XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бесконтактный электронный дезинфектор для рук "Бегемот -1"»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Цель и задачи исследования: Создать бесконтактное , автоматизированное устройство дезинфекции рук для того, чтобы поддерживать гигиену рук и защититься от распространения различных болезнетворных микроорганизмов в помещениях, в том числе и с высокой проходимостью, например, на производстве, в лечебых учрежденях, в детских и учебных заведениях, в аэропортах и др местах.
Гипотеза: гигиена рук- является эффективным средством в борьбе с наиболее распространенными болезнетворными бактериями и вирусами. Если использовать бесконтактный электронный дезинфектор в местах с большой проходимостью людей: коридорах организаций, офисах, на проходных и контрольно пропускных пунктах, а также и в других местах, то можно заметно снизить вероятность распространения различных инфекций. Подача антисептического ,дезинфицирующего раствора осуществляется без прикосновений к деталям системы, что полностью защищает от перекрестного заражения. Устройство БЭД позволит быстро обработать руки и экономно расходовать дезинфицирующий раствор.
Предмет исследования: бесконтактныйэлектронный дезинфектор для рук.
Этапы работы, процедура исследования:
- определение проблемы.
- формулировка идеи построения устройства , для бесконтактного дезинфектора.
- разработка и формулировка принципа действия устройства.
-выбор технического решения
-проведение экспериментов, для разработки электронной части бесконтактного электронного дезинфектора ,изготовление и сборка печатной платы устройства и его корпуса.
- написание кода программы для бесконтактного дезинфектора .
-испытание и наладка рабочего образца.
-выдача рекомендаций по практическому использованию дезинфектора.
Методика эксперимента:
- поставить задачу эксперимента.
- подготовить материалы и оборудование.
- проведение эксперимента.
- запись и анализ результатов.
Актуальность: Регулярное мытье рук – самый эффективный и доступный метод профилактики вирусных инфекций в разгар эпидемии. Находясь в супермаркете или другом общественном месте, вам придется прикасаться к дверным ручкам, денежным купюрам и другим предметам, с которыми возможно контактировал инфицированный человек. Поэтому при коронавирусе обработка рук антисептиком приобретает первостепенное значение. Регулярная дезинфекция рук бесконтактным способом является необходимой мерой борьбы с распространением вирусных заболеваний, так как снизит количество контактов с возможно зараженными поверхностями. Поэтому тема проекта является актуальной.
Новизна: Данное устройство отличается многофункциональностью, универсальностью , небольшими габаритными размерами и массой, доступной ценой. Подача антисептика осуществляется без прикосновений к устройству , что полностью защищает от перекрестного заражения. Помимо надежной конструкции и длительного гарантийного срока, имеется наличие удобной электронной системы индикации и управления. Она сигнализирует в случае снижения количества антибактериального раствора ниже определенного объема и автоматически отключает электронасос подачи раствора. Разработанное электронное устройство для дезинфектора является интеллектуальным, т.к. содержит микроконтроллер и сложные узлы обработки сигналов, обеспечивающие управление устройством и индикацию. Специальный бачек устройства может применятся для любых видов антисептика.
Практическая значимость (область практического использования результатов): Бесконтактный способ дезинфекции – это инновационное решение, поддерживающее гигиену рук, обеспечивающее защиту от бактерий и вирусов. Бесконтактный дезинфектор с антисептиком размещается, где необходимо оперативно обработать руки: на фудкортах развлекательных и торговых центров, в залах ресторанов, кафе, лобби-барах,в детских и образовательных учреждениях, в аэропортах , залах ожидания, др. местах скопления людей .Идеально подходит для использования в помещениях с большой проходимостью. Является эффективным средством в борьбе со всеми вредными микроорганизмами, удобен в использовании. Также удобство при отсутствии туалетных комнат, нет необходимости ожидать очереди в туалет для мытья рук в учреждениях. Болезнетворные микроорганизмы скапливаются на различных поверхностях, контакт с ними провоцирует развитие опасных заболеваний. БЭД - это прекрасная альтернатива обычному мытью рук и эффективное средство в борьбе с самыми распространенными болезнетворными микроорганизмами.
1. Актуальность бесконтактного электронного дезинфектора для рук"Бегемот-1" (далее в тексте – БЭД) в общественных местах и в быту.
