Бесконтактная система дозирования дезинфицирующего средства для рук

Дезинфекция рук важна для прекращения распространения Covid-19 и других инфекционных заболеваний. Даже прикасаться к носику контейнера негигиенично, поэтому для дезинфекции рук лучше использовать автодозатор, не прикасаясь ни к чему, кроме дезинфицирующей жидкости. Это может быть особенно полезно для промышленных предприятий, рабочих мест, больниц, торговых центров и т. д.

Но в большинстве обычных бесконтактных дезинфицирующих средств используются LDR и инфракрасные (ИК) датчики, которые часто выходят из строя из-за окружающего солнечного света, высокой температуры окружающей среды и т. д. Итак, вот автоматический дозатор, который вместо этого использует ультразвуковой датчик для дозирования дезинфицирующего средства.

Диспенсер использует ультразвуковой датчик HC-SR04 для обнаружения рук, когда они помещаются под контейнер. Он автоматически дозирует необходимое количество дезинфицирующего средства в течение определенного времени, а затем за полсекунды готовится к следующему действию. Авторский прототип бесконтактной системы дозирования антисептика для рук представлен на рис. 1.

Цепь и работа

Принципиальная схема бесконтактной системы дозирования дезинфицирующего средства для рук показана на рис. 2. Она включает в себя источник питания 12 В, Arduino Uno (Плата1), ультразвуковой датчик HC-SR04 (US1), однопереключающий релейный модуль 5 В (RM1) и двигатель постоянного тока 12 В (M1).

Ультразвуковой датчик. Ультразвуковые датчики широко используются для обнаружения препятствий в робототехнических системах. Они обеспечивают превосходное бесконтактное обнаружение на расстоянии от 2 до 400 см с точностью до 3 мм.

Используемый ультразвуковой датчик показан на рис. 3. Поскольку он работает от напряжения 5 В, его можно использовать напрямую с Arduino или любым другим логическим микроконтроллером с напряжением 5 В. Его технические характеристики приведены в таблице 1.

Вывод VCC используется для подачи питания на ультразвуковой датчик. Итак, его необходимо подключить к выводу 5 В Arduino. Триггерный вывод запускает ультразвуковые звуковые импульсы. Здесь он подключен к контакту D3 (контакт 3 цифрового ввода-вывода) Arduino. Вывод эха генерирует импульс, когда отраженный сигнал принимается обратно. Длина импульса, создаваемого выводом Echo, пропорциональна времени, необходимому для обнаружения передаваемого сигнала. Этот контакт подключен к контакту D2 (контакт 2 цифрового ввода-вывода) Arduino. Контакт GND должен быть подключен к земле.

Ультразвуковой датчик HC-SR04 имеет встроенный ультразвуковой передатчик и приемник. Когда на вывод Trig подается импульс длительностью 10 мкс или более, ультразвуковой передатчик посылает звуковой пакет из восьми импульсов с частотой 40 кГц. Эти импульсы распространяются по воздуху и после столкновения с объектом отражаются обратно. Приемник принимает отраженный сигнал. Тем временем на выводе Echo устанавливается высокий уровень, чтобы начать формирование начала обратного сигнала. Время, в течение которого вывод Echo остается высоким (ширина импульса Echo), определяет время, необходимое для прохождения ультразвукового звука до объекта и return. Используя это время и скорость звука в воздухе, расстояние до объекта можно найти с помощью простого соотношения:

Расстояние=Скорость×Время

Скорость звука в воздухе при комнатной температуре составляет 340 метров в секунду, или 0,034 сантиметра в микросекунду. Итак, если предположить, что время, затраченное на return, составляет 300 мкс,

Общая пройденная дистанция=0,034 см/мкс×300 мкс

Это общее расстояние, пройденное импульсом во время его движения вперед и return. Фактическое расстояние составляет половину этого расстояния. Итак,

Расстояние=(0,034 см/мкс×300 мкс)/2
=5,115 см

Здесь ультразвуковой датчик используется для обнаружения рук, которые могут находиться всего в 10 см от датчика. Итак, переменный резистор VR1 подключается к аналоговому выводу A0 Arduino для установки желаемого диапазона расстояния.

При обнаружении рук сигнал с датчика отправляется на Arduino Nano. Нано-микроконтроллер Arduino является основным контроллером, который запрограммирован на доступ к данным ультразвукового датчика. Микроконтроллер выполняет некоторые логические операции и отправляет сигнал на управляющее реле RL1.

