姚詩宇，林茂瑤，艾星月，胡婷婷，高志菊

（興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院，貴州 興義 562400）

1 前言

及時進行細菌與病毒的消殺，切斷它們的傳播途徑，是有效預(yù)防呼吸道傳染病等疾病的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用STC89C52RC 作為主控系統(tǒng)，借助各個功能模塊的協(xié)同作用，初步實現(xiàn)了對用戶的全面霧化病毒消殺，成功地降低了環(huán)境中細菌與病毒的存活率，從而發(fā)揮了相應(yīng)的防范作用。

基于先進的單片機和傳感器技術(shù)，我們設(shè)計了一款智能人體消毒安檢門，旨在實現(xiàn)對公共場所聚集性人群的自動化和有序高效的細菌與病毒消殺功能[1]。這一系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其創(chuàng)新性的測溫消毒功能，不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的健康風(fēng)險，還能為場地節(jié)省大量的空間。

此外，這款安檢門具有有序高效、維修便捷、操作簡便等優(yōu)勢，使其成為一個極具智能化程度的解決方案。通過智能化的控制系統(tǒng)，該設(shè)備不僅能夠有效清除人體表面的病菌，還能在維持高效運行的同時降低對場地資源的占用，為公共場所提供了一層全新的健康保護屏障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能人體消毒安檢門采用以STC89C52RC 為核心的主控芯片，其硬件系統(tǒng)涵蓋了多個關(guān)鍵模塊，旨在構(gòu)建一個全面而高效的細菌與病毒消殺體系。主控模塊作為核心組成部分，負責(zé)協(xié)調(diào)各個硬件模塊的運行，確保系統(tǒng)的順暢工作。

2.1 主控模塊

在本設(shè)計中，我們精心選擇了STC89C52RC 芯片作為智能裝置的控制中樞，其在整個系統(tǒng)中扮演著核心角色。所有輸入和輸出信號都經(jīng)由STC89C52RC 芯片精準調(diào)控，確保系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行[2]。

在單片機最小系統(tǒng)中，我們使用了上拉電阻，它在輸入電流時不僅充當(dāng)限流器，還通過一個電阻將不確定的信號穩(wěn)定在高電平。這不僅提供了信號的可控性，還為系統(tǒng)提供了一個泄流通道，有效防止高電平干擾[3]。

時鐘電路是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，由一個11.0592 MHz 的晶振和兩個22pF 的電容并聯(lián)構(gòu)成。這一時鐘電路產(chǎn)生精準的時鐘信號，通過引腳XTAL2（引腳18）輸入內(nèi)部時鐘電路，同時將引腳XTAL1（引腳19）[4]接地，從而實現(xiàn)對單片機的精準驅(qū)動，確保其正常工作。

為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的可控復(fù)位，我們設(shè)計了一個復(fù)位電路，其中電阻和電容串聯(lián)后接入單片機的引腳RST。這個復(fù)位電路通過一個電阻（阻值為10kΩ）和一個電容（數(shù)值為10μF）[5]的巧妙組合，實現(xiàn)了電容充電時間為0.1 秒。在電容充電時，電阻兩端的電壓逐漸減小，引腳RST 處于低電平，從而使單片機正常工作；而在電容放電時，引腳RST 處于高電平，觸發(fā)電路進入復(fù)位狀態(tài)。這一設(shè)計不僅保證了系統(tǒng)的可控性，還在復(fù)位過程中有效地維護了電路的穩(wěn)定性。

