基于Arduino 單片機控制技術的多噴頭語音消毒器設計*

楊俊杰，張龍一，吳青陽

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

2019年底以來，新冠病毒席卷全球，5 億多人感染了新冠肺炎，我國也有數十萬人感染，給我國的疫情防控帶來了嚴峻的挑戰。 為了防止新冠病毒蔓延，政府部門組織人員對公共場所進行全面的殺菌消毒，但由于人群的不斷流動，還是有大量人員感染情況的發生。 在大型集會場所，病毒主要依附于公共接觸的門把手和腳墊等區域。 因此，本文提出了一種基于Arduino 單片機的多噴頭式語音消毒器[1]。該消毒器是在以往消毒器基礎上的改進，并加入了語音模塊，不僅提高了裝置的自動化水平，而且節約了資金以及人力資源消耗成本。 該消毒器趨于自動化，且環保，符合當今的發展趨勢，未來還可設置成太陽能發電，實現能源的自給自足。

1 多噴頭語音消毒器整體設計思路

在本設計方案中，消毒器的傳感模塊連接腳墊。 當有人站在腳墊上時，附著在腳墊上的壓力薄膜感應到力的作用而使電阻發生變化，電阻的變化使電流產生變化，由此產生信號刺激控制器發出指令，實現消毒液的自動噴灑。 為了改善傳統自動消毒裝置的單一消毒模式，該裝置設置多個消毒噴頭，通過吸盤使其連接在門把手或地墊等多個位置。 當有人站在地墊上時，首先消毒器會對消毒對象的鞋子進行消毒，其次是門把手、 地墊以及消毒對象的手。

為了能夠對消毒對象更加快捷地進行消毒，同時快速了解消毒流程，在該裝置的設計過程中加入了語音提示模塊。 語音提示模塊可根據Arduino 單片機發出的控制信號，在消毒的各個環節對消毒對象進行消毒步驟的提示。 當噴灑完成后，提示消毒對象離開，從而完成消毒工作[2]。

本裝置通過壓力傳感器來檢測是否有人站在腳墊上，進而實現下一步操作。 壓力傳感器將信號輸送到Arduino 處理器模塊，通過程序檢測計算得到壓力值，從而判定是否有人站在上面。 當檢測到有人需要進行消毒時，控制器發出工作信號，開啟裝置進行消毒工作。 消毒液的傳輸通過抽水電機實現，由Arduino 單片機控制抽水電機實現對消毒液的抽取噴灑。 由于單片機無法直接驅動抽水器進行工作，因此只有通過放大驅動繼電器的電信號來驅動電機，才能最大程度實現信號的正常準確傳輸[3]。消毒器的組成結構見圖1。

圖1 消毒器的組成結構

2 組成部件及相關系統的使用

2.1 組成部件

消毒器裝置內部組成部件見第100 頁表1，外部材料主要有塑料外殼、 軟管、 壓力傳感器、 語音播放器、 橡膠地墊、 精銅噴頭等。

表1 消毒器組成部件

2.2 部件類型

硬件部分為處理器模塊、 壓力檢測模塊、 噴灑模塊、 語音模塊、 電源和機械結構部件。 本裝置以Arduino 單片機作為核心處理器進行信號控制，通過壓力薄膜進行消毒對象的檢測。 噴灑模塊主要通過繼電器放大電信號驅動電機轉動，從而使抽水泵抽取消毒液進行噴灑消毒。 在進行消毒時，為了提高消毒器的交互性，系統通過語音模塊對用戶的消毒進程進行提示。 針對電源部分，采用鋰電池組進行供電，并使用了LM2596 電源穩壓芯片[4]。

使用C 語言作為編程語言，并設計了壓力感應檢測、 語音播報、 電信號驅動等相關程序。

3 制作與設計過程

3.1 控制器選型

Arduino 單片機是一種開源控制器，其開發難度低，開源資料多，操作方便快捷[5]。STM32 單片機在性價比方面具有優勢，但對于本設計來說，STM32 單片機定位較高，許多的片外資源不能得到有效利用，可能造成片外資源的浪費。 而51 單片機的性能較弱，而且開發難度較大。 因此在本設計中采用了Arduino 單片機作為控制器，實物見圖2。

圖2 Arduino 單片機實物

3.2 供電方式選型

鋰電池使用非水電解質溶液進行發電，負極材料為鋰金屬或鋰合金，實物見圖3。

圖3 鋰電池實物圖

與其他電池不同，鋰電池具有高充電密度、 長壽命和高單位成本的特點[6]。 由于鋰電池所使用的電極材料與其他電池不同，可產生1.5～3.7 V 的電壓，且在市面上銷售廣泛，其中可充電鋰電池不僅可重復利用，而且不會對環境造成惡劣影響。 3 節以上的鋰電池便可達到本設計要求的5 V 電壓，且相比USB 接口供電，不用單獨在電路板上做USB 接口，且電壓較為穩定，不用加裝穩壓模塊，便于移動。由于本系統的移動性要求較高，且鋰電池小巧，因此選用鋰電池更符合裝置要求。

