基于Arduino的智能洗手液控制器设计与制作

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目录

1产品功能分析....................................................................................................1

2设计方案遴选..............................................................................................1

2.1单片机的选择...................................................................................1

2.2传感器的选择...................................................................................2

2.3电机驱动选择方案................................................................................2

2.4马达的选择方案....................................................................................3

2.5系统框图设计........................................................................................3

3产品模块设计..............................................................................................3

3.1产品组成...........................................................................................4

3.2产品功能...........................................................................................4

4产品硬件设计..............................................................................................4

4.1系统原理图.......................................................................................4

4.2系统硬件设计...................................................................................5

4.3ArduinoUNO开发板........................................................................6

4.4超声波传感器...................................................................................7

4.5L9110S电子驱动模块......................................................................8

5产品软件设计..............................................................................................8

5.1程序流程图.......................................................................................8

5.2程序设计.........................................................................................11

6产品使用说明............................................................................................12

6.1产品装配图.....................................................................................12

6.2产品操作说明.................................................................................12

7产品设计技术标准....................................................................................15

8参考资料..........................................................................................................15

附录.....................................................................................................................16

附录1元器件清单.....................................................................................16

I

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附录2电路原理图....................................................................................17

附录3PCB设计图.....................................................................................18

附录4产品实物图....................................................................................19

附录5主程序代码.....................................................................................20

