基于Arduino单片机自动控制的电梯按钮自动消毒装置

丁帅阳 胡甲琦 阳一凡 韩成浩 胡益凡

（合肥工业大学机械工程学院 安徽省宣城市 242000）

1 总体方案设计

1.1 电梯按钮自动消毒装置设计

在该消毒装置的控制上，采用处理速度快、兼容性好且价格便宜的Arduino单片机。其硬件资源丰富，核心为ATmega328P的微控制器。它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用作PWM输出），6个模拟输入，16MHz晶振时钟，USB连接，电源插孔，ICSP接头和复位按钮。其功能强大，同时满足低功耗的要求，在开发板供电方面只需5V电源便可进行驱动，使用非常方便。装置需要蓝牙模块实现不同开发板间的通讯功能；另外，还需要对装置的机械结构进行建模，以及对电路进行分析，从而对装置进行选型，对装置的电路进行设计，使该装置能够在电梯内部投入使用。该装置包含的各个模块如图1所示。

图1：电梯按钮自动消毒装置各模块示意图

1.2 电梯按钮自动消毒装置制作难点

1.2.1 机械结构设计难点

机械结构设计难点在于自清洁机构的设计，装置在对电梯按钮消毒后需要对末端滚筒进行清洁以便能够达到重复清洁和长久使用的目的。自清洁机构需要同时有储存和清洁的功能，工作时，自清洁机构需要打开以便能够完成对滚筒的清洁动作；未工作时，自清洁机构作为末端滚筒的储存装置。所以在设计自清洁机构时，必须要满足以上要求。

1.2.2 电路设计难点

电路设计难点在于供电电路的设计和蓝牙通讯电路的设计。在夜间电梯长时间无人使用时需要使装置进入休眠状态。本装置连接众多模块，为了使得硬件能被最大程度地利用，在电路设计时需要根据不同的IO口具有的硬件资源将不同的模块与合适的IO口连接到一起。关于蓝牙通讯电路的设计，开发板间的通讯需要依靠蓝牙模块HC-05。蓝牙协议复杂，运行时容易受干扰是项目进行过程中需要着重考虑的问题。在进行蓝牙调试时需要确保信息的准确性和时效性，以防止装置出现故障。

1.3 电梯按钮自动消毒装置的设计目标

计划设计该装置可以每30分钟对电梯按钮进行一次消毒，将残余在其表面的病毒消除，以降低病毒传染率。对主体擦拭机构稍加改动后便可对更多公共场所物件进行消毒。通过对该装置控制程序的设计，使其能够完美驱动电机、舵机的正常运行，并对采集的信号作出有效的处理。此外，对电源的设计要求能够满足单片机、电机和舵机等的正常供电，同时要使该装置不对电梯的正常使用产生影响，并能达到良好的消毒效果。

1.4 电梯按钮自动消毒装置预期成果

在当今疫情仍持续发展的情况下，电梯按钮自动消毒装置能代替人工对频繁使用的电梯进行定时的按钮消毒工作，可以做到：

（1）减少人工资源的浪费，及时对使用过的电梯按钮进行消毒，提高消毒效果，避免病毒通过间接接触进一步的传播。

（2）该装置投入使用后可以从病毒传播途径上减少病毒的传播，达到降低人与人之间间接接触而导致传染的可能性。

2 电梯按钮自动消毒装置结构设计与实现

装置的结构包含三个主要部分，分别是末端与电梯按钮表面直接接触完成消毒工作的清洁机构、进行竖直方向运动的滚珠丝杠导轨传动机构和对海绵滚筒进行清洁工作的自清洁机构。装置的结构如图2所示。

图2：装置结构示意图

2.1 清洁机构

清洁机构的末端海绵滚筒与电梯按钮面板直接接触，通过机械臂带动海绵滚筒并施加擦拭动作所需的基本压力。海绵滚筒与电梯按钮面板通过接触表面的滚动摩擦，在消毒剂的作用下对电梯按钮起到消毒灭菌的作用，从而完成对电梯按钮的清洁工作。清洁机构的机械臂由舵机及其标准套件组成，滚筒与机械臂之间使用3D打印的支架连接。这样设计有效地减小了装置的制作成本和占用体积，且在非工作状态时不影响电梯的正常使用。

