韩靖卜，周晓华，张欣宇
（1.西京学院 电子信息学院，陕西西安，710123；2.西京学院 计算机学院，陕西西安，710123）
0 引言
隐形牙套作为一种美观性的牙齿正畸器材，越来越被大众所熟知，且已有许多年轻人佩戴起来，作为一种易摘戴的且进入口腔的物质，它的卫生是至关重要的。
隐形牙套对于矫正牙齿的人来说，需要每天至少佩戴20 小时，口腔中的菌群在口腔内是一个健康平衡的状态，但是当口腔中的菌群随着隐形牙套离开口腔接触外界后就会滋生一些其他的细菌，如果这些细菌没有及时得到冲洗、消毒杀菌处理，当随着牙套进入口腔中时，就会导致口腔菌群失衡，引发一些不必要的疾病。
目前市面上一部分牙套盒仅有存放的功能，这会导致许多细菌的滋生，非常不利于口腔健康。一部分牙套盒是通过将牙套在含有消毒药片的水中浸泡起到消毒杀菌的作用：牙套消毒药片需要在使用前用温水化开，然后再把牙套放入其中浸泡，确保水面完全覆盖牙套，浸泡至少五分钟后，取出牙套用软毛刷蘸水刷洗，最后需要用流水完全冲洗干净才能再次佩戴，若没有将药物完全冲洗干净，则会对身体健康造成一定的危害。一部分是多功能家用超声波高频振动消毒杀菌器具，体积大，不方便随身携带，若消毒杀菌对象不专一，还可能会导致交叉感染。
隐形牙套是由高分子的纳米材料制成，市面上有一部分对隐形牙套的清洁使用清洁剂，但是清洁剂会给矫正器表面造成损坏，所以在清洗的时候尽量避免使用清洁剂。
1 紫外线消毒杀菌
■1.1 紫外线消毒杀菌原理
利用波长为200～280nm 的紫外线（UVC）对微生物的辐射损伤和破坏微生物（细菌、病毒、芽孢等病原体）机体细胞中的DNA 或RNA 的分子结构，造成生长性、再生性细胞死亡，从而抑制细菌生长，达到消毒杀菌的效果。紫外线通过改变DNA 的生物活性，达到微生物自身不能复制的目的，这种紫外线损伤也是致死性损伤。紫外线消毒是一种物理方法。
■1.2 紫外线灯
物体表面消毒通常采用直接照射的方式，以一定的紫外线辐射照度照射一定的时间从而达到消毒的效果。短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收，穿透能力弱，不能穿透普通玻璃和塑料制品。紫外线杀菌灯使用的就是UVC 短波紫外线，虽然穿透能力弱但它对人体的伤害是很大的，不可以直接照射人体。虽然紫外直接照射对人体有害，但所幸UVC 可以被绝大多数物质所吸收，即使是普通的平板玻璃也能吸收全部的UVC 紫外辐射，而且剩下的大多UVC 紫外辐射会被代谢失活的皮肤所吸收，因此安全隐患不大。
目前紫外线消毒杀菌灯主要光源有两种：气体放电光源和固态光源。气体放电光源主要是低压汞灯，低压汞灯的优点是技术成熟，杀菌效率高，但体积较大还有少量汞污染。目前市场上售卖的紫外线消毒灯大都还是采用技术成熟的低压汞灯光源。固态光源指的就是UV-LED 光源，作为紫外线灯珠的UV-LED既不含汞，也不会产生臭氧，既安全又环保。
灯珠的优点有很多：环保、体积小、驱动电压低、波长连续可调、响应快等等，最重要的是可以调节波长到大约257nm～279nm 之间，正好没有浪费波段，杀菌更加高效，波长也更加稳定，能耗也更低，使用时间也更长，不用像灯管一样一年一换劳心费力。紫外线是不可见光，不能以紫色光的强弱来判断紫外线的存在。有些产品封装了紫色灯，紫色光会非常明显，但是其实不是真正的紫外线，对杀菌是无效的。
■1.3 产品优势
紫外线灯珠不仅杀菌效率高，而且不挑材质，操作也简单，只要把被消毒杀菌物品放入盒内，盖子合上，打开开关，就能解放双手，安心等待消毒了，方便省心。
便携式紫外线消毒杀菌牙套盒，可以在短时间内对牙套进行消毒杀菌，可充电循环利用，具有蓄电功能，出门直接携带，方便可靠。一个紫外线灯珠的寿命为10000 小时，足够牙齿矫正者在长达1～3 年的矫正期间使用。
2 硬件系统
■2.1 介绍
本设计的外观主体由上壳、中间上壳、隔板、中间下壳、电路板、下壳、螺丝七部分组成（如图1 所示），通过Solidworks 软件画出设计图。具有拆卸方便的优点，对其加工、组装拆卸和后期维修有利。
图1 机械示意图