2.2 人體紅外感應(yīng)模塊

在此設(shè)計中，我們精心選擇了HC-SR501 人體熱釋電傳感器作為核心組件。由于自然界中一切高于絕對零度的物質(zhì)均可產(chǎn)生紅外線，而紅外線是一種肉眼無法察覺的光，其顯著特點在于其具有熱效應(yīng)。HC-SR501傳感器通過感應(yīng)區(qū)域內(nèi)人體所產(chǎn)生的紅外光譜的變化，能夠精準地捕捉到人體的熱輻射，從而實現(xiàn)對人體運動的高度敏感。當(dāng)人體進入感應(yīng)區(qū)域時，傳感器自動接通輸出電路，打開相應(yīng)負載；而當(dāng)人體完成霧化消毒并離開感應(yīng)區(qū)域后，傳感器則會自動關(guān)閉輸出電路，準備迎接下一個用戶的到來。該熱釋電紅外傳感器采用重復(fù)觸發(fā)模式，即在感應(yīng)到人體并輸出高電平后，在延時開啟的過程中，如果有用戶再次進入感應(yīng)范圍，傳感器將保持輸出端為高電平，直至用戶離開其工作范圍，延時過后才將高電平轉(zhuǎn)換為低電平。這種設(shè)計有效地保障了系統(tǒng)在感應(yīng)到用戶活動時的持續(xù)穩(wěn)定性。

2.3 溫度測量模塊

在本設(shè)計中，我們選擇MLX90614 芯片作為非接觸式測溫元件，其獨特之處在于能夠感知被測物體的紅外輻射能量，通過紅外線自動檢測用戶的體溫，避免了直接與用戶接觸。該芯片具有廣泛的測溫范圍，可涵蓋-70℃到382.2℃之間的溫度范圍，且表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性、出色的溫度分辨率（在0.01℃內(nèi)）[6]、快速的響應(yīng)速度和極大的使用便捷性，因此被選用為本裝置溫度檢測的核心元件。

當(dāng)用戶進入檢測范圍時，MLX90614 芯片通過非接觸式的測溫過程，將檢測到的溫度傳送給單片機進行數(shù)字處理。如果被測物體的溫度超過了預(yù)設(shè)的指定溫度38℃，蜂鳴器將立即發(fā)出報警提示，提醒用戶或操作人員注意。

2.4 液晶顯示模塊

在裝置運行的過程中，需要實時顯示體溫測量數(shù)據(jù)、風(fēng)扇除塵與霧化消毒各20 秒倒計時等畫面。由于所需顯示的信息相對簡潔，因此選擇LCD1602 液晶顯示屏作為輸出顯示的設(shè)計方案。LCD1602 是一款工業(yè)字符型液晶，具備同時顯示16*02 即32 個字符的能力，這在實際應(yīng)用中提供了足夠的信息展示空間。該型液晶顯示屏操作簡便，通過讀狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)這四個基本指令，便可輕松控制LCD1602 液晶顯示數(shù)字與字符的呈現(xiàn)。LCD1602 的設(shè)計體積小巧、重量輕，與單片機的I/O 口相連接相對簡單，易于操作，同時具有出色的穩(wěn)定性。設(shè)計電路圖中，引腳1、2 連接電源，引腳3 連接一個電阻值為2K 的固定電阻R2后接地。引腳4、5、6（即RS、R/W、EN 三個管腳為讀寫控制管腳）分別連接至單片機的P2.7、P2.6、P2.5管腳。LCD1602 的數(shù)據(jù)傳輸端口與單片機的P0 端口實行并行數(shù)據(jù)傳輸，鑒于P0 端口內(nèi)部無法提供高阻態(tài)，因此需要外接10k 上拉電阻。背光源正極引腳15 連接至VCC，而背光源負極引腳16 則連接至地線。

2.5 蜂鳴器提示模塊

在該裝置中，霧化消毒的啟動和結(jié)束階段，我們采用蜂鳴器模塊來向用戶提供信息提示。蜂鳴器的發(fā)聲原理是通過電流流經(jīng)電磁線圈，產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲。由于其電路需要具備高度的穩(wěn)定性和可靠性，但所選擇的STC89C52RC 主控板無法直接提供對蜂鳴器的直接驅(qū)動功能，因此在設(shè)計中需要通過將蜂鳴器連接到三極管上，從而通過擴流的方式實現(xiàn)對蜂鳴器的驅(qū)動[7]。在這個設(shè)計中，三極管充當(dāng)開關(guān)的角色，用于控制蜂鳴器的開啟或關(guān)閉。當(dāng)電路接收到一個高電平信號時，三極管導(dǎo)通，此時蜂鳴器發(fā)出風(fēng)扇除塵與霧化消毒開始或結(jié)束的提示音；而當(dāng)電路接收到一個低電平信號時，三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止工作。這種智能的控制方式既實現(xiàn)了對蜂鳴器的有效驅(qū)動，又為用戶提供了清晰明了的操作提示。