2.2 导轨传动机构

使用57步进电机驱动的滚珠丝杠导轨驱动，带动与滑块连接的机械臂运动，从而对电梯的整个操作面板进行消毒，滑块与机械臂之间通过3D打印的连接板进行连接。使用导轨传动减少了机械臂的自由度，由此降低了机械臂的制作成本和控制难度。滚珠丝杠导轨可将步进电机的回转运动转化为直线运动，具有以下特点：摩擦损失小、传动效率高。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率；精度高。滚珠丝杠副的生产在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面进行了严格的控制；高速进给和微进给可能。利用滚珠运动，可使启动力矩极小；轴向刚度高。滚珠丝杠内通过给滚珠加预压力，在实际用于机械装置时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强。

57步进电机配有DM542驱动器，DM542是一款专业的两相步进电机驱动器，兼容Arduino和其他多种主控器，可实现步进电机正反转控制，对步距角进行细分，通过改变频率改变电机的速度。

2.3 自清洁机构

使用加压泵将消毒瓶中的消毒液通过导管喷洒在滚筒上进行自清洁，加压泵选用5V直流水泵，配合人体红外传感器模块在无人搭乘时对电梯按钮进行消毒，避免对乘客产生干扰。

设置的自清洁模块可以及时对海绵滚筒进行清洁，并且补充滚筒上吸附的消毒液，以防止被电梯按钮污染的海绵滚筒造成的二次污染，使消毒液挥发导致的消毒效率大幅降低，此外自清洁机构为半封闭结构，以减少消毒液挥发的刺激性气味。此模块保证了装置长时间的高效杀菌消毒，同时提高了装置的自动化程度，减小了人工成本。

2.4 消毒材料的选择

2.4.1 酒精（醇类消毒剂）

优点：较温和不刺激，可直接接触皮肤；容易获取，便宜。

缺点：略有气味，部分人群酒精过敏，不可喷雾消毒，当局部空气浓度达到3%以上时，甚至会被火星或者衣服上的静电引燃。

2.4.2 双氧水（过氧化物消毒剂）

优点：低浓度的双氧水能够起到消毒作用并且化学性质较为温和，可直接接触皮肤，分解后没有气味。相比于酒精，使用双氧水的成本更低。

缺点：电梯按钮是金属的，由于很多金属元素的物质也可以催化双氧水分解，如铁离子、银单质、氧化铜等，这种催化分解跳过了过氧氢根释放活性氧[O]的阶段，跨越有效的氧化消毒阶段直接生成氧气和水，消毒效果自然会降低。双氧水易分解，需要及时更换。我们的解决方案是用保鲜膜覆盖按钮表面，一方面能够防止液体不断接触按钮造成事故，另一方面可以保证消毒效果。

2.4.3 酚类消毒剂（比较常见的如滴露）

优点：气味清新，可直接接触人体。

缺点：更换消毒液时需要将滴露和水混合倒入，比例难以精确控制；成本较高。

3 装置控制程序设计

图3是程序执行流程图。本项目使用的编程语言是基于Arduino平台的C语言，在编写程序过程中使用了大量第三方库，资源丰富，可操作性好。程序编写时采用模块化编程，将不同模块的初始化和驱动程序分别放入不同的子程序中，通过在主程序中调用子程序来实现总体的控制功能。模块化编程最大的优点是程序的可阅读力强，编程思路体现得更加清晰，对于程序的分模块调试以及程序修改也非常方便。通过代码编写控制各个模块相互协调以实现项目所需功能。此外，该装置中使用到蓝牙通讯、中断、定时器中断等，通过合理分配硬件资源可以使得装置能够及时响应，正常工作，以完成预期的任务。

图3：程序执行流程图

电梯按钮消毒装置启动后，完成各模块的初始化，然后每隔三十分钟检测电梯内部是否有人以及电梯是否正在运行，如果电梯处于空闲状态则装置开始工作，工作时间控制在三分钟，完成工作后继续等待下一次工作。