本设计的硬件电路主要由STC89C52RC 单片机、可充电锂电池、红外检测模块、语音识别、微动开关、LED 指示灯、紫外线灯珠等部分组成，可以实现紫外线自动消毒杀菌功能。总开关控制整个电路的通断。电池使用可充电锂电池。三个LED 指示灯，三种颜色分别代表开关机、正在充电、紫外线正在工作三种状态。红外检测模块检测牙套盒中是否有牙套。微动开关检测盖子的打开与闭合。当红外检测到牙套存在且微动开关检测到盖子闭合时，延时三秒后自动启动紫外线消毒杀菌系统对牙套进行消毒杀菌。当忘记牙套盒的放置位置时，可通过语音呼叫及时找到。使用胶条密封隔板，防止水流到电路板。将抛光铝膜贴到上壳内壁、中间上壳内壁、隔板上壁，通过反射紫外线使牙套全方位消毒杀菌。
硬件结构框架如图2 所示。
图2 硬件结构框架图
图3 单片机控制电路
图4 锂电池充电示意图
图5 微动开关
图6 紫外线灯珠
图7 红外检测
■2.2 单片机控制电路
一般情况下，系统中所采用的MCS-51 单片机，其内部含有一块能够实现计算机全部基础功能的核心芯片，它把微处理器、定时器/计数器、存储器等结合起来，并将各种功能的输入输出总线也结合起来。随着技术的进步与发展，MCS-51 单片机的结构安排更加合理，它的功能相比以前来说也更加得繁多，同时该芯片还拥有更加智能化更加详细的指令，当然也增加了其他样式的电路单元，它拥有总数高达一百多条的指令。
MCS-51 这一系列单片机包含许多类型，如8031、8051、8751、8032、8052、8072 等。在本设计中选择的STC89C52RC，其性能与上述几种品种基本一致。
■2.3 可充电锂电池 TP4056
可充电锂电池TP4056 是一款完整的单节锂离子电池，它的便携功能得益于其封装性能以及较少的外部元件。TP4056 采用恒定电流电压线性充电器，可以适合USB 电源和适配器电源工作。由于采用了内部PMOSFET 架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。充电电流的自动调节功能源于其热反馈，以达到在大功率操作时或高环境温度条件下限制芯片温度的目的。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10 时，TP4056 将自动终止充电循环。当输入电压（交流适配器或USB 电源）被拿掉时，TP4056 自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2μA 以下。TP4056 在有电源时也可置于停机模式将其供电电流降至55μA。TP4056 的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED 状态引脚。
DW03D 监控电池的电压和电流，并通过断开充电器或负载，保护单节可充电锂电池不会因为过充电压、过放电压、过放电流以及短路等情况而损坏。这些功能都使可充电电池工作在指定的范围内。MOSFET 已内置，等效电阻典型值为50mΩ。
■2.4 微动开关
微动开关又叫灵敏开关，是一种具有微小接点间隔、快动机构并根据规定的行程、规定的力完成开关动作的接点机构，是用外壳覆盖且外部有驱动杆的一种开关。其工作原理和触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速的优点，是被选用于该设计的主要原因。
■2.5 紫外线灯珠
本设计中采用的紫外线灯珠是PU－S335SCL－P05P20，它将发光二极管与传统光源相结合，在寿命和亮度上较其他类型光源都有提升，可以应用于高效节能的杀菌和医疗，以及一些光学传感器、生物分析与检测等。它的紫外强度高，寿命可达10000 小时；波长为260nm～280nm；视角(2θ1/2=160deg)。
■2.6 红外检测 TCRT5000
TCRT5000 内部包括红外信号发射装置与红外信号接收装置，在工作过程中红外信号发射装置不断发射红外信号，当发射出的红外线被反射回来且红外信号接收装置接收到被发射出的红外信号时，亮起指示灯，并且将一个低电平信号传输到处理器中。该传感器的灵敏度可以根据电位器旋钮进行调节，其集成化设计便于安装调试。它可以在智能识别、智能控制、实验设计等众多领域被广泛地使用。
■2.7 SU-03T 语音模块