1.2 Современные аспекты гигиены рук
Согласно данным ВОЗ, гигиена рук – наиболее эффективный метод борьбы с распространением 80% возбудителей опасных инфекционных болезней[1]. Но в общественных местах, офисах и других учреждениях не всегда есть возможность своевременно мыть руки. Использование бесконтактных дезинфекторов с антисептиками в разы эффективнее, чем использование спиртосодержащих «влажных» салфеток, которых недостаточно для надежной дезинфекции.
Регулярное мытье и обработка рук антисептиком – самый эффективный и доступный метод профилактики вирусных инфекций в разгар эпидемии. На сегодняшний день новый штамм вируса COVID-19 опасен не только серьезными осложнениями, но и легкостью передачи инфекции от одного человека к другому. Опасность COVID-19 это- бессимптомное течение болезни. Больные с отсутствием кашля и высокой температуры, продолжают ходить на работу и вести активную жизнь, подвергая риску заражения окружающих людейДо сих пор используются в основном дезинфекторы для рук контактной конструкции: это обычные флаконы с дозаторами или конструкции с локтевым нажатием, не всегда соответствующие требованиям современной обработки рук.
Предлагаемая разработка представляет собой бесконтактный способ обработки рук при помощи электронного устройства (БЭД) Бегемот1.Главное достоинство которого – бесконтактная подача антисептического средства. Достаточно поднести руки к устройству, и оно выдаст дезинфицирующий раствор. Пользователям нет необходимости прикасаться к элементам системы, что гарантирует защиту от перекрестного заражения.
Это прекрасная альтернатива обычному мытью рук и эффективное средство в борьбе с болезнетворными микроорганизмами. Антисептические растворы, подаваемые бесконтактно, мгновенно уничтожают микробы, в том числе вирусы с грибками. Благодаря высокой производительности обработки рук при небольшой стоимости устройства, может широко использоваться для залов заведений общественного питания, торговых и развлекательных центров, детских и образовательных учреждений и многих других общественных местах.
1.3 Сравнение бесконтактного электронного дезинфектора для рук"Бегемот-1" с существующими на данный момент аналогами.
Ассортимент производимых автоматических дезинфекторов достаточно велик. Хотя конструктивно они достаточно схожи, технические детали могут сильно отличаться. Наиболее важные характеристики:
Габариты. Чем больше размер аппарата – тем сложнее его будет установить, он будет занимать больше полезного пространства. Небольшие агрегаты также имеют недостаток – небольшой запас антисептика, их нужно чаще обслуживать.
Эргономика. На удобство в основном влияет месторасположение и ориентация места для дезинфекции рук, а также габариты и особенности дизайна устройства.
Запас дезраствора. Чем больше объем для канистры в аппарате – тем, соответственно, реже потребуется проводить обслуживание и замену канистры с антисептиком.
Возможность регулировки подачи антисептика. Не все устройства оснащаются этой полезной функцией, которая нужна для изменения дозировки распыляемого дезраствора в зависимости от его состава и концентрации.
Слив. В конструкции необходимо предусматривать слив или поддон , т.к. остатки антисептика остаются в камере и если аппаратом пользуется большое число людей, то внутри устройства будет скапливаться остатки антисептика.
Удобство обслуживания устройства. Поддон для обработки необходимо своевременно убирать и обрабатывать. Некоторые бесконтактные аппараты дезинфекции не предусматривают такой возможности, у них могут повредиться датчики или туда может затечь вода. Не стоит забывать, что бесконтактный дезинфектор для рук производится для гигиены, а не для распространения бактерий.