4 系统电路设计

4.1 各个模块功能的实现

4.1.1 人体红外检测模块

为了实现装置不影响电梯正常使用的运行条件，我们选用了人体红外检测模块，该模块采用人体红外热释电传感器HC-SR501，当人进入电梯后，传感器采集到前方人体温度变化的数据，会将其以电压信号的方式传输到芯片，芯片再通过AD转换成相应的数字信息，系统由此得到电梯内是否空载的信息。如果此时电梯内有人，人体标志位将置1，红灯亮起，再经过主控芯片分析，将信息传递给其他模块，作为其他模块运行的判断标准。

4.1.2 蓝牙通讯模块

为了实现末端执行机构和主控之间的通讯，采用了HC-05模块，将一块开发板作为主机，另一块开发板作为从机，实现两块Arduino uno开发板之间的信息与命令传输，该模块可以协调各部分模块的运行与配合，并且蓝牙的低功耗小，体积的特性也避免了多余的有线连接，节省了空间，增加了紧凑性。

4.1.3 报警急停模块

如果在装置运行过程中设备出现了故障，例如装置电压不足、装置在运行过程中电梯开启使其受到干扰，装置受到人为破坏等，此时装置将自动停止工作并锁死，同时蜂鸣器发出警报，若装置未能及时停止，我们也设计了急停按钮，电梯内人员也可通过急停按钮进行人为制动控制。

4.2 系统驱动电路连接示意图

步进电机采用57步进电机，相应的驱动器采用雷塞DM542驱动器，图4为驱动电路连接示意图。

图4：驱动电路连接示意图

4.3 硬件资源的分配

根据Arduino不同I/O口所具有的硬件资源将不同模块接在合适的I/O上，以实现硬件资源的合理使用。此外，对于需要驱动的电机和舵机用专门的驱动电路与之相连接，蓝牙通讯电路需要用UART进行连接，为了满足各个模块能够实现其功能，从而满足需要，将Arduino uno的硬件资源进行分配，使能够顺利完成项目所需要的功能。

5 项目研究中遇到的部分问题及应对思路与措施

5.1 装置运行时会出现电线缠绕问题

装置的主运动，即滚珠丝杠的运动范围较大，如果采用线连接位于滑块上的机械臂会导致装置在运动过程中线缠绕在一起，从而可能引发装置故障。如果想要达到避免用线连接并可以控制舵机的目的，可以采用蓝牙通讯，通过两块开发板间的无线通信实现对舵机的控制，同时可以避免了有线缠绕的问题。为此，本文采用HC-05蓝牙模块进行开发板间的通讯。

5.2 各个模块的协同工作问题

本装置包含多个模块，要实现各个模块协同工作以达到预期的工作效果。装置采用的是以AVR系列的ATmega328P芯片为核心Arduino uno板，各个模块由此主控板控制，通过程序控制各个模块信号的处理及输出。通过利用内部的定时中断来控制各个模块工作顺序，以此来使各个模块相配合达到预期的工作效果。

6 总结与展望

本项目研究的是“基于Arduino单片机自动控制的电梯按钮消毒装置”，该装置具有能够替代人工定时对电梯按钮消毒的功能，可以频繁对电梯按钮进行自动消毒，以阻止病毒通过间接接触进行传播。装置结构简单、价格便宜且易安装，适合推广普及，实现疫情防控常态化，全面化。

通过查阅国内外文献，作者发现研发此类产品的企业不多，本项目研发的产品可以占据先发优势，挤占市场蓝海。

作者计划完成项目之后先在所在城市进行试运行，与厂家联系之后再通过优化以及流水线生产进一步压低成本，使得该产品进入人口密集场所的电梯，减少被病毒感染的风险。

该装置可以每30分钟对电梯进行一次消毒，这不仅可以在国内得到应用，更有望推广到国外，该装置的设计思路不单单只能应用于电梯按钮的消毒，对其稍做更改，保留核心的擦拭机构，就可以应用于更广范围的公共卫生防护领域，具有非常广泛的应用前景。