人类通常情况下通过语言、动作、表情等方式传递信息，其中最常用也最主要的表达方式是语言，现今世界科技发展链上语音识别技术成为了人工智能必不可少的研究部分。语音识别是人工智能中的开启点，它具有灵敏便捷的特点，不仅在人们的日常生活中使用，而且在军事上也具有极大的价值，所以在未来的发展中它会更吸引研究者。语音控制技术在衣食住行的方方面面都有着广泛应用，比如居家窗帘、机动车辆的自动导航功能、自动售票系统、智能手机的手机助手等。
SU-03T 具有低成本、低功耗、小体积的优势，在各类智能家居、家电、灯具等需要语音操控的产品设计中备受青睐。
3 系统软件设计
初始化各个模块。首先判断是否充电中，正在充电时关闭除电源外的所有模块，并且亮黄灯，当接收到充满电的信号反馈后亮绿灯。不充电时，先判断盒盖是否关闭，再判断盒中是否有牙套，当同时满足微动开关闭合和红外检测到信号时，紫外线灯开始自动工作三分钟，否则紫外线灯不工作。在不充电时，还可以通过语音模块识别“小盒子”语音信号，当识别到设置的信号后语音回复“我在这”。软件总体设计框架如图8 所示。
图8 软件流程图
4 系统安装与调试
首先，检查每个单元功能模块是否符合要求，在此基础上对系统进行初步调试。调试与硬件的制作同时进行以免导致问题发现得不及时，进而不利于后续的调试。
■4.1 系统的安装
4.1.1 元器件焊接技术
对元器件的排版要提前规划好，可以先打草稿，并且设计好各个引脚的位置以及想好怎样焊接更简单高效。
对焊接技术的掌握程度将会直接影响到该实物是否能实现功能。对于元器件的焊接，要满足电路的安全性，具体元器件在电路板上的稳定性，还要做到整洁美观。另外也要注意焊接技巧以及用电安全。
对于焊接质量要求所有的焊点必须牢固，没有虚焊，使用电烙铁时，在注意用电安全的前提下，保持一定的角度完成焊接，当焊锡在焊点达到饱和即达到圆润的外形时，电烙铁迅速离开，一般情况下，完成一个焊点大约需要三到五秒焊，如果焊接时间过长，则会对焊盘以及元器件造成损坏，如果时间过短则会出现虚焊现象。
为保证元器件在电路板上的稳定性，要尽可能地减小元器件的高度。过高有可能会造成元器件的脱落，甚至造成引脚的断裂。另外如果稳定性不好，还会造成与相邻元器件接触导致短路的现象。在进行焊接时，要按照从低到高的顺序完成，比如先焊接电阻类的器件，这类器件短小且引脚少，然后对一些电容器件或者插座进行焊接，最后焊接相对较高大的器件。这是根据人们总结得出的焊接顺序的规律，如果不按该顺序，将会在焊接过程中发现焊接的难度变大，并且在后续使用过程中元器件出现需要更换时，也存在一定的难度。
4.1.2 全面检查
焊接完成后，进行电路板的全面检查，从电源正负极出发，逐条逐点地检查，避免因虚焊或者漏焊而造成对整个电路的影响。在检查过程中，通过万用表辅助检查是否有短路断路现象的存在，甚至元器件接触的问题。首先，接通电源后对各个元器件的引脚进行测量，同时比对正常工作情况下的电压范围，另外对特殊元器件进行记录数据，当出现异常数据时，及时做出分析并对其进行修改，修改后再次检验直至正常运行。然后对相邻元器件进行检查，若出现相邻引脚之间电阻无穷大的现象，则说明两引脚之间出现了问题，及时修正并再次检查。
■4.2 调试
首先是将焊接好的元器件整体进行调试。打开总开关，绿灯亮，表示为开机状态。微动开关闭合或红外检测到牙套，没有工作显示，当微动开关闭合且红外检测到牙套时，延时三秒后紫外线灯开始工作，时长3 分钟，在此工作状态时，红灯亮。充电时，其他输出均不响应，黄灯亮。通过语音呼叫“小盒子”可以寻找到它的位置。
然后将硬件装入盒中进行调试，调试过程同上，各个功能皆可实现。
5 总结
本设计实现了紫外线灯珠对牙套的消毒杀菌。采用微处理器来控制红外检测模块、微动开关、语音识别模块等，使矫正牙齿的用户能够对牙套和口腔的健康安全更加放心。
图9 硬件图
图10 实物图
图11 充电状态
结论如下：总开关控制整个电路的通断。三个LED 指示灯，三种颜色分别代表开关机、正在充电、紫外线正在工作三种状态。红外检测牙套盒中是否有牙套。微动开关检测盖子的打开与闭合。当红外检测到牙套存在且微动开关检测到盖子闭合时，延时三秒后自动启动紫外线消毒杀菌系统对牙套进行消毒杀菌。当要找盒子时，可通过语音呼叫及时找到。