2.6 霧化消毒模塊控制電路

HK4100F-DC5V-SHG繼電器是一款性能卓越的設(shè)備，具有工作穩(wěn)定、動作迅速、體積小巧、使用壽命長等諸多優(yōu)點。而8550 三極管則以小電流控制大電流的通斷，其在操作中展現(xiàn)出長壽命、高開關(guān)速度和緊湊體積等優(yōu)越特性。

這一系統(tǒng)的工作原理如下：JP2 用于調(diào)控LED1 的亮度，通過123 來實現(xiàn)開關(guān)等級控制。JK1 作為兩個電阻之間的接口，VCC 為電源接入口，而R4 則是用于變更和控制繼電器電壓的電阻，從而使LED1 能夠接收不同的電壓并呈現(xiàn)出不同的顏色。當(dāng)在電磁式繼電器的線圈兩側(cè)施加相應(yīng)的電壓U 時，線圈中會流過對應(yīng)的電流I，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，導(dǎo)致電磁式繼電器中的銜鐵在電磁力的吸引下克服彈簧的拉力，吸附在鐵芯上，帶動動靜觸點吸合。一旦電磁式繼電器的線圈斷電，電磁的吸力會逐漸消失，銜鐵將受到觸點彈簧的反作用力，彈回到原位，使得動靜觸點再次吸合。

2.7 風(fēng)扇除塵模塊控制電路

該模塊采用無葉風(fēng)扇進行人體除塵，無葉風(fēng)扇即為空氣增倍機，其具有無扇葉的新奇外觀、風(fēng)量均勻、能耗低、噪聲小、清洗便捷、安全系數(shù)高、不吸附塵土等特點。工作原理是基于噴氣式飛機引擎及汽車渦輪增壓技術(shù)。其在特定環(huán)境下通過壓氣裝置將空氣吸入風(fēng)扇的基座中，而后經(jīng)過氣旋加速器進行加速處理，進入上方的圓環(huán)空腔內(nèi)部，再從圓環(huán)空腔的細縫中高速吹出。由于空氣是強迫性地從這一個圓圈中吹出，故通過的空氣量比有葉電扇增加了15 倍，每小時的速度也增加了35km。當(dāng)內(nèi)部空氣由細縫吹出時，由于貼著圓環(huán)表面的空氣流速大，造成其壓強比后方以及上下左右的空氣壓強小，使周邊空氣一起向前流動，導(dǎo)致后方更多的空氣流入風(fēng)扇的出風(fēng)口，從而實現(xiàn)了只需極少的空氣擾動，即可帶動大量的空氣源源不斷地對流。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

當(dāng)人體熱釋電傳感器感知到有用戶進入該裝置的入口時，系統(tǒng)立即啟動初始化程序，啟動各個模塊的工作流程。溫度傳感器開始監(jiān)測人體的溫度，實時將溫度數(shù)據(jù)傳送至液晶顯示屏上，以便用戶清晰了解當(dāng)前體溫狀況。在這個過程中，如果人體溫度超過38℃，即異常溫度狀態(tài)，蜂鳴器將會持續(xù)發(fā)出提示音，提醒用戶注意。

