基于单片机的用脚开闭多功能门设计

谢松辰，莫云杰

（1.安徽省合肥市第四中学，安徽 合肥 233000；2.安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601）

1 用脚开闭门的研究背景

新冠肺炎疫情是中华人民共和国成立以来中国遭遇的传播速度最快、感染范围最广、防控难度最大的一次重大突发公共卫生事件[1]。由于新冠肺炎疫情的冲击，国民对公共环境卫生更加关注。公共场所的清洁与消毒，是防治传染病的重点区域。而公共厕所作为公共场所中不可或缺的一部分，已成为感染新冠肺炎的高危区域。2020-06-21T0：00—24：00，北京新增9例本地确诊病例，其中2例在海淀区，经海淀区疾控中心的流行病学调查发现，该2例确诊病例的感染途径是永定路70号院的公共厕所。

日常生活中，类似于公共厕所的公共区域还有很多，人们不可避免地要到一些公共场所接触同一个物品，如电梯按键、公共卫生间的门等。而门基本上都是用手打开或者关闭，导致了门把手被很多人触摸，也加快了细菌和病毒的传播概率。因此，若能设计一种不用手进行开闭的门，将会降低公共区域的病菌传播。与此同时，当人们的双手中抱有大量的文件或拿着很多东西时，无法腾出手将门进行打开或关闭，如果选用脚来进行开关门，人的皮肤就不会直接接触到受污染的门把手，大大降低了被病菌感染的可能。因此，设计一种用脚进行开闭的门是降低公共卫生间疾病传播、解决无法用手开关门的重要途径。

当人处在卫生间时，若突然出现身体不适需要帮助，或者由于身体原因导致突然晕倒无人发现时，将会错过最佳救援时间；此外，有些人喜欢在厕所长时间玩手机，既占用了公共资源，又会对自身身体健康产生一定的影响，如易导致便秘等。因此，在设计用脚开闭门的装置时需要通过控制部分实现报警提醒和求助的功能。

2 设计的原理与组成

基于单片机的用脚开闭多功能门装置由门体结构、开闭门机械结构、控制器、红外检测模块、指示灯模块、蜂鸣器模块、按键模块和应急开关门模块组成。该装置分为机械结构部分和电控部分，其中机械结构部分用脚控进行开关门，电控部分用于检测门后人员情况。通过机械结构和电子设备的共同作用实现脚动开关门、人体检测显示、长时间无动作报警和人员主动求助功能，其系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.1 机械结构部分设计原理

用脚开闭门的机械装置主要由脚踏齿轮、转向齿轮、门杆转动轴和开关门踏板等组成，通过脚踏齿轮传动和门杆转动轴传动来实现门的开与关。具体工作原理如下。

2.1.1 脚踏齿轮传动

脚踏齿轮传动主要通过开关门踏板和脚踏齿轮实现。在脚踏齿轮两侧各安装一个脚踏板，脚踏其中一个踏板后，踏板上的齿状结构带动脚踏齿轮朝一个方向转动。相反，脚踏另外一个踏板后则使脚踏齿轮朝另外一个方向转动，工作原理如图2所示。

图2 脚踏齿轮工作原理示意图

2.1.2 门杆转动轴传动

门杆转动轴传动主要通过转向齿轮、脚踏齿轮和门杆转动轴实现，如图3所示。1号转向齿轮与脚踏齿轮同轴，当脚踏齿轮转动后将带动1号转向齿轮转动，并间接带动2号转向齿轮和门杆转动轴转动。

2.1.3 厕所门的开关

图3中的门杆转动轴固定在厕所门边上。在脚踏齿轮传动和门杆转动轴传动的作用下，分别用脚踏开门踏板和关门踏板，促使门杆转动轴朝不同方向转动，从而实现开门和关门的功能。

图3 门杆转动轴工作原理示意图

2.2 电控部分设计原理

用脚开闭门电控部分主要通过单片机来进行控制[2-3]，并辅以显示模块、报警模块、检测模块等来实现人体检测显示、长时间无动作报警和人员主动求助功能。

人体检测采用红外检测的方法，通过红外检测模块检测是否有人存在，并通过LED指示灯提示当前的状态，若指示灯为红色表示门内是有人状态，绿色是无人状态，黄色是报警状态。报警功能是当人长时间无动作的时候，蜂鸣器发出报警声，若门内人员情况正常，可通过按下复位按键取消报警，系统重新计时。

