基于STM32的智能感应式喷雾洗手消毒仪

许家伟 郑振宇 谢烨 葛琳 鲍若兰

摘  要：在疫情的背景下，日常的洗手消毒工作越来越成为人们生活中的必要环节，而目前使用较为广泛的手按式消毒瓶，已不能满足当前形势的需求。文章设计的基于STM32的智能感应式喷雾洗手消毒仪，采用喷雾式节水设计，能自动检测人体的靠近并进行消毒、测温操作，将消毒工作智能化、自动化，减少了人员之间的相互接触，为防疫工作带来便利，具有良好的发展前景。

关键词：防疫；洗手仪；STM32；喷雾消毒

中图分类号：TP273；TP368.1 文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）09-0195-04

Abstract： In the context of the epidemic situation， the daily hand washing and disinfection work has increasingly become a necessary link in people's lives. At present， the widely used hand pressed disinfection bottles can no longer meet the needs of the current situation. The intelligent induction spray hand washing disinfection instrument based on STM32 designed in this paper adopts the spray water-saving design， which can automatically detect the proximity of human body and carry out disinfection and temperature measurement operations. It makes the disinfection work intelligent and automatic， reduces the mutual contact between personnel， brings convenience to epidemic prevention work， and has a good development prospect.

Keywords： epidemic prevention; hand washing instrument; STM32; spray disinfection

0  引  言

在新冠疫情的背景下，日常洗手消毒已经成为我们每天都应予以重视的环节，做到正确洗手是预防和控制病原体、病毒传播的最基本、最简单且行之有效的手段[1]。而当前使用较广泛的消毒用具多为手按式消毒瓶，在眾多进出场所需有人手持执行消毒操作，对于人流量大、工作人员不足的场合下，难以应付过来。在洗手消毒仪需求量如此巨大和防疫工作如此重要的情况下，洗手消毒仪的智能化十分必要，智能洗手消毒仪能更好的服务民众，使防疫工作更加高效，同时减少了人员接触[2]，降低了疫情防控工作人员的感染风险，具有良好的发展前景。

本文设计的智能感应式喷雾洗手消毒仪，则能很好地解决这一问题，将消毒工作自动化，更符合当下形势需求。该产品可应用于食堂、小区、校门口、宿舍出入口、商场、厕所等需要洗手消毒工作的场所，便利快捷。基于节能环保的理念，采用喷雾式节水设计，较于流水式大大节约用水，搭载自动感应开关以避免传统接触式污染，解决水龙头不拧紧、忘记关水而造成的水资源浪费问题，同时具有测量人体温度、消毒液不足提醒等功能，为防疫工作提供便利。

1  总体方案设计

本设计使用STM32 F103C8T6作为主控，装置通过红外传感器实现非接触式喷雾开关，使用温度传感器实现人体体温的测量，通过HC-05蓝牙模块连接手机进行通信，开发手机APP进行实时体温数据监测、异常提醒。温湿度传感器将采集到的环境信息转化成电信号由主控接收，再对OLED模块进行控制显示，同时对加热器进行控制实现液体温度的调节。除市电供电外，还设计了充电锂电池的供电方式，设置安全充电、蓄电、放电电路，实现设备的电池可充电，可更换。通过超声波模块实现消毒液剩余量的检测，在消毒液不足时发出提醒以及时补充。系统框图如图1所示，本设计的样机如图2所示。

2  硬件模块设计

2.1  电源模块

电源部分采用市电供电与电池供电两种供电方式。当外接电源存在时，使用市电供电，并对电池进行充电；当无市电供电的情况下，MOS管选择电路将自动切换至电池供电。该电源模块加入了保险丝，提高了电路的安全性，实现过流保护装置的功能。MOS管选择电路原理图如图3所示。

2.2  主控模块

本设计所使用主控的型号为STM32F103C8T6，是一款基于ARM Cortex-M 内核的32位微控制器。该主控模块的主频率为72 MHz，程序存储器容量为64 KB，供电电压2 ～3.6 V，工作温度为-40～85 ℃，满足本设计的需求。