II

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基于Arduino的智能洗手液控制器设计与制作

1产品功能分析

新冠疫情爆发后，人们对于防控传染性病毒和疾病的意识逐步提高，相

较以前更加注意公共用品的卫生和安全，时刻提防病毒的传播。随着科技进

程的高速发展，超声波技术就在其中有着十分广泛的运用。作为一种智能型

的非接触性技术，它拥有传播距离远，聚向功能好的特点。本产品是以

ArduinoUNO开发板作为主体部分，另接超声波传感器与L9110S电机驱动

模块与带减速机构的130电机，当超声波传感器检测到物体（手）靠近时，

控制按压电机转动，从而按压洗手液，当手离开时按压电机停止转动，实现

无接触式地使用洗手液，避免通过物体接触感染病毒。

2设计方案遴选

2.1单片机的选择

方案一:选择STC89C51作为系统的主要芯片。C51采用的是8051核的ISP

在系统可编程芯片，芯片配合电脑端直接将程序烧入至单片机，不仅速度更

快，还可节省购买编程器的开销。新一代8051单片机具备有高速、低功耗的

特点。

方案二:选择ArduinoUNO作为开发板。Arduino改善自身的设计方法的同

时，制作了更加简洁的编程语言。在做项目中，不需要考虑硬件部分的设计，

可直接按需求选用Arduino的控制板等组成自己需要的硬件系统。Arduino的理

念就是开源，软硬件全部开放，完全不做任何保留。

综上所述，我选择了ArduinoUNO开发板，它有更广泛的学习资源，操作

简单，可以配合图形化编程直接生成代码，编程简单，连接传感器无需焊接，

直接通过所连接的传感器感知外界。所以我选择使用ArduinoUNO开发板进行

设计。

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2.2传感器的选择

方案一：选择超声波传感器。超声波传感器的原理是反射声波，检测波的

同时，测量波从发送到接受所需的时间。然后以此为依据估算距离。虽然超声

波在测定区域边缘时不如红外线准确，不过选择超声波传感器的主要因素在于

优化调整，效率提升并确保提供额外的安全性在制造设施等方面。

方案二：红外传感器的工作原理是反射光波。可用于测量距离或接近度。

通过检测发射的红外信号遇到障碍时的反射光，然后计算传感器和物体之间的

距离估计。但其一的缺点在于容易受环境影响，例如红外线传感器在黑暗中工

作更容易检测到明亮的区域，而对较暗的区域检测的灵敏度反而没那么高，或

者当前方遇到障碍时穿透力较差。相比之下，这一点超声波传感器更具优势。

综上所述，我选择超声波传感器，红外传感器在黑暗环境下的效果不如超

声波传感器，超声波传感器更能适应不同环境下的工作需求。

2.3电机驱动选择方案

方案一：L9110S是一种半导体集成产品，为了控制和驱动电机设计的两通

道推挽式功率放大专用集成电路器件。两个兼容电平的输入--TTL/CMOS，使

它具有良好的抗干扰性；两个输出端具有较大的电流驱动，能直接驱动电机的

正反向运动。内置的限制电位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在

各个方面的使用上更加安全可靠。

方案二：L298N，则是一款接受高电压的电机驱动器。它同样能进行正转

反转驱动，且操作简单、稳定性好，可以满足直流电机的大电流驱动条件。但

是缺点在于噪声干扰，且发热量比较大，出发看门狗，所以不能共用5V电

源。虽然使用两个电源模块可以解决这个问题，但是需要在稳压前进行共地。

对于本设计，选择简单有效的方案才是最优解。

综上所述，我选择L9110S作为电机驱动，功率不需要太大，且完全适应

本产品方案中驱动电机的正反向运动的需求，保证产品效果稳定。

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2.4马达的选择方案

方案一：选择180马达。180马达带有3万转的马力。大电流大扭矩。

方案二：选择130马达。130马达扭力大，转速快，性能稳定。

综上所述，选择130马达，它性价比高，性能稳定，而且

尺寸也适用于本设计。

2.5系统框图设计

此方案：基于ArduinoUNO智能洗手液设计与制作：

超声波

可执行按

传感器

压洗手液

Arduino

UNO开发板

检测到

物体，9110s驱动

发送数130电机

字信号

蓝牙控制输出数字

信号，发送指令

图2.1系统框图设计

3产品模块设计

此产品使用ArduinoUNO开发板，外接了超声波传感器、蓝牙模块与带

130马达的L9110S电机驱动制造而成，符合产品设计技术标准。

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3.1产品组成

1、ArduinoUNO开发板

2、超声波传感器

3、L9110S电机驱动

4、130马达

5、洗手液与积木套件

6、蓝牙模块

3.2产品功能

在工作状态下，超声波传感器检测到物体（手）靠近，会发送数字信号给

ArduinoUNO开发板，开发板通过L9110S电机驱动输出低电平按压洗手液，

实现无接触式洗手液。

4产品硬件设计

4.1系统原理图

此产品是以ArduinoUNO开发板控制电机按压智能洗手液设计为目的的。

产品是以ArduinoUNO开发板作为主体部分，外接超声波传感器与带130马达

的L9110S电机驱动。系统原理图如下：

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图4.1系统原理图

4.2系统硬件设计

图4.2系统设计图

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4.3ArduinoUNO开发板

ArduinoUNO特点：具有14路数字输入/输出口、16MHz晶振时钟、不仅

可以简便地连接传感器，通过不同的传感器来感知外界，并通过装置进行反

应，还可以通过USB直接烧录程序。并具备有在不同的系统上运行的能力，

如Windows、MacOS、Linux系统。

ArduinoUNO优点：简单清晰，系统完善。可配合图形化编程软件进行编

程，可跨平台开发，并具有硬件开发的趋势。

图4.3ArduinoUNO开发板核心电路图

图4.4ArduinoUNO开发板实物图

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4.4超声波传感器

超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号（通常是电信号）的传

感器。常用的由压电晶片组成，具有震动频率高、波长短、绕射现象小，方向

性好、能够成为射线而定向传播等特点。

图4.5超声波传感器原理图

图4.6超声波传感器实物图

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4.5L9110S电子驱动模块

L9110S是一种半导体集成产品，其中内置的限制电位的二极管，使得它在

直流电机和驱动继电器等使用上安全可靠。因此，L9110S被广泛应用于各种驱

动等电路上。

图4.7L9110S电机驱动模块原理图

5产品软件设计

5.1程序流程图

系统程序流程图如下图所示，当主程序初始化之后，检测是否有物体靠

近，与此同时超声波传感器内部运行子程序，距离范围内，电机转动按压洗手

液。

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图5..1主程序流程图

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图5.2超声波子程序流程图

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5.2程序设计

图5.3程序设计界面

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6产品使用说明

6.1产品装配图

图6.1产品装配图

6.2产品操作说明

第一步如下图接通电源。

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图6.2产品待机状态

第二步如下图，当有物体（手）靠近时，达到范围距离（大于1并且小于

16cm），电机转动按压洗手液。

图6.3检测到手的状态

第三步如下图，手离开，电机停止转动。

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图6.4自动出液状态

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7产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

8参考资料

[1]陈吕洲.Arduino程序设计基础：北京航天航空出版社，2014:5-6

[2]（美）布鲁姆（Blum，J.）著：况琪，王俊升译.Arduino魔法书：实现梦想的工

具和技术：电子工业出版社，2014.10

[3]SimonMonk著，唐乐译.Arduino+Android互动智作：科学出版社，2013-1

[4]马建国.电子系统设计.北京:高等教育出版社，2004.1.

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附录

附录1元器件清单