Во многих дезинфекторах для распыления дезраствора используется инжекторная система с мощными форсунками, что обеспечивает равномерное «измельчение» жидкого антисептика и его распределение по поверхности рук. Но малое количество раствора в стандартной дозе для обработки (менее 1 мл) и невозможность использовать более емкие канистры (используется стандартная на 5 л), сводит на нет это преимущество в отличии от дезинфектора
БЕД " Бегемот -1"
Сравнение бесконтактных дезинфекторов
Рассмотрим несколько существующих устройств: 1Модель 1 2. Модель 2
3.Модель 3 4. Бесконтактный электронный дезинфектор для рук"Бегемот-1"
Ниже будет приведена таблица плюсов и минусов этих устройств
|
Фото и описание устройства |
Наименование |
Плюсы |
Минусы |
|||||||||||
|
Напольный дезинфектор и металла |
Модель 1 |
|
Дороговизна Если нет возможности выделить под установку аппарата площадь 0,2 кв.м – этот аппарат не подойдет Только сменные канистры Риск травмирования при установке в дошкольных учреждениях |
|||||||||||
|
Настольный дезинфектор с рамкой |
Модель 2 |
Заправка осуществляется доливкой антисептика в стационарную емкость. |
Риск травмирования при установке в дошкольных учреждениях Неустойчивая конструкция Отсутствие регулировки подачи антисептика |
|||||||||||
|
Настенный небольшой дезинфектор корпус с объемом 250 мл |
Модель 3 |
Металлическая крышка Три режима дозирования Защита от случайного срабатывания Световой индикатор Датчик автоматического отключения питания при открывании крышки |
Маленький обьем раствора Не для массового использования |
|||||||||||
|
Бесконтактный электронный дезинфектор для рук"Бегемот-1" |
Универсальность , возможность установки как на стену и на стол Экономичный , возможность выставить настройки раствора от 1 до 5 мл. Индикаторная сигнализация и Автоматическое отключение электронасоса при окончании раствора в баке Индикаторная сигнализция на выход из строя устройства Имеется возможность дезинфекции нижнего поддона остатков антисептика. Оптимальная цена |
Нет автономного питания |
Изучив эту таблицу, можно сделать вывод, что наш БЭД "Бегемот -1" отличается многофункциональностью, универсальностью, большим выбором и гибкостью настроек параметров, небольшими габаритными размерами и массой. БЭД способен работать с различными производителями антисептиков для рук, так как имеет бачек для антисептика. Удобный дизайн устройства может использоваться в детских учреждениях. Имеется функция автоматического отключения электронасоса при окончании антисептика в баке.
2. Формулировка требуемых потребительских параметров.
2.1 Формулировка требуемых потребительских параметров устройства. 1.БЭД "Бегемот -1" должен отличаться высокой надежностью и стабильностью.2. Добавочные узлы не должны понижать надёжность БЭД в целом.3. БЭД должен, кроме бесконтактного распыления антисептика и индикации о его окончании, уметь автоматически отключать элетронасос .4. Каждый узел БЭД должен отличаться высокой механической прочностью и потреблять минимум электроэнергии .5.БЭД должен иметь гибкий и удобный интерфейс настроек с хорошей проработкой всех нюансов эксплуатации и оптимальные размеры корпуса.
6. В идеале, желательно иметь корпус для БЭД в виде фигурки Бегемота - это привлечет внимание как детей так и взрослых ,а следовательно увеличится количество обработок рук , тем самым снизится риск заражения вирусными заболеваниями.
2.2 Выбор принципов реализации устройства.
По итогу исследовательских работ было выявлено 3 технических решения: 1) Изготовление устройства БЭД при помощи ЛЕГО-конструктора.
Достоинства: 1. простота сборки и наладки
2. простота выявления и устранения неисправностей
Недостатки: 1. Невозможность массового производства;
2. Большая масса конструкции и громоздкость;
3. Большая стоимость устройства в целом;
4. низкая надежность и стабильность
2) Изготовление устройства БЭД с использованием платформы «Ардуино».
Достоинства: 1. простота сборки и наладки
2. простота выявления и устранения неисправностей
Недостатки: 1. Невозможность массового производства;
2. Дороговизна.
3. низкая надежность и стабильность
3) Изготовление устройства БЭД на основе отдельного микроконтроллера общего применения.
Достоинства: 1. Возможность массового производства.
2. Низкая стоимость.
Недостатки: 1. высокая сложность проектировки схем и плат устройства, 2. для разработки, наладки, сборки и ремонта нужен высокий порог знаний
Принцип работы БЭД для рук заключается в дезинфекции рук, при котором данное устройство включается автоматически при срабатывании ультразвукового датчика нахождения рук под соплом дезинфектора. Имеется система настроек количества подаваемого раствора и выставление времени промежутков между распылениями. Разработан и внедрен бес поплавковый автоматической способ остановки электронасоса при окончании антисептика в баке, а также в конструкции используется не погружной, а наружный электронасос, что значительно увеличивает срок службы дезинфектора для рук. В данном устройстве разработана система сигнализации неполадок дезинфектора и окончания антисептика в баке.