2.3  红外感应模块

本设计采用E18-D80NK漫反射式红外线NPN感应光电开关，用于检测是否有手部靠近。该开关主要由发射器、接收器两部分构成，由此组成一个红外感应模块的标准部件。其中发射器每隔一定时间会对外发射出光束，当所发出的光束照射到目标物体之后，在物体表面发生的漫反射会返回到接收器中，当接收器接收到足够的组合光时，开关的状态则会发生变化，进而达到感应物体靠近的作用。在实际使用中，当手部靠近时，模块的输出引脚输出高电平，主控对接收到的电平信号进行判断，从而控制电机输出。其灵敏度可调节，可根据实际检测需求调节感应人体的灵敏度，从而控制检测距离。光线被检测物体遮挡示意图如图4所示。

2.4  电机驱动模块

本设计采用双路直流电机驱动模块，双H桥，可同时驱动两台直流电机，分别用于喷雾电机和水量补充电机。该电机驱动模块具备宽电压输入，范围在6.5 V到27 V，单路最大功率达到189 W，同时拥有欠压保护，当线路电压降低到临界电压时，可保护电器，防止设备过载，并带光耦隔离，抗干扰能力强，工作稳定。

2.5  人体测温模块

本设计使用非接触式红外测温模块GY-614V3DCC，用于测量人体的体温。该模块的检测元件一般为热电型探测器，通过测量目标物体表面所辐射出来的红外能量来确定该物体表面的温度。因其测温过程无须与被测物体接触，被广泛应用于各类场景，如公共场所的人体体温监测等。该模块能快速测量目标物体温度，同时不影响当前环境温度，可长时间使用，并且易于操作。该模块使用串口与主控进行通信，将测量到的数据返回到主控制器中进行处理判断。

2.6  水箱余量检测模块

本设计采用HC-SR04超声波模块进行水箱剩余量的检测，通过测量超声波发出与接收到信号的时长，再根据声音在空气（25 ℃）中的速度346 m/s，即可计算出所测的距离为高电平时间乘以速度的二分之一，测量出超声波模块距水面的距离，进而测量出水箱中液体的剩余量[3]。HC-SR04的控制时序图如图5所示。

2.7  显示模块

本设计的数据显示功能使用四线SPI通信OLED模块进行。相比于需要背光的LCD屏幕来说，OLED通过自发光来显示内容，使得它即使在外部光线较强的情况下，也能清晰显示数据，呈现较好的效果，不易受外界环境的干扰。同时，该显示模块刷新速度快，显示稳定，符合本设计需要在短时间内更新数据的需求。该OLED模块在与单片机进行通信时使用SPI协议，属于全双工同步通信，传输速度快，仅需要四根引脚线，大大节约了IO口的资源[4]。四线SPI写操作时序图如图6所示。

2.8  蓝牙通信模块

本设计除了将各种采集到的数据在OLED屏幕上进行显示外，还通过蓝牙发送到手机上位机中进行同步显示。这里采用的是HC-05蓝牙串口通信模块，通过与单片机串口引脚的连接，将数据发送到手机端，同时也能接收从上位机发来的指令，实现双向数据传输，传输距离可达10 m，通信簡便快捷。该模块体积小巧，通过简易的指令即可对其串口波特率等参数进行修改配置，使用灵活。并可通过模块自带的LED灯直观判断蓝牙的连接状态[5]。蓝牙通信模块引脚图如图7所示；带有蓝牙模块的单片机与手机APP的通信示意图如图8所示。

2.9  环境温湿度检测模块

本设计的环境温湿度测量功能使用DHT11传感器进行实现。DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器，包括一个高分子电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可测量5%～95% RH的湿度范围与-20～+60 ℃的温度范围，并与一个高性能8位单片机相连接，通过单总线与微处理器通讯。DHT11有4个引脚，分别是3.3～5.5 V供电VCC、串行数据单总线DATA、空脚NC以及电源负极GND，其中DATA引脚与单片机引脚相连，即可传输采集到的相关数据到主控进行处理[6]。