当人出现身体不适需要帮助时，可按求助报警按键，蜂鸣器会发出报警声，同时门锁会自动解开，方便救援；当人在门后晕倒时，达到一定时间后系统会自动发出警报声，同时门锁自动解开，方便外面的人听到警报声，及时予以救援。报警时指示灯为黄灯亮起，且蜂鸣器发出响声。此时，若不是人为地按下复位按键，系统会认为人体出现意外，门锁会自动解开，方便外面的人进行救援。

该电控部分主要使用到的硬件设备有控制器、红外传感器、LED模块、蜂鸣器、按键模块和应急开门模块。具体工作原理如下。

控制器：控制器是电子控制模块的核心，编写程序实现相应的功能。该控制器名为ATmega328P单片机，拥有13个数字输入输出口和6个模拟输入口，如图4所示。

图4 控制器

红外传感器：红外传感器的功能是检测有无人员在门后面，如果检测到门后面有人，就会产生电平的变化，电平变化会被控制器接收到，控制器接收到数据就可以在LED显示器上显示出来，如图5所示。

图5 红外传感器

LED显示器：LED模块一共有3种颜色，分别为红色、绿色和黄色，如图6所示。3种颜色分别代表着不同的状态。红色代表门后有人，绿色代表门后无人，黄色代表门后人出现了异常情况。

图6 LED灯模块

蜂鸣器：蜂鸣器模块适用于在人出现异常的情况下报警使用，当人长时间无操作的时候，蜂鸣器也会发出声音，提醒人们注意或进行及时救助，如图7所示。

图7 蜂鸣器模块

按键模块：按键模块一共设置了2个按键，分别为复位按键和求助按键。当时间足够报警产生时，如果不需要救援可以按下复位按键，停止报警；当自身觉得不舒服需要救援时，可以按下求助按键，此时蜂鸣器会发出报警声，并且门锁会自动打开，如图8所示。

图8 按键和指示灯

应急开门模块：在没有发生报警的情况下，应急开门模块是充当机械装置门锁供使用的；在发生报警或者是人为地发起报警时，模块可以自动解锁，打开门锁，方便对里面的人进行救援，如图9所示。

图9 应急开门模块

3 操作方法与步骤

基于单片机的用脚开闭多功能门装置的操作方法分为2个部分：①门的开与关。在门内通过脚踏开门踏板和关门踏板，带动齿轮传动和门杆转动轴传动，进而带动门杆转动轴朝开门和关门的方向转动，实现开门和关门的功能，该部分机械结构简单、操作方便。②电控部分。通过单片机控制实现人体检测、长时间无动作报警和人员主动求助功能。当人进入门内，红外传感器会自动检测到人体，并且开始计时，设定时间为6 min。如果超过6 min人还在门内，系统就会自动触发蜂鸣器报警，这个时候警报声会持续15 s。如果15 s内里面的人按下了复位按键，系统就会停止报警，然后重新计时；如果15 s内门内的人没有按下复位按键，系统就会认为人员出现意外状况，那么门锁会自动解开，方便门外的人员进入救援。如果人在门后的过程中，感觉身体不适需要帮助，可以人为地按下求助按键，就会直接触发警报，那么门锁也会自动解开，定义为人需要救援。电控部分由模块化结构组成，功能齐全。

4 总结

新冠疫情的发生让人们注意到了公共区域直接接触发生感染的危险性，公共卫生间的卫生以及防止人员密集型接触同一区域的设计刻不容缓。针对现有公共卫生间门多采用手动开关，易造成交叉感染的情况，本文设计了一种用脚进行开闭的多功能门装置，也解决了公共卫生间内人们因长时间玩手机而占用公共资源，以及当卫生间内人突然感到身体不适想要求助或者晕倒了无法及时得到救援的问题。

主要设计内容如下：①采用机械结构，通过脚踏齿轮传动和门杆转动轴传动来实现卫生间门的开与关，避免了人员皮肤直接接触公共区域，保证了人与细菌隔离，减少人员交叉感染的风险，安全卫生。②基于单片机功能，通过利用红外感应感知人员状况，超时可报警。当人进入卫生间时间超过设定的时间时，蜂鸣器发出报警声，人员情况正常，可按复位按键取消报警，系统重新计时；当人出现身体不适需要帮助时，可按求助按键，蜂鸣器会发出报警声，同时门锁会自动解开；当人在门内晕倒时，达到一定时间系统会自动发出警报声，同时门锁自动解开，方便外面的人听到警报声，及时进行救援。本装置使用锂电池，可充电，停电时也不影响使用。③本装置在实现用脚开关门的基本功能上，具有人体检测、长时间无动作报警和人员主动求助功能，制作简单、成本较低、实用性强。