Модуль реле 5 В. Релейный модуль 5 В, включающий интерфейсную плату SRD-05VDC-SL-C, может управляться напрямую с платы Arduino или микроконтроллера AVR или PIC. Диапазон напряжения входного сигнала составляет 0-5 В. В прототипе использован 2-канальный релейный модуль, однако рекомендуется использовать одноканальный релейный модуль (показан на рис. 4). Описание контактов однопереключающего релейного модуля приведено в Таблице 2.

Нормально открытый (НО) контакт реле открыт, а нормально закрытый (НЗ) контакт закрыт, когда реле не находится под напряжением. Релейный модуль (пунктирные линии на рис. 2) состоит из оптопары, переключающего транзистора, конденсатора и резистора, подключенных к состоянию LED, обратного диода и индуктивной катушки.

Оптопара IC(4N25)

Истинная функция оптрона — обеспечить надлежащую изоляцию между питанием постоянного тока реле и входным сигналом. Он имеет внутренний LED на своих контактах 1 и 2, который используется для запуска базы транзистора для выдачи одного и того же сигнала на выходные клеммы 4 и 5 4N25. Таким образом, мы получаем тот же выходной сигнал, но изолированный от входа.

Переключающий транзистор

Релейный модуль поставляется с переключающими транзисторами. Чем больше каналов, тем больше будет количество переключающих транзисторов. Эти переключающие транзисторы могут управлять реле через Arduino или микроконтроллеры, такие как ESP32. Здесь используется одноканальное реле, поэтому транзистор потребуется всего один. Функция переключающего транзистора заключается в усилении тока для удовлетворения требований реле.

Статус LED

На релейном модуле имеется статус типа SMD LED. Каждое реле имеет свой собственный статус LED, который включается всякий раз, когда на соответствующее реле подается питание через входной контакт.

Обратный диод

Имеется обратный диод для управления противо-ЭДС, создаваемой индуктивной катушкой реле. Обратная ЭДС может привести к серьезному повреждению схемы драйвера реле, поэтому для противодействия этому эффекту используется обратный диод.

Водяной насос постоянного тока

Этот насос подключается между НО и НЗ контактами реле. Когда датчик обнаруживает руки, он подает сигнал на Arduino, который подает сигнал 5 В на схему драйвера реле через цифровой вывод D8 Arduino. Таким образом, на реле подается питание, и насос включается на десять секунд (как запрограммировано), чтобы слить жидкость из дезинфицирующего средства для рук. После этого реле обесточивается и насос выключается. Потенциометр VR2 можно использовать для изменения продолжительности работы насоса.

Программное обеспечение

Arduino IDE 1.8.15 используется для записи, компиляции и загрузки исходного кода на плату Arduino. Программный код Dispenser.ino написан на языке программирования Arduino. Блок-схема программы показана на рис. 5.

Arduino Nano имеет предварительно записанный загрузчик для загрузки кода в Arduino, поэтому внешний программист не требуется. Вместо стандартного кабеля USB необходим кабель mini-A — mini-B USB.

Скомпилируйте код и загрузите программу в Arduino Nano. Убедитесь, что вы выбрали соответствующую плату и COM-порт в меню «Инструменты» для связи между Arduino и ПК/ноутбуком.

Создание и тестирование

Схема PCB схемы показана на рис. 6, а компоновка ее компонентов — на рис. 7. После успешной сборки схемы на PCB и загрузки исходного кода в Arduino Nano подключите источник питания 12 В постоянного тока к Arduino и насосу. Затем подайте питание 5 В постоянного тока на секцию драйвера реле и датчик HC-SR04 от контакта 5 В Arduino.

Загрузите PCB и PDF-файлы со схемами компонентов: нажмите здесь

Поместите схему в подходящую коробку, как показано на рис. 8. Правильно закрепите ультразвуковой датчик в нижней части корпуса датчиком вниз. Отрегулируйте время и диапазон с помощью соответствующих потенциометров и поместите руки под датчик в пределах 10 см. Дезинфицирующее средство должно вытекать из насадки в течение десяти секунд, после чего насос switch выключится, пока датчик не обнаружит следующую пару рук.

Дхруви Кошия работает инженером-стажером в Центре разработки передовых схем (ACDC). Она проявляет большой интерес к встроенным системам и Интернету вещей в мире робототехники и автоматизации.