2.10  水温测量模块

本设计采用防水型DS18B20温度传感器作为水温探头，测量水箱内液体的温度。其测温范围为-55～+125 ℃，64位只读存储器储存器件的片序列号，可将温度的精度设为0.5、0.25、0.125 ℃和0.062 5 ℃。该模块通过D0引脚输出传感器所测量到的数据。

3  软件设计

3.1  主程序设计

主程序使用模块化的思想进行编程，对各个功能进行模块化设计，采取分别进行代码编写，最终在主程序调用的基本思路，从而实现本设计所涉及的功能。主程序的流程为，先对所需要用到的各个功能模块进行初始化配置，配置成功之后进行环境温湿度检测和温度控制，并对数据进行显示；随后检测是否有手部靠近，当有手部靠近时，对人体进行体温测量与显示，接着启动喷雾电机，若人体离开，则关闭喷雾电机。在每一次循环的过程中，都会对消毒液的剩余量进行一次检测，若余量不足，则进行补充操作。系统主程序设计流程如图9所示。

3.2  感应喷雾系统程序设计

使用E18-D80NK漫反射式红外线NPN感应光电开关，当检测到人体靠近时，其输出引脚输出高电平，单片机在检测到IO口电平为高时，控制水泵电机喷出喷雾，从而实现无接触自动感应的喷雾洗手功能。

3.3  人体测温程序设计

将GY-614V3DCC模块与单片机的串口引脚进行连接，当人体靠近时，该模块将获取到的数据传输至单片机，单片机在对数据进行处理之后，显示在OLED模块上，并通过蓝牙模块发送至上位机软件。若体温超出正常范围，蜂鸣器将发出警报，同时上位机软件接收到相应通知。

3.4  水温控制系统程序设计

本设计引入水温控制系统，实现在天气较冷的环境中使用温水进行洗手，在提升舒适度的同时，在一定程度上提高了清洁效果。同时兼具根据所测量出的环境温度，自动调节喷雾温度的功能。实现思路如图10所示。

3.5上位机软件设计

使用Android Studio进行安卓上位机软件的设计与开发，对单片机采集到的人体体温、余量、环境温湿度等信息进行可视化显示，使得对数据的把控更为智能与便捷，可及时关注数据的变化与趋势，为相关工作提供便利。上位机软件界面如图11所示。

4  结  论

本文基于STM32设计了一款智能感应式喷雾洗手消毒仪，对硬件平台和软件处理系统进行了设计。利用红外感应开关识别人体靠近状态，当手靠近消毒仪下方时自动喷出雾状消毒液，离开时自动关闭；同时自动监测人体体温并显示在屏幕中，若超过设定温度，则发出提醒声，将所测得的体温等信息通过蓝牙通信发送数据到手机APP，工作人员可在应用内实时查看相关信息，接收人员体温异常提醒等，具有一定的实用性。

参考文献：

[1] 向军霞，张沂忻，尹寒，等.新冠肺炎疫情防控常态化下大学生手卫生行为现状调研 [J].卫生职业教育，2021，39（18）：67-68.

[2] 邹杰.新冠疫情防控常态下城市公共卫生间改良设计研究 [J].设计，2020，33（21）：158-160.

[3] 吴瑞锐，朱晓峰，宋宗峰.基于HC-SR04多超声波避障技术 [J].智库时代，2020（3）：281-283.

[4] 焦石，王琛，胡泽原，等.基于STM32的OLED显示屏驱动设计 [J].电子世界，2018（12）：127-128.

[5] 陈思颖，邹乐瑶，王少坤.基于ATMEGA32A单片机和HC05的蓝牙信号传输体操机器人设计 [J].信息与电脑：理论版，2021，33（7）：106-108.

[6] 付文新，王洪丰.基于STM32单片机和DHT11温湿度传感器的温湿度采集系统的设计与实现 [J].光源与照明，2022（3）：119-121.

作者简介：许家伟（2002—），男，汉族，广西藤县人，本科在读，研究方向：自动化。