Бачок является универсальным и подходит для любых видов антисептика.
При первом включении БЭД загорается зеленый индикаторсигнализируя о достаточном количестве раствора в баке и об исправности всего дезинфектора. При поднесении рук под сопло дезинфектора на руки автоматически мелкодисперсно распыляется антисептик .Емкость стандартной канистры невелика – до 2.5литров но этого объема хватает на обработку рук от 800 до 1500 раз, в зависимости от выбранной дозировки. Дозировку можно регулировать от 1мл до 10 мл. Что позволит экономить расход антисептического раствора.
2.3 Разработка структурных схем устройства.
И сходя из выбранных принципов реализации, структурная схема БЭД должна выглядеть следующим образом: Рис 2.1
Структурная схема БЭД (рисунок 2.1) содержит : МСU- микроконтроллер, УЗД- ультразвуковой датчик наличия руки, ДЖМ-джампера для выбора режима , ИНД-индикатор наличия жидкостей в баке, ИНД- индикатор статуса работы устройства , БУН-блок упрвления насосом , ЭЛН-электронасос , БПУ-блок питания.
Ядром дезинфектора является микроконтроллер MCU, который управляет практически всеми узлами схемы прибора: индикаторами, датчиком, и отключением электронасоса по окончании дез средства в баке. Основными задачами MCU являются сбор информации с датчика, обработка полученной информации и её индикация.
Разработка принципиальных схем узлов БЭД
Принципиальные схемы не представлены, т.к. подана заявка на патент.
2.5 Разработка конструкции и дизайна устройства БЭД.
Конструкция БЭД содержит : Электронную часть: основной микроконтроллер, ультразвуковой датчик, индикаторы контроля уровня раствора и неполадок , устройство для управления электронасосом , блок питания; и рабочую часть : емкость для наполнения раствора ,электронасос внешний на 40 ВТ соединенный посредством шлангов с емкостью и соплом , а также с помощью клем с электронной частью устройства , а так же разъем для блока питания.
Для принятия решения об изготовлении корпуса и устройства в целом , а так же для его тестирования и выявления всех недостатков было изготовлено постепенно исключая недостатки 3 разных прототипа дезинфектов
Прототип №1
В конструкции были применены
инфракрасные датчики для
обнаружения рук, которые
себя плохо зарекомендовали -
устройство не всегда срабатывало ,
Электронная часть устройства часто
давала помехи ,из-за этого частые
непроизвольныесрабатывания
распылений .
Был использован погружной электронасос.
Было решено переделать устройство
в прототип №2исключив все обнаруженные
недостатки
Прототип №2 Прототип №3
В прототипе № 2 полностью переработана принципиальная схема и концепт работы устройства : устройство стало помехоустойчивым и перестало "гадить" в сеть, заменены датчики : инфракрасные на ультразвуковые , использован бачек на 5 л и погружной электронасос . После неоднократных тестирований были выявлены следующие недостатки конструкции : при окончании антисептика в баке электронасос продолжает работать что значительно сокращает срок службы устройства, погружной электронасос под действием спиртсодержащих антисептиков за 2 месяца полностью вышел из строя. Было решено разработать прототип №3.
В прототипе №3 заменена емкость с 5 л бачка на 2,5 литра ,электронасос поменяли на наружный и переработана принципиальная схема устройства , внедрен способ отключения электронасоса при окончании антисептика в баке, добавлена индикация окончания раствора в баке, индикация поломки устройства.
Т еперь устройство работает без сбоев, имеет полную ЭМС (Электромагнитная совместимость), соблюдены все требуемые потребительские параметры устройства.
Прототип №4:
Было принято решение все основные компоненты рабочую часть всей конструкции поместить в корпус с небольшим размером 250х200х235 . В верхней части разместить
электронную часть устройства и сопло. На разместить поддон для остатков раствора после обработки рук. Поддон является съемной
конструкцией , что удобно для
обработки и дезинфекции самого
дезинфектора. Корпус решено изготовить из пищевого безопасного
пластика . Это решение позволит использовать БЭД не только в быту и на производствах , но и в детских и лечебных учреждениях.
