丁帥陽(yáng) 胡甲琦 陽(yáng)一凡 韓成浩 胡益凡

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽省宣城市 242000）

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 電梯按鈕自動(dòng)消毒裝置設(shè)計(jì)

在該消毒裝置的控制上，采用處理速度快、兼容性好且價(jià)格便宜的Arduino單片機(jī)。其硬件資源豐富，核心為ATmega328P的微控制器。它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用作PWM輸出），6個(gè)模擬輸入，16MHz晶振時(shí)鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。其功能強(qiáng)大，同時(shí)滿(mǎn)足低功耗的要求，在開(kāi)發(fā)板供電方面只需5V電源便可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。裝置需要藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)發(fā)板間的通訊功能；另外，還需要對(duì)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，以及對(duì)電路進(jìn)行分析，從而對(duì)裝置進(jìn)行選型，對(duì)裝置的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使該裝置能夠在電梯內(nèi)部投入使用。該裝置包含的各個(gè)模塊如圖1所示。

圖1：電梯按鈕自動(dòng)消毒裝置各模塊示意圖

1.2 電梯按鈕自動(dòng)消毒裝置制作難點(diǎn)

1.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于自清潔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，裝置在對(duì)電梯按鈕消毒后需要對(duì)末端滾筒進(jìn)行清潔以便能夠達(dá)到重復(fù)清潔和長(zhǎng)久使用的目的。自清潔機(jī)構(gòu)需要同時(shí)有儲(chǔ)存和清潔的功能，工作時(shí)，自清潔機(jī)構(gòu)需要打開(kāi)以便能夠完成對(duì)滾筒的清潔動(dòng)作；未工作時(shí)，自清潔機(jī)構(gòu)作為末端滾筒的儲(chǔ)存裝置。所以在設(shè)計(jì)自清潔機(jī)構(gòu)時(shí)，必須要滿(mǎn)足以上要求。

1.2.2 電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)

電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于供電電路的設(shè)計(jì)和藍(lán)牙通訊電路的設(shè)計(jì)。在夜間電梯長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人使用時(shí)需要使裝置進(jìn)入休眠狀態(tài)。本裝置連接眾多模塊，為了使得硬件能被最大程度地利用，在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)不同的IO口具有的硬件資源將不同的模塊與合適的IO口連接到一起。關(guān)于藍(lán)牙通訊電路的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)板間的通訊需要依靠藍(lán)牙模塊HC-05。藍(lán)牙協(xié)議復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)容易受干擾是項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中需要著重考慮的問(wèn)題。在進(jìn)行藍(lán)牙調(diào)試時(shí)需要確保信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，以防止裝置出現(xiàn)故障。

1.3 電梯按鈕自動(dòng)消毒裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)

計(jì)劃設(shè)計(jì)該裝置可以每30分鐘對(duì)電梯按鈕進(jìn)行一次消毒，將殘余在其表面的病毒消除，以降低病毒傳染率。對(duì)主體擦拭機(jī)構(gòu)稍加改動(dòng)后便可對(duì)更多公共場(chǎng)所物件進(jìn)行消毒。通過(guò)對(duì)該裝置控制程序的設(shè)計(jì)，使其能夠完美驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)的正常運(yùn)行，并對(duì)采集的信號(hào)作出有效的處理。此外，對(duì)電源的設(shè)計(jì)要求能夠滿(mǎn)足單片機(jī)、電機(jī)和舵機(jī)等的正常供電，同時(shí)要使該裝置不對(duì)電梯的正常使用產(chǎn)生影響，并能達(dá)到良好的消毒效果。

1.4 電梯按鈕自動(dòng)消毒裝置預(yù)期成果

在當(dāng)今疫情仍持續(xù)發(fā)展的情況下，電梯按鈕自動(dòng)消毒裝置能代替人工對(duì)頻繁使用的電梯進(jìn)行定時(shí)的按鈕消毒工作，可以做到：

（1）減少人工資源的浪費(fèi)，及時(shí)對(duì)使用過(guò)的電梯按鈕進(jìn)行消毒，提高消毒效果，避免病毒通過(guò)間接接觸進(jìn)一步的傳播。

