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，越來越被大眾所熟知，且已有許多年輕人佩戴起來，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)于矯正牙齒的人來說，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，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。紫外線是不可見光，不能以紫色光的強(qiáng)弱來判斷紫外線的存在。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，打開開關(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Solidworks 軟件畫出設(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、語音識(shí)別、微動(dòng)開關(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)開關(guān)檢測(cè)蓋子的打開與閉合。當(dāng)紅外檢測(cè)到牙套存在且微動(dòng)開關(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)，可通過語音呼叫及時(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，并將各種功能的輸入輸出總線也結(jié)合起來。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說也更加得繁多，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，并通過斷開充電器或負(fù)載，保護(hù)單節(jié)可充電鋰電池不會(huì)因?yàn)檫^充電壓、過放電壓、過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)開關(guān)

微動(dòng)開關(guān)又叫靈敏開關(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 語音模塊

人類通常情況下通過語言、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)方式是語言，現(xiàn)今世界科技發(fā)展鏈上語音識(shí)別技術(shù)成為了人工智能必不可少的研究部分。語音識(shí)別是人工智能中的開啟點(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，所以在未來的發(fā)展中它會(huì)更吸引研究者。語音控制技術(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)，在各類智能家居、家電、燈具等需要語音操控的產(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)滿足微動(dòng)開關(guān)閉合和紅外檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，紫外線燈開始自動(dòng)工作三分鐘，否則紫外線燈不工作。在不充電時(shí)，還可以通過語音模塊識(shí)別“小盒子”語音信號(hào)，當(dāng)識(shí)別到設(shè)置的信號(hào)后語音回復(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，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)間過長(zhǎng)，則會(huì)對(duì)焊盤以及元器件造成損壞，如果時(shí)間過短則會(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，比如先焊接電阻類的器件，這類器件短小且引腳少，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)在焊接過程中發(fā)現(xiàn)焊接的難度變大，并且在后續(xù)使用過程中元器件出現(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。在檢查過程中，通過萬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窮大的現(xiàn)象，則說明兩引腳之間出現(xiàn)了問題，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。打開總開關(guān)，綠燈亮，表示為開機(jī)狀態(tài)。微動(dòng)開關(guān)閉合或紅外檢測(cè)到牙套，沒有工作顯示，當(dāng)微動(dòng)開關(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。通過語音呼叫“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。采用微處理器來控制紅外檢測(cè)模塊、微動(dòng)開關(guān)、語音識(shí)別模塊等，使矯正牙齒的用戶能夠?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)開關(guān)檢測(cè)蓋子的打開與閉合。當(dāng)紅外檢測(cè)到牙套存在且微動(dòng)開關(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)，可通過語音呼叫及時(shí)找到。