电梯用自动紫外线杀菌灯系统设计

摘

要：为实现对电梯这类人流密集、相对封闭的公共场所进行高效杀菌消毒，达到防止病毒传染的目的，设计了一种自动紫外线杀菌灯系统。该系统以STM32芯片为主处理器，采用红外传感器与蓝牙模块，通过手机控制可根据实际情况设定所需的消毒时间与消毒频率，并可做到仅在电梯中无人且非运行时段消毒。关键词：紫外线杀菌；电梯；自动；STM32

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引言电梯轿厢是相对密闭的空间，空气流通性差，人员密集，易于细菌或病毒通过接触或呼吸道、飞沫等方式传播。紫外线消毒是最方便的空气消毒方法，对物体表面消毒具有一定效果，特别是对光滑表面消毒效果更好，适用于对电梯轿厢与电梯按键的消毒，可以更加高效地达到防止病毒传染的效果，为此本文设计了一种适用于电梯杀菌消毒的自动紫外线杀菌灯系统。

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紫外线杀菌原理紫外线杀菌原理是通过诱发DNA相邻的嘧啶碱基产生环丁烷嘧啶二聚体，产生光化学产物，阻碍基因的正常复制，进而导致微生物的灭活和死亡。紫外线杀菌作为一种常见的空气和物体表面消毒方式，对多种微生物有着高效的杀灭效果，尤其是对于结核分枝杆菌、流感病毒等有着显著的杀灭作用。同时，紫外线照射产生的臭氧有利于较长时间内保持轿厢内的清洁。目前，国内只有温州医科大学附属第一医院使用了智能紫外线消毒监控管理系统，应用于医院的感染高风险医疗区域。但是，该系统安装成本较高，且其核心技术是采用国际先进的氮化镓基紫外传感器，对硬件要求较高，尤其像电梯这类数量众多、分布较为分散的公共场所，很难普及这种消毒系统。

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系统设计目标本文设计的是电梯中的自动紫外线灯杀菌系统，主要是针对住宅小区和办公区等场所的电梯，使用单片机自动控制紫外线灯进行杀菌。系统采用STM32f103作为主处理器，具有体积小、耗电量低等特点，有利于安装在电梯中，批量生产后的设备成本较低，容易被较多普通用户接受。该系统安装在电梯中，可以由手机通过蓝牙模块与STM32f103处理器通信，设置杀菌时间后，可由该模块将杀菌的具体时间上传至手机端。处理器内设有实时时钟，设置开启紫外线灯时间30min，如果有人进入电梯或电梯有开门信号则停止杀菌工作，无人后继续工作。该系统的工作方式：（1）系统开机，初始化系统，设置开灯时间和开灯时长。同时设置开灯时间间隔，精确到小时或天，例如时间间隔计数器设置为1天，就是每天在开始时间和结束时间的范围内开灯。如果大于1，就是到计时开始时间时减1，减到1的时候，就可以开灯。开灯后把时间间隔计数器设置为初始值。（2）判断是否到达设计的开灯时间区间。如果到达开灯时间区间后，判断电梯内是否有人或物，没有就开灯计时。判断是否到达关灯时间，如果到达则关灯，并通过Wi-Fi将开灯时长发送至手机。（3）判断是否有人按电梯按钮，如果有，则关灯，重复第2步。

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硬件电路设计本文考虑到功耗、时钟电路需求等因素，采用STM32f103芯片作为主处理器，该芯片最高工作频率为72MHz，有4M～16M晶体振荡器，内嵌出厂调校的8MHz的RC振荡器及带校准功能的32kHzRTC振荡器，有一个VBAT引脚为RTC和后备存储器供电。RTC接一个外部晶体的32.768kHz的振荡器，可以产生一个1s时长的时间基准。该芯片具有功耗低的特点。系统硬件电路包括STM32处理器电路、紫外线灯控制电路和红外传感器电路组成。其中STM32处理器电路由电源系统、复位电路、晶振电路、调式电路等主要电路组成。复位电路是系统上电后为处理器提供复位信号；晶振电路由一个主晶振倍频后产生72MHz主工作时钟和一个实时时钟晶振，内部分频后产生1Hz的时钟用于时间日历记录。电源电路给出的是模拟电源与数字电源隔离电路，提供12V、5V和3.3V的电源以及由一个电池提供3V的电源，其中12V电源用来驱动灯继电器，5V电源为基本的逻辑器件电源，3.3V电源是主处理器的工作电源，电池电源为芯片时钟电路电源。串行单线调试模式电路用于将软件下载到芯片和芯片的调试。蓝牙接口电路可以通过手机或其他蓝牙设备进行控制参数的设置，同时也可以将杀菌时间信息通过蓝牙设备传到手机端，本文采用DT-06无线Wi-Fi串口透传模块实现。红外感应电路可以根据电梯的大小适当设计红外感应电路的个数，本文设计两路相同的红外感应电路，以免一旦红外感应电路发生故障，会打开紫外线灯对人体造成伤害。主处理器对电梯中的红外感应电路进行检测，检测其是否发生故障。紫外线灯控制电路在开灯条件都满足的情况下，根据设置的时间进行开灯杀菌。

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系统软件系统开始采用手机通过蓝牙模块传送给处理器初始化信息，蓝牙通过中断程序向处理器传输数据，并将接收到的数据回传到手机中。程序初始化数据包括初始化开始开灯时间、开灯间隔计数器、关灯计数器、开灯时长计数器、开始和结束状态标志。开始状态标志用来控制系统是否工作，如果工作则置位1，如果不工作则复位0。手机端可以通过设置结束状态标志为1随时结束该系统的工作程序，在主程序中增加判断结束状态的语句。如果开始状态为1，表示开启自动消毒系统，判断开始时间是否到达，如果没有到达，则等待，直到开灯时间到达。到达开灯时间后，判断开灯间隔计数器是否为1，若不为1，说明初始化数据是人为设定的该系统消毒间隔不是1天，则开灯间隔计数器减1，程序进入等待时间周期中，等待时间为23h，在等待过程中，仍然可采用结束状态标志中断程序进行，即等待过程中，如检测到结束标志状态为1，则结束系统工作程序，若等待过程中结束状态标志始终为0，则程序仍然继续保持等待状态，直到开灯间隔计数器减1为止。此时要打开红外扫描装置，并开启关灯计数器（关灯计时器初值为设定的开灯时长，例如设定开灯时间为02：00—03：00，则关灯灯计数器值为60min），关灯计数器开始减计时。判断是否满足消毒条件，即通过红外扫描装置判断是否有人或物，如果有则等待，如果无，还需要判断是否有电梯按键按下，如果同时满足电梯内没有人或物，且无电梯按键被按下，则开灯，并开启开灯时长计数器，开灯时长计时器开始计时。开灯后仍然继续判断是否有人或物以及是否有电梯按键被按下，如果有人进入电梯或有电梯按键被按下，则关灯，关闭开灯时长计数器，并判断关灯计数器是否减少为0。如果不为0，则继续判断是否满足开灯条件，若满足则开灯，开启