2.6 Написание программы кода программы БЭД на языке высокого уровня BASCOM-AVR.
Для правильной работы Дезинфектора необходимо запрограммировать микроконтроллер системы. Ядром БЭД является микроконтроллер MCU, который управляет практически всеми узлами схемы прибора: индикаторами, датчиками и прочей периферией . Основными задачами MCU являются сбор информации с датчиков, обработка полученной информации и её индикация , отключение электронасоса при пустой емкости для раствора антисептика.
Коды программ не приведены т.к, подана заявка на патент
2.7 Изготовление, испытание и наладка и устройства БЭД.
1. Изготовлена печатная плата :распечатка и вырезка утюжного шаблона печатных плат, подготовка стеклотекстолита, его вырезка, шлифование и обработка хим. препаратами, наложение на обработанные куски стеклотекстолита, утюжка «сендвичей» ,травление, снятие тонера с готовых дорожек ,лужение медных дорожек, формовка и впайка деталей.
2. В процессе проектирования системы проведена настройка аналоговой части устройства. Обработка данных была симулирована в специализированной программе компьютера по разработке программного обеспечения для AVR микроконтроллеров. Проведено испытание и наладка устройства: прозвонка печатной платы с деталями, проверка и испытание исправности всех узлов платы и системы , настройка микроконтроллера
Фото :Пример испытание узла для отключения электронасоса.
3. Разработка инструкции эксплуатации БЭД.
Инструкция по эксплуатации БЭД включает в себя несколько пунктов, которые ниже будут расписаны в подробностях:
3.1 Настройка прибора. Для настройки прибора выполнить нижеуказанные операции:
3.1.1 Подать на прибор питание 12 В ,нажать на кнопку включения, убедиться, что устройство включено - загорится зеленый индикатор.
3.1.2. Настроить режим подачи антисептика при помощи джемперов.
3.2.При появлении неисправности в работе устройства, загорается красный индикатор, который продолжает гореть до устранения неисправности.
3.2.1 Типы неисправностей:
3.2.1.1 Отсутствие антисептика в баке.
3.2.1.2 Выход из строя УЗД
3.2.1.3 Время распыления выставлено на 0 - электронасос отключен
Заключение.
С детства мы слышим «Вымой руки». И помним строки из "МойДодыра"Я - Великий Умывальник,
Знаменитый Мойдодыр,
Умывальников Начальник
И мочалок Командир!
В 2020 году сказка Корнея Чуковского обрела новую жизнь. Теперь Бесконтактные дезинфекторы — это роботы, автоматы для гигиены рук. Это реальность, которая входит в нашу жизнь. Это прекрасная альтернатива обычному мытью рук и эффективное средство в борьбе с самыми распространенными болезнетворными микроорганизмами. Затраты на приобретение бесконтактного дезинфектора для рук Бегемот-1 несоизмеримы с затратами на борьбу с последствиями различных вирусных инфекций.
Литература:
1.Гигиена рук в здравоохранении Автор: Кампф Г. Издательство: К.: Здоровья Год выпуска: 2005
2.. Афиногенов Г.Е., Афиногенова А.Г. Современные подходы к гигиене рук медицинского персонала. 2014. Т.
3. «Технология производства печатных плат» А.С.Медведев 2008г.
4.«Сборка и монтаж электронных устройств» А.С.Медведев 2009г
5. А.В. Нефедов В.И. Гордеева. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги. Справочник 3 изд.,1990 г -318 с
6. В.Г.Борисов «Юный радиолюбитель» 1985г. -5 с,-21с, -29 с,- 45 с, 56с ,126с
7. Ф.В.Голомедов «Мощные полупроводниковые приборы и диоды» 1985г. - 6-33с
8.А.Почепа проверка исправности электрорадиодеталей в домашних условиях 1968 г – 5с ,-61 с,63 с
9.Справочник Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы…
10.Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.1. – М.: ООО «ИД Скимен», 2002. – 336 с., илл.
11. Сташин В.В. и др. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах/ В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. – М.:Энергоатомиздат, 1990. – 224 с
11. Справочник. Микроконтроллеры : архитектура, программирование, интерфейс. Бродин В.Б., Шагурин М.И.М.:ЭКОМ, 1999.
Дