì)菌，如果這些細(xì)菌沒(méi)有及時(shí)得到?jīng)_洗、消毒殺菌處理，當(dāng)隨著牙套進(jìn)入口腔中時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致口腔菌群失衡，引發(fā)一些不必要的疾病。

目前市面上一部分牙套盒僅有存放的功能，這會(huì)導(dǎo)致許多細(xì)菌的滋生，非常不利于口腔健康。一部分牙套盒是通過(guò)將牙套在含有消毒藥片的水中浸泡起到消毒殺菌的作用：牙套消毒藥片需要在使用前用溫水化開(kāi)，然后再把牙套放入其中浸泡，確保水面完全覆蓋牙套，浸泡至少五分鐘后，取出牙套用軟毛刷蘸水刷洗，最后需要用流水完全沖洗干凈才能再次佩戴，若沒(méi)有將藥物完全沖洗干凈，則會(huì)對(duì)身體健康造成一定的危害。一部分是多功能家用超聲波高頻振動(dòng)消毒殺菌器具，體積大，不方便隨身攜帶，若消毒殺菌對(duì)象不專(zhuān)一，還可能會(huì)導(dǎo)致交叉感染。

隱形牙套是由高分子的納米材料制成，市面上有一部分對(duì)隱形牙套的清潔使用清潔劑，但是清潔劑會(huì)給矯正器表面造成損壞，所以在清洗的時(shí)候盡量避免使用清潔劑。

1 紫外線消毒殺菌

■1.1 紫外線消毒殺菌原理

利用波長(zhǎng)為200～280nm 的紫外線（UVC）對(duì)微生物的輻射損傷和破壞微生物（細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體）機(jī)體細(xì)胞中的DNA 或RNA 的分子結(jié)構(gòu)，造成生長(zhǎng)性、再生性細(xì)胞死亡，從而抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，達(dá)到消毒殺菌的效果。紫外線通過(guò)改變DNA 的生物活性，達(dá)到微生物自身不能復(fù)制的目的，這種紫外線損傷也是致死性損傷。紫外線消毒是一種物理方法。

■1.2 紫外線燈

物體表面消毒通常采用直接照射的方式，以一定的紫外線輻射照度照射一定的時(shí)間從而達(dá)到消毒的效果。短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收，穿透能力弱，不能穿透普通玻璃和塑料制品。紫外線殺菌燈使用的就是UVC 短波紫外線，雖然穿透能力弱但它對(duì)人體的傷害是很大的，不可以直接照射人體。雖然紫外直接照射對(duì)人體有害，但所幸UVC 可以被絕大多數(shù)物質(zhì)所吸收，即使是普通的平板玻璃也能吸收全部的UVC 紫外輻射，而且剩下的大多UVC 紫外輻射會(huì)被代謝失活的皮膚所吸收，因此安全隱患不大。

目前紫外線消毒殺菌燈主要光源有兩種：氣體放電光源和固態(tài)光源。氣體放電光源主要是低壓汞燈，低壓汞燈的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，殺菌效率高，但體積較大還有少量汞污染。目前市場(chǎng)上售賣(mài)的紫外線消毒燈大都還是采用技術(shù)成熟的低壓汞燈光源。固態(tài)光源指的就是UV-LED 光源，作為紫外線燈珠的UV-LED既不含汞，也不會(huì)產(chǎn)生臭氧，既安全又環(huán)保。

燈珠的優(yōu)點(diǎn)有很多：環(huán)保、體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低、波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)快等等，最重要的是可以調(diào)節(jié)波長(zhǎng)到大約257nm～279nm 之間，正好沒(méi)有浪費(fèi)波段，殺菌更加高效，波長(zhǎng)也更加穩(wěn)定，能耗也更低，使用時(shí)間也更長(zhǎng)，不用像燈管一樣一年一換勞心費(fèi)力。紫外線是不可見(jiàn)光，不能以紫色光的強(qiáng)弱來(lái)判斷紫外線的存在。有些產(chǎn)品封裝了紫色燈，紫色光會(huì)非常明顯，但是其實(shí)不是真正的紫外線，對(duì)殺菌是無(wú)效的。

■1.3 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

紫外線燈珠不僅殺菌效率高，而且不挑材質(zhì)，操作也簡(jiǎn)單，只要把被消毒殺菌物品放入盒內(nèi)，蓋子合上，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，就能解放雙手，安心等待消毒了，方便省心。

便攜式紫外線消毒殺菌牙套盒，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)牙套進(jìn)行消毒殺菌，可充電循環(huán)利用，具有蓄電功能，出門(mén)直接攜帶，方便可靠。一個(gè)紫外線燈珠的壽命為10000 小時(shí)，足夠牙齒矯正者在長(zhǎng)達(dá)1～3 年的矯正期間使用。

