電梯用自動紫外線殺菌燈系統設計

摘要：為實現對電梯這類人流密集、相對封閉的公共場所進行高效殺菌消毒，達到防止病毒傳染的目的，設計了一種自動紫外線殺菌燈系統。該系統以STM32芯片為主處理器，采用紅外傳感器與藍牙模塊，通過手機控制，可根據實際情況設定所需的消毒時間與消毒頻率，并可做到僅在電梯中無人且非運行時段消毒。

關鍵詞：紫外線殺菌;電梯;自動;STM32

0 引言

電梯轎廂是相對密閉的空間，空氣流通性差，人員密集，易于細菌或病毒通過接觸或呼吸道、飛沫等方式傳播。紫外線消毒是最方便的空氣消毒方法，對物體表面消毒具有一定效果，特別是對光滑表面消毒效果更好，適用于對電梯轎廂與電梯按鍵的消毒，可以更加高效地達到防止病毒傳染的效果，為此本文設計了一種適用于電梯殺菌消毒的自動紫外線殺菌燈系統。

1 紫外線殺菌原理

紫外線殺菌原理是通過誘發DNA相鄰的嘧啶堿基產生環丁烷嘧啶二聚體，產生光化學產物，阻礙基因的正常復制，進而導致微生物的滅活和死亡。紫外線殺菌作為一種常見的空氣和物體表面消毒方式，對多種微生物有著高效的殺滅效果，尤其是對于結核分枝桿菌、流感病毒等有著顯著的殺滅作用。同時，紫外線照射產生的臭氧有利于較長時間內保持轎廂內的清潔。目前，國內只有溫州醫科大學附屬第一醫院使用了智能紫外線消毒監控管理系統，應用于醫院的感染高風險醫療區域。但是，該系統安裝成本較高，且其核心技術是采用國際先進的氮化鎵基紫外傳感器，對硬件要求較高，尤其像電梯這類數量眾多、分布較為分散的公共場所，很難普及這種消毒系統。

2 系統設計目標

本文設計的是電梯用自動紫外線燈殺菌系統，主要是針對住宅小區和辦公區等場所的電梯，使用單片機自動控制紫外線燈進行殺菌。系統采用STM32f103作為主處理器，具有體積小、耗電量低等特點，有利于安裝在電梯中，批量生產后的設備成本較低，容易被較多普通用戶接受。該系統安裝在電梯中，可以由手機通過藍牙模塊與STM32f103處理器通信，設置殺菌時間后，可由該模塊將殺菌的具體時間上傳至手機端。處理器內設有實時時鐘，設置開啟紫外線燈時間30 min，如果有人進入電梯或電梯有開門信號則停止殺菌工作，無人后繼續工作。

該系統的工作方式：（1）系統開機，初始化系統，設置開燈時間和開燈時長。同時設置開燈時間間隔，精確到小時或天，例如時間間隔計數器設置為1天，就是每天在開始時間和結束時間的范圍內開燈。如果大于1，就是到計時開始時間時減1，減到1的時候，就可以開燈。開燈后把時間間隔計數器設置為初始值。（2）判斷是否到達設計的開燈時間區間。如果到達開燈時間區間后，判斷電梯內是否有人或物，沒有就開燈計時。判斷是否到達關燈時間，如果到達則關燈，并通過Wi-Fi將開燈時長發送至手機。（3）判斷是否有人按電梯按鈕，如果有，則關燈，重復第2步。

3 硬件電路設計

本文考慮到功耗、時鐘電路需求等因素，采用STM32f103芯片作為主處理器，該芯片最高工作頻率為72 MHz，有4M～16M晶體振蕩器，內嵌出廠調校的8 MHz的RC振蕩器及帶校準功能的32 kHz RTC振蕩器，有一個VBAT引腳為RTC和后備存儲器供電。RTC接一個外部晶體的32.768 kHz的振蕩器，可以產生一個1 s時長的時間基準。該芯片具有功耗低的特點。