（2）該裝置投入使用后可以從病毒傳播途徑上減少病毒的傳播，達(dá)到降低人與人之間間接接觸而導(dǎo)致傳染的可能性。

2 電梯按鈕自動(dòng)消毒裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

裝置的結(jié)構(gòu)包含三個(gè)主要部分，分別是末端與電梯按鈕表面直接接觸完成消毒工作的清潔機(jī)構(gòu)、進(jìn)行豎直方向運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和對(duì)海綿滾筒進(jìn)行清潔工作的自清潔機(jī)構(gòu)。裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 清潔機(jī)構(gòu)

清潔機(jī)構(gòu)的末端海綿滾筒與電梯按鈕面板直接接觸，通過(guò)機(jī)械臂帶動(dòng)海綿滾筒并施加擦拭動(dòng)作所需的基本壓力。海綿滾筒與電梯按鈕面板通過(guò)接觸表面的滾動(dòng)摩擦，在消毒劑的作用下對(duì)電梯按鈕起到消毒滅菌的作用，從而完成對(duì)電梯按鈕的清潔工作。清潔機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂由舵機(jī)及其標(biāo)準(zhǔn)套件組成，滾筒與機(jī)械臂之間使用3D打印的支架連接。這樣設(shè)計(jì)有效地減小了裝置的制作成本和占用體積，且在非工作狀態(tài)時(shí)不影響電梯的正常使用。

2.2 導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

使用57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)與滑塊連接的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)電梯的整個(gè)操作面板進(jìn)行消毒，滑塊與機(jī)械臂之間通過(guò)3D打印的連接板進(jìn)行連接。使用導(dǎo)軌傳動(dòng)減少了機(jī)械臂的自由度，由此降低了機(jī)械臂的制作成本和控制難度。滾珠絲杠導(dǎo)軌可將步進(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，具有以下特點(diǎn)：摩擦損失小、傳動(dòng)效率高。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率；精度高。滾珠絲杠副的生產(chǎn)在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面進(jìn)行了嚴(yán)格的控制；高速進(jìn)給和微進(jìn)給可能。利用滾珠運(yùn)動(dòng)，可使啟動(dòng)力矩極??；軸向剛度高。滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加預(yù)壓力，在實(shí)際用于機(jī)械裝置時(shí)，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)。

57步進(jìn)電機(jī)配有DM542驅(qū)動(dòng)器，DM542是一款專(zhuān)業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，兼容Arduino和其他多種主控器，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，對(duì)步距角進(jìn)行細(xì)分，通過(guò)改變頻率改變電機(jī)的速度。

2.3 自清潔機(jī)構(gòu)

使用加壓泵將消毒瓶中的消毒液通過(guò)導(dǎo)管?chē)姙⒃跐L筒上進(jìn)行自清潔，加壓泵選用5V直流水泵，配合人體紅外傳感器模塊在無(wú)人搭乘時(shí)對(duì)電梯按鈕進(jìn)行消毒，避免對(duì)乘客產(chǎn)生干擾。

設(shè)置的自清潔模塊可以及時(shí)對(duì)海綿滾筒進(jìn)行清潔，并且補(bǔ)充滾筒上吸附的消毒液，以防止被電梯按鈕污染的海綿滾筒造成的二次污染，使消毒液揮發(fā)導(dǎo)致的消毒效率大幅降低，此外自清潔機(jī)構(gòu)為半封閉結(jié)構(gòu)，以減少消毒液揮發(fā)的刺激性氣味。此模塊保證了裝置長(zhǎng)時(shí)間的高效殺菌消毒，同時(shí)提高了裝置的自動(dòng)化程度，減小了人工成本。

2.4 消毒材料的選擇

2.4.1 酒精（醇類(lèi)消毒劑）

優(yōu)點(diǎn)：較溫和不刺激，可直接接觸皮膚；容易獲取，便宜。

缺點(diǎn)：略有氣味，部分人群酒精過(guò)敏，不可噴霧消毒，當(dāng)局部空氣濃度達(dá)到3%以上時(shí)，甚至?xí)换鹦腔蛘咭路系撵o電引燃。

2.4.2 雙氧水（過(guò)氧化物消毒劑）

優(yōu)點(diǎn)：低濃度的雙氧水能夠起到消毒作用并且化學(xué)性質(zhì)較為溫和，可直接接觸皮膚，分解后沒(méi)有氣味。相比于酒精，使用雙氧水的成本更低。

缺點(diǎn)：電梯按鈕是金屬的，由于很多金屬元素的物質(zhì)也可以催化雙氧水分解，如鐵離子、銀單質(zhì)、氧化銅等，這種催化分解跳過(guò)了過(guò)氧氫根釋放活性氧[O]的階段，跨越有效的氧化消毒階段直接生成氧氣和水，消毒效果自然會(huì)降低。雙氧水易分解，需要及時(shí)更換。我們的解決方案是用保鮮膜覆蓋按鈕表面，一方面能夠防止液體不斷接觸按鈕造成事故，另一方面可以保證消毒效果。

2.4.3 酚類(lèi)消毒劑（比較常見(jiàn)的如滴露）

優(yōu)點(diǎn)：氣味清新，可直接接觸人體。

缺點(diǎn)：更換消毒液時(shí)需要將滴露和水混合倒入，比例難以精確控制；成本較高。

3 裝置控制程序設(shè)計(jì)

圖3是程序執(zhí)行流程圖。本項(xiàng)目使用的編程語(yǔ)言是基于Arduino平臺(tái)的C語(yǔ)言，在編寫(xiě)程序過(guò)程中使用了大量第三方庫(kù)，資源豐富，可操作性好。程序編寫(xiě)時(shí)采用模塊化編程，將不同模塊的初始化和驅(qū)動(dòng)程序分別放入不同的子程序中，通過(guò)在主程序中調(diào)用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)總體的控制功能。模塊化編程最大的優(yōu)點(diǎn)是程序的可閱讀力強(qiáng)，編程思路體現(xiàn)得更加清晰，對(duì)于程序的分模塊調(diào)試以及程序修改也非常方便。通過(guò)代碼編寫(xiě)控制各個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所需功能。此外，該裝置中使用到藍(lán)牙通訊、中斷、定時(shí)器中斷等，通過(guò)合理分配硬件資源可以使得裝置能夠及時(shí)響應(yīng)，正常工作，以完成預(yù)期的任務(wù)。

圖3：程序執(zhí)行流程圖

電梯按鈕消毒裝置啟動(dòng)后，完成各模塊的初始化，然后每隔三十分鐘檢測(cè)電梯內(nèi)部是否有人以及電梯是否正在運(yùn)行，如果電梯處于空閑狀態(tài)則裝置開(kāi)始工作，工作時(shí)間控制在三分鐘，完成工作后繼續(xù)等待下一次工作。

4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

4.1 各個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)

4.1.1 人體紅外檢測(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)裝置不影響電梯正常使用的運(yùn)行條件，我們選用了人體紅外檢測(cè)模塊，該模塊采用人體紅外熱釋電傳感器HC-SR501，當(dāng)人進(jìn)入電梯后，傳感器采集到前方人體溫度變化的數(shù)據(jù)，會(huì)將其以電壓信號(hào)的方式傳輸?shù)叫酒?，芯片再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信息，系統(tǒng)由此得到電梯內(nèi)是否空載的信息。如果此時(shí)電梯內(nèi)有人，人體標(biāo)志位將置1，紅燈亮起，再經(jīng)過(guò)主控芯片分析，將信息傳遞給其他模塊，作為其他模塊運(yùn)行的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

4.1.2 藍(lán)牙通訊模塊

為了實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和主控之間的通訊，采用了HC-05模塊，將一塊開(kāi)發(fā)板作為主機(jī)，另一塊開(kāi)發(fā)板作為從機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩塊Arduino uno開(kāi)發(fā)板之間的信息與命令傳輸，該模塊可以協(xié)調(diào)各部分模塊的運(yùn)行與配合，并且藍(lán)牙的低功耗小，體積的特性也避免了多余的有線連接，節(jié)省了空間，增加了緊湊性。

4.1.3 報(bào)警急停模塊

如果在裝置運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)了故障，例如裝置電壓不足、裝置在運(yùn)行過(guò)程中電梯開(kāi)啟使其受到干擾，裝置受到人為破壞等，此時(shí)裝置將自動(dòng)停止工作并鎖死，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，若裝置未能及時(shí)停止，我們也設(shè)計(jì)了急停按鈕，電梯內(nèi)人員也可通過(guò)急停按鈕進(jìn)行人為制動(dòng)控制。

4.2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路連接示意圖

步進(jìn)電機(jī)采用57步進(jìn)電機(jī)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器采用雷塞DM542驅(qū)動(dòng)器，圖4為驅(qū)動(dòng)電路連接示意圖。

圖4：驅(qū)動(dòng)電路連接示意圖

4.3 硬件資源的分配

根據(jù)Arduino不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O上，以實(shí)現(xiàn)硬件資源的合理使用。此外，對(duì)于需要驅(qū)動(dòng)的電機(jī)和舵機(jī)用專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路與之相連接，藍(lán)牙通訊電路需要用UART進(jìn)行連接，為了滿(mǎn)足各個(gè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)其功能，從而滿(mǎn)足需要，將Arduino uno的硬件資源進(jìn)行分配，使能夠順利完成項(xiàng)目所需要的功能。

5 項(xiàng)目研究中遇到的部分問(wèn)題及應(yīng)對(duì)思路與措施

5.1 裝置運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)電線纏繞問(wèn)題

裝置的主運(yùn)動(dòng)，即滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)范圍較大，如果采用線連接位于滑塊上的機(jī)械臂會(huì)導(dǎo)致裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中線纏繞在一起，從而可能引發(fā)裝置故障。如果想要達(dá)到避免用線連接并可以控制舵機(jī)的目的，可以采用藍(lán)牙通訊，通過(guò)兩塊開(kāi)發(fā)板間的無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制，同時(shí)可以避免了有線纏繞的問(wèn)題。為此，本文采用HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)板間的通訊。

5.2 各個(gè)模塊的協(xié)同工作問(wèn)題

本裝置包含多個(gè)模塊，要實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊協(xié)同工作以達(dá)到預(yù)期的工作效果。裝置采用的是以AVR系列的ATmega328P芯片為核心Arduino uno板，各個(gè)模塊由此主控板控制，通過(guò)程序控制各個(gè)模塊信號(hào)的處理及輸出。通過(guò)利用內(nèi)部的定時(shí)中斷來(lái)控制各個(gè)模塊工作順序，以此來(lái)使各個(gè)模塊相配合達(dá)到預(yù)期的工作效果。

6 總結(jié)與展望

本項(xiàng)目研究的是“基于Arduino單片機(jī)自動(dòng)控制的電梯按鈕消毒裝置”，該裝置具有能夠替代人工定時(shí)對(duì)電梯按鈕消毒的功能，可以頻繁對(duì)電梯按鈕進(jìn)行自動(dòng)消毒，以阻止病毒通過(guò)間接接觸進(jìn)行傳播。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜且易安裝，適合推廣普及，實(shí)現(xiàn)疫情防控常態(tài)化，全面化。

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，作者發(fā)現(xiàn)研發(fā)此類(lèi)產(chǎn)品的企業(yè)不多，本項(xiàng)目研發(fā)的產(chǎn)品可以占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，擠占市場(chǎng)藍(lán)海。

作者計(jì)劃完成項(xiàng)目之后先在所在城市進(jìn)行試運(yùn)行，與廠家聯(lián)系之后再通過(guò)優(yōu)化以及流水線生產(chǎn)進(jìn)一步壓低成本，使得該產(chǎn)品進(jìn)入人口密集場(chǎng)所的電梯，減少被病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。

該裝置可以每30分鐘對(duì)電梯進(jìn)行一次消毒，這不僅可以在國(guó)內(nèi)得到應(yīng)用，更有望推廣到國(guó)外，該裝置的設(shè)計(jì)思路不單單只能應(yīng)用于電梯按鈕的消毒，對(duì)其稍做更改，保留核心的擦拭機(jī)構(gòu)，就可以應(yīng)用于更廣范圍的公共衛(wèi)生防護(hù)領(lǐng)域，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。