2 硬件系統(tǒng)

■2.1 介紹

本設(shè)計(jì)的外觀主體由上殼、中間上殼、隔板、中間下殼、電路板、下殼、螺絲七部分組成（如圖1 所示），通過(guò)Solidworks 軟件畫(huà)出設(shè)計(jì)圖。具有拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其加工、組裝拆卸和后期維修有利。

圖1 機(jī)械示意圖

本設(shè)計(jì)的硬件電路主要由STC89C52RC 單片機(jī)、可充電鋰電池、紅外檢測(cè)模塊、語(yǔ)音識(shí)別、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、LED 指示燈、紫外線燈珠等部分組成，可以實(shí)現(xiàn)紫外線自動(dòng)消毒殺菌功能。總開(kāi)關(guān)控制整個(gè)電路的通斷。電池使用可充電鋰電池。三個(gè)LED 指示燈，三種顏色分別代表開(kāi)關(guān)機(jī)、正在充電、紫外線正在工作三種狀態(tài)。紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)牙套盒中是否有牙套。微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)蓋子的打開(kāi)與閉合。當(dāng)紅外檢測(cè)到牙套存在且微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到蓋子閉合時(shí)，延時(shí)三秒后自動(dòng)啟動(dòng)紫外線消毒殺菌系統(tǒng)對(duì)牙套進(jìn)行消毒殺菌。當(dāng)忘記牙套盒的放置位置時(shí)，可通過(guò)語(yǔ)音呼叫及時(shí)找到。使用膠條密封隔板，防止水流到電路板。將拋光鋁膜貼到上殼內(nèi)壁、中間上殼內(nèi)壁、隔板上壁，通過(guò)反射紫外線使牙套全方位消毒殺菌。

硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框架圖

圖3 單片機(jī)控制電路

圖4 鋰電池充電示意圖

圖5 微動(dòng)開(kāi)關(guān)

圖6 紫外線燈珠

圖7 紅外檢測(cè)

■2.2 單片機(jī)控制電路

一般情況下，系統(tǒng)中所采用的MCS-51 單片機(jī)，其內(nèi)部含有一塊能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)全部基礎(chǔ)功能的核心芯片，它把微處理器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器等結(jié)合起來(lái)，并將各種功能的輸入輸出總線也結(jié)合起來(lái)。隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，MCS-51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)安排更加合理，它的功能相比以前來(lái)說(shuō)也更加得繁多，同時(shí)該芯片還擁有更加智能化更加詳細(xì)的指令，當(dāng)然也增加了其他樣式的電路單元，它擁有總數(shù)高達(dá)一百多條的指令。

MCS-51 這一系列單片機(jī)包含許多類(lèi)型，如8031、8051、8751、8032、8052、8072 等。在本設(shè)計(jì)中選擇的STC89C52RC，其性能與上述幾種品種基本一致。

■2.3 可充電鋰電池 TP4056

可充電鋰電池TP4056 是一款完整的單節(jié)鋰離子電池，它的便攜功能得益于其封裝性能以及較少的外部元件。TP4056 采用恒定電流電壓線性充電器，可以適合USB 電源和適配器電源工作。由于采用了內(nèi)部PMOSFET 架構(gòu)，加上防倒充電路，所以不需要外部隔離二極管。充電電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能源于其熱反饋，以達(dá)到在大功率操作時(shí)或高環(huán)境溫度條件下限制芯片溫度的目的。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過(guò)一個(gè)電阻器進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10 時(shí)，TP4056 將自動(dòng)終止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓（交流適配器或USB 電源）被拿掉時(shí)，TP4056 自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2μA 以下。TP4056 在有電源時(shí)也可置于停機(jī)模式將其供電電流降至55μA。TP4056 的其他特點(diǎn)包括電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于指示充電、結(jié)束的LED 狀態(tài)引腳。

DW03D 監(jiān)控電池的電壓和電流，并通過(guò)斷開(kāi)充電器或負(fù)載，保護(hù)單節(jié)可充電鋰電池不會(huì)因?yàn)檫^(guò)充電壓、過(guò)放電壓、過(guò)放電流以及短路等情況而損壞。這些功能都使可充電電池工作在指定的范圍內(nèi)。MOSFET 已內(nèi)置，等效電阻典型值為50mΩ。

■2.4 微動(dòng)開(kāi)關(guān)

微動(dòng)開(kāi)關(guān)又叫靈敏開(kāi)關(guān)，是一種具有微小接點(diǎn)間隔、快動(dòng)機(jī)構(gòu)并根據(jù)規(guī)定的行程、規(guī)定的力完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作的接點(diǎn)機(jī)構(gòu)，是用外殼覆蓋且外部有驅(qū)動(dòng)桿的一種開(kāi)關(guān)。其工作原理和觸點(diǎn)間距小、動(dòng)作行程短、按動(dòng)力小、通斷迅速的優(yōu)點(diǎn)，是被選用于該設(shè)計(jì)的主要原因。

■2.5 紫外線燈珠

本設(shè)計(jì)中采用的紫外線燈珠是PU－S335SCL－P05P20，它將發(fā)光二極管與傳統(tǒng)光源相結(jié)合，在壽命和亮度上較其他類(lèi)型光源都有提升，可以應(yīng)用于高效節(jié)能的殺菌和醫(yī)療，以及一些光學(xué)傳感器、生物分析與檢測(cè)等。它的紫外強(qiáng)度高，壽命可達(dá)10000 小時(shí)；波長(zhǎng)為260nm～280nm；視角(2θ1/2=160deg)。

■2.6 紅外檢測(cè) TCRT5000

TCRT5000 內(nèi)部包括紅外信號(hào)發(fā)射裝置與紅外信號(hào)接收裝置，在工作過(guò)程中紅外信號(hào)發(fā)射裝置不斷發(fā)射紅外信號(hào)，當(dāng)發(fā)射出的紅外線被反射回來(lái)且紅外信號(hào)接收裝置接收到被發(fā)射出的紅外信號(hào)時(shí)，亮起指示燈，并且將一個(gè)低電平信號(hào)傳輸?shù)教幚砥髦小Ｔ搨鞲衅鞯撵`敏度可以根據(jù)電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，其集成化設(shè)計(jì)便于安裝調(diào)試。它可以在智能識(shí)別、智能控制、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域被廣泛地使用。

■2.7 SU-03T 語(yǔ)音模塊

人類(lèi)通常情況下通過(guò)語(yǔ)言、動(dòng)作、表情等方式傳遞信息，其中最常用也最主要的表達(dá)方式是語(yǔ)言，現(xiàn)今世界科技發(fā)展鏈上語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)成為了人工智能必不可少的研究部分。語(yǔ)音識(shí)別是人工智能中的開(kāi)啟點(diǎn)，它具有靈敏便捷的特點(diǎn)，不僅在人們的日常生活中使用，而且在軍事上也具有極大的價(jià)值，所以在未來(lái)的發(fā)展中它會(huì)更吸引研究者。語(yǔ)音控制技術(shù)在衣食住行的方方面面都有著廣泛應(yīng)用，比如居家窗簾、機(jī)動(dòng)車(chē)輛的自動(dòng)導(dǎo)航功能、自動(dòng)售票系統(tǒng)、智能手機(jī)的手機(jī)助手等。

SU-03T 具有低成本、低功耗、小體積的優(yōu)勢(shì)，在各類(lèi)智能家居、家電、燈具等需要語(yǔ)音操控的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中備受青睞。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

初始化各個(gè)模塊。首先判斷是否充電中，正在充電時(shí)關(guān)閉除電源外的所有模塊，并且亮黃燈，當(dāng)接收到充滿(mǎn)電的信號(hào)反饋后亮綠燈。不充電時(shí)，先判斷盒蓋是否關(guān)閉，再判斷盒中是否有牙套，當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合和紅外檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，紫外線燈開(kāi)始自動(dòng)工作三分鐘，否則紫外線燈不工作。在不充電時(shí)，還可以通過(guò)語(yǔ)音模塊識(shí)別“小盒子”語(yǔ)音信號(hào)，當(dāng)識(shí)別到設(shè)置的信號(hào)后語(yǔ)音回復(fù)“我在這”。軟件總體設(shè)計(jì)框架如圖8 所示。

圖8 軟件流程圖

4 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

首先，檢查每個(gè)單元功能模塊是否符合要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步調(diào)試。調(diào)試與硬件的制作同時(shí)進(jìn)行以免導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)現(xiàn)得不及時(shí)，進(jìn)而不利于后續(xù)的調(diào)試。

■4.1 系統(tǒng)的安裝

4.1.1 元器件焊接技術(shù)

對(duì)元器件的排版要提前規(guī)劃好，可以先打草稿，并且設(shè)計(jì)好各個(gè)引腳的位置以及想好怎樣焊接更簡(jiǎn)單高效。

對(duì)焊接技術(shù)的掌握程度將會(huì)直接影響到該實(shí)物是否能實(shí)現(xiàn)功能。對(duì)于元器件的焊接，要滿(mǎn)足電路的安全性，具體元器件在電路板上的穩(wěn)定性，還要做到整潔美觀。另外也要注意焊接技巧以及用電安全。

對(duì)于焊接質(zhì)量要求所有的焊點(diǎn)必須牢固，沒(méi)有虛焊，使用電烙鐵時(shí)，在注意用電安全的前提下，保持一定的角度完成焊接，當(dāng)焊錫在焊點(diǎn)達(dá)到飽和即達(dá)到圓潤(rùn)的外形時(shí)，電烙鐵迅速離開(kāi)，一般情況下，完成一個(gè)焊點(diǎn)大約需要三到五秒焊，如果焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)對(duì)焊盤(pán)以及元器件造成損壞，如果時(shí)間過(guò)短則會(huì)出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。

為保證元器件在電路板上的穩(wěn)定性，要盡可能地減小元器件的高度。過(guò)高有可能會(huì)造成元器件的脫落，甚至造成引腳的斷裂。另外如果穩(wěn)定性不好，還會(huì)造成與相鄰元器件接觸導(dǎo)致短路的現(xiàn)象。在進(jìn)行焊接時(shí)，要按照從低到高的順序完成，比如先焊接電阻類(lèi)的器件，這類(lèi)器件短小且引腳少，然后對(duì)一些電容器件或者插座進(jìn)行焊接，最后焊接相對(duì)較高大的器件。這是根據(jù)人們總結(jié)得出的焊接順序的規(guī)律，如果不按該順序，將會(huì)在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)焊接的難度變大，并且在后續(xù)使用過(guò)程中元器件出現(xiàn)需要更換時(shí)，也存在一定的難度。

4.1.2 全面檢查

焊接完成后，進(jìn)行電路板的全面檢查，從電源正負(fù)極出發(fā)，逐條逐點(diǎn)地檢查，避免因虛焊或者漏焊而造成對(duì)整個(gè)電路的影響。在檢查過(guò)程中，通過(guò)萬(wàn)用表輔助檢查是否有短路斷路現(xiàn)象的存在，甚至元器件接觸的問(wèn)題。首先，接通電源后對(duì)各個(gè)元器件的引腳進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)比對(duì)正常工作情況下的電壓范圍，另外對(duì)特殊元器件進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，及時(shí)做出分析并對(duì)其進(jìn)行修改，修改后再次檢驗(yàn)直至正常運(yùn)行。然后對(duì)相鄰元器件進(jìn)行檢查，若出現(xiàn)相鄰引腳之間電阻無(wú)窮大的現(xiàn)象，則說(shuō)明兩引腳之間出現(xiàn)了問(wèn)題，及時(shí)修正并再次檢查。

■4.2 調(diào)試

首先是將焊接好的元器件整體進(jìn)行調(diào)試。打開(kāi)總開(kāi)關(guān)，綠燈亮，表示為開(kāi)機(jī)狀態(tài)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合或紅外檢測(cè)到牙套，沒(méi)有工作顯示，當(dāng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合且紅外檢測(cè)到牙套時(shí)，延時(shí)三秒后紫外線燈開(kāi)始工作，時(shí)長(zhǎng)3 分鐘，在此工作狀態(tài)時(shí)，紅燈亮。充電時(shí)，其他輸出均不響應(yīng)，黃燈亮。通過(guò)語(yǔ)音呼叫“小盒子”可以尋找到它的位置。

然后將硬件裝入盒中進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過(guò)程同上，各個(gè)功能皆可實(shí)現(xiàn)。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了紫外線燈珠對(duì)牙套的消毒殺菌。采用微處理器來(lái)控制紅外檢測(cè)模塊、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、語(yǔ)音識(shí)別模塊等，使矯正牙齒的用戶(hù)能夠?qū)ρ捞缀涂谇坏慕】蛋踩臃判摹?/p>

圖9 硬件圖

圖10 實(shí)物圖

圖11 充電狀態(tài)

結(jié)論如下：總開(kāi)關(guān)控制整個(gè)電路的通斷。三個(gè)LED 指示燈，三種顏色分別代表開(kāi)關(guān)機(jī)、正在充電、紫外線正在工作三種狀態(tài)。紅外檢測(cè)牙套盒中是否有牙套。微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)蓋子的打開(kāi)與閉合。當(dāng)紅外檢測(cè)到牙套存在且微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到蓋子閉合時(shí)，延時(shí)三秒后自動(dòng)啟動(dòng)紫外線消毒殺菌系統(tǒng)對(duì)牙套進(jìn)行消毒殺菌。當(dāng)要找盒子時(shí)，可通過(guò)語(yǔ)音呼叫及時(shí)找到。