接著，蜂鳴器首次提示后，觸發(fā)風(fēng)扇除塵模塊，開始對人體進行除塵操作。完成除塵后，蜂鳴器再次發(fā)出提示音，標志著除塵工作的圓滿結(jié)束。而隨后的第三次蜂鳴器提示，由驅(qū)動模塊控制水泵啟動，啟動霧化消毒程序。霧化消毒完成后，蜂鳴器發(fā)出提示音，表明整個霧化消毒過程已經(jīng)結(jié)束。在這整個過程中，液晶顯示屏負責(zé)倒計時顯示風(fēng)扇除塵和霧化消毒各20秒的工作時長。

然而，如果系統(tǒng)未檢測到任何用戶存在，液晶顯示屏將呈現(xiàn)字符“N”，并且整個系統(tǒng)將進入靜默狀態(tài)，即無聲音報警、風(fēng)扇除塵和霧化消毒模塊均停止工作。這種智能的響應(yīng)機制確保了系統(tǒng)只在檢測到用戶時才進行相應(yīng)的操作，從而在有效節(jié)省能源的同時，提供了全方位的用戶體驗。

4 原理圖

智能人體消毒安檢門的控制系統(tǒng)設(shè)計總原理圖包含了單片機最小系統(tǒng)、人體紅外感應(yīng)模塊、驅(qū)動風(fēng)扇除塵模塊、溫度測量模塊、液晶顯示模塊、蜂鳴器提示模塊以及驅(qū)動霧化消毒模塊。裝置的主要工作流程如下：放置于公共場所入口處，當(dāng)用戶從室外進入室內(nèi)時，人體紅外感應(yīng)模塊感知到人體紅外光譜的變化，自動啟動輸出電路并向單片機主控系統(tǒng)輸送高電平信號。

同時，MLX90614 數(shù)字溫度傳感器通過脈沖方式將檢測到的溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，并輸送給STC89C52RC單片機進行處理，以實時監(jiān)測溫度，并通過LCD1602顯示人體當(dāng)前溫度。霧化消毒啟動和結(jié)束時，蜂鳴器用于提示用戶。信號傳達至主控芯片后，中央控制器發(fā)出指令，驅(qū)動繼電器控制風(fēng)扇除塵模塊和霧化消毒模塊。通過程序編譯，確保除塵和消毒的時間在規(guī)定時限內(nèi)，當(dāng)時間達到設(shè)定閾值時，除塵和消毒過程將自動停止。

液晶顯示屏LCD1602 用于顯示風(fēng)扇除塵和霧化消毒的20 秒倒計時、人體溫度測量數(shù)據(jù)等參數(shù)。紅外感應(yīng)檢測到整個消毒過程結(jié)束后，用戶能夠通過液晶顯示屏及時獲得20 秒倒計時信息，作為下一步操作的參考依據(jù)。這一完備的系統(tǒng)設(shè)計旨在為用戶提供準確、可靠、及時的信息，從而確保智能人體消毒安檢門在運行時的高效性和便捷性。

5 結(jié)語

該設(shè)備可安裝于醫(yī)院、學(xué)校、公司等各類公共場所，有效解決在大型商場、工廠車間等人員密集場合，人體通過相互接觸而傳播細菌與病毒的潛在安全隱患。它能夠全面對裝置入口的每一位用戶進行霧化消毒，切實遏制細菌與病毒的傳播途徑。配備的人體紅外線感應(yīng)器、溫度測量器、蜂鳴器、液晶顯示屏等組件，當(dāng)用戶接近時，無需觸碰任何按鍵，即可實現(xiàn)自動檢測人體紅外光譜、測量人體溫度、顯示溫度測量數(shù)據(jù)、風(fēng)扇除塵和霧化消毒各20 秒倒計時，并自動驅(qū)動除塵模塊和霧化模塊進行人體除塵和霧化消毒等功能。其高靈敏度和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性使其能夠針對指定場所的全體人員進行高效消毒，具備顯著的實用價值。這種設(shè)備在日常生活中不僅提供了自動、便捷的操作方式，還能夠迅速響應(yīng)并采取必要措施，從而確保公共場所的衛(wèi)生安全，為人們提供更為健康、安全的使用環(huán)境。