3.3 電路板選型

采用回流焊技術是近年來電子工業工藝一個很明顯的趨勢，回流焊技術分為3 個過程： 預熱、 回流和冷卻。 通常所說的通孔回流焊接技術就是傳統插裝件所用的回流焊接工藝，其優點是有可能在同一時間內完成所有的焊點，最大程度上降低成本。而手動焊接的電路板集成度相較于覆銅簡易電路板和工業PCB 制作有不足之處，但價格便宜，成本低，不需要花費過多時間設計PCB 文件，且易于修改，靈活性高，跟焊接儀器相比，省去了操作參數設定、 等待升溫等環節。 所以，選擇手動焊接萬用板，其簡單、 易上手，性價比高，可同時滿足科創作品對于實踐動手能力的要求[7]。

4 硬件系統設計

4.1 處理器模塊

本設計中最核心的部分是處理器模塊，采用Arduino 處理器。 單片機的最小系統包括電源電路、時鐘電路和復位電路。 Arduino 單片機的電源電路作為單片機最小系統的整體供電核心，通常可選擇從單片機的VCC引腳和其自帶的USB 供電接口進行供電，整個Arduino 單片機上所有的5 V 引腳都是連通的，同時所對應的電源負極引腳也是連在一起的，所以單片機的電源具有連通性。 電阻和電容組成復位電路。 復位電路存在的目的就是為了在上電那一刻給予單片機一個開始工作的信號。 要想單片機開始工作，至少需要兩個連續周期的高電平。

4.2 壓力檢測電路模塊

為了實現系統對消毒對象的檢測功能，關鍵是要檢測到是否有人站在消毒地墊上，采用的方法是壓力檢測法。 當有人站在腳墊上時，腳墊上的壓力變大，腳墊下方的壓力傳感器實現信號的轉化與傳輸，通過單片機控制實現自動噴灑消毒液的功能[8]。本設計采用壓力薄膜傳感器，見第101 頁圖4。

圖4 壓力薄膜傳感器

4.3 抽水電路模塊

本設計的消毒部分采用噴灑消毒液的方式進行消毒。 電機抽取消毒液后通過繼電器進行驅動，完成消毒工作。 電機模塊見第101 頁圖5。

圖5 電機模塊

4.4 語音提示電路模塊

選用YS-M3 語音播放模塊 （見圖6） 作為本設計的語音提示電路。 由于YS-M3 語音播放模塊支持片內時鐘震蕩，可以簡化電路，且YS-M3 語音播放模塊內置穩壓電源電路，工作電流無需外接穩壓電路也可保障正常使用，因此不再針對該模塊進行外圍穩壓電路設計，采用直流5 V 供電。 YSM3 語音播放模塊具備9 個觸發端口，需要結合單片機I/O 接口觸發播放，并且觸發一次播放一次[9]。另外該模塊具有調節音量大小的旋鈕，本設計中僅有一個音量調節旋鈕，在模塊T 點處選擇焊接，觸發單曲循環模式，保證在整個工作過程中可以準確地播放提示音。

圖6 語音模塊實物

4.5 電源電路模塊

單片機需要外部電源提供穩定的直流電才能正常工作。 在實現過程中，Arduino 系列單片機最小系統的電源采用5 V，因電池組電壓為12 V，所以需要一個穩壓模塊來進行降壓穩壓。 本設計使用的電源穩壓芯片為LM2596 芯片，根據芯片的使用說明可知，該芯片使用時需在輸入端和輸出端加上濾波電容，作用是濾除雜波，防止輸入和輸出的電壓不穩定，單片機的供電系統原理見圖7。

圖7 供電系統原理圖

5 結論

本文設計的基于Arduino 單片機控制技術的多功能消毒器采用非接觸式消毒能夠很好地防止交叉感染，采用多個噴頭提高了消毒的全面性，同時加入了語言提示模塊提示人們消毒進程，相較于市面上的傳統消毒器具有智能、 消毒效率高等多個優點。 同時該裝置工作效率高，有效解決了人力投入過大的問題。 對于一些中小型企業，只需一臺機器便可解決整個公共區域的消毒問題，一定程度上減少了費用及人力資源的投入，具有良好的經濟效益； 對于人流量較多的公共場所，因成本較低，適合大量投入使用。

目前市場上大多還是手動操作消毒器，其消毒過程較為單一，且需要人工進行操作，而本文設計的消毒器在原有消毒器基礎上進行改進，特有的語音模塊降低了消毒過程中機器對人工的需求，一體化程度提高，該消毒器具有更強的市場競爭力。