系統硬件電路由STM32處理器電路、紫外線燈控制電路和紅外傳感器電路組成。其中STM32處理器電路由電源系統、復位電路、晶振電路、調式電路等主要電路組成。復位電路是指系統上電時為處理器提供復位信號;晶振電路由一個主晶振倍頻后產生72 MHz主工作時鐘和一個實時時鐘晶振，內部分頻后產生1 Hz的時鐘用于時間日歷記錄。電源電路給出的是模擬電源與數字電源隔離電路，提供12 V、5 V和3.3 V的電源以及由一個電池提供3 V的電源，其中12 V電源用來驅動燈繼電器，5 V電源為基本的邏輯器件電源，3.3 V電源是主處理器的工作電源，電池電源為芯片時鐘電路電源。串行單線調試模式電路用于將軟件下載到芯片和芯片的調試。藍牙接口電路可以通過手機或其他藍牙設備進行控制參數的設置，同時也可以將殺菌時間信息通過藍牙設備傳到手機端，本文采用DT-06無線Wi-Fi串口透傳模塊實現。紅外感應電路可以根據電梯的大小適當設計紅外感應電路的個數，本文設計兩路相同的紅外感應電路，以免一旦紅外感應電路發生故障，打開紫外線燈對人體造成傷害。主處理器對電梯中的紅外感應電路進行檢測，檢測其是否發生故障。紫外線燈控制電路在開燈條件都滿足的情況下，根據設置的時間進行開燈殺菌。

4 系統軟件

系統采用手機通過藍牙模塊傳送給處理器初始化信息，藍牙通過中斷程序向處理器傳輸數據，并將接收到的數據回傳到手機中。程序初始化數據包括初始化開始開燈時間、開燈間隔計數器、關燈計數器、開燈時長計數器、開始和結束狀態標志。開始狀態標志用來控制系統是否工作，如果工作則置位1，如果不工作則復位0。手機端可以通過設置結束狀態標志為1隨時結束該系統的工作程序，在主程序中增加判斷結束狀態的語句。如果開始狀態為1，表示開啟自動消毒系統，判斷開始時間是否到達，如果沒有到達，則等待，直到開燈時間到達。到達開燈時間后，判斷開燈間隔計數器是否為1，若不為1，說明初始化數據是人為設定的，該系統消毒間隔不是1天，則開燈間隔計數器減1，程序進入等待時間周期中，等待時間為23 h，在等待過程中，仍然可采用結束狀態標志中斷程序進行，即等待過程中，如檢測到結束標志狀態為1，則結束系統工作程序，若等待過程中結束狀態標志始終為0，則程序仍然繼續保持等待狀態，直到開燈間隔計數器減1為止。此時要打開紅外掃描裝置，并開啟關燈計數器（關燈計時器初值為設定的開燈時長，例如設定開燈時間為02：00—03：00，則關燈計數器值為60 min），關燈計數器開始減計時。

判斷是否滿足消毒條件，即通過紅外掃描裝置判斷是否有人或物，如果有則等待，如果無，還需要判斷是否有電梯按鍵按下，如果同時滿足電梯內沒有人或物，且無電梯按鍵被按下，則開燈，并開啟開燈時長計數器，開燈時長計時器開始計時。開燈后仍然繼續判斷是否有人或物以及是否有電梯按鍵被按下，如果有人進入電梯或有電梯按鍵被按下，則關燈，關閉開燈時長計數器，并判斷關燈計數器是否為0。如果不為0，則繼續判斷是否滿足開燈條件，若滿足則開燈，開啟開燈時長計數器，并重復上述循環。如果為0，則關燈，并通過藍牙發送開燈時長計數器值給手機。如此循環，直到檢測到結束狀態為1，系統工作結束。

5 結語

本文設計了一種電梯用自動紫外線殺菌燈系統，該系統可以通過改變殺菌時間來調整殺菌頻率，從而使該系統在特殊時期能發揮更大的作用。

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收稿日期：2020-03-12

作者簡介：林楓（2002—），女，遼寧人，研究方向：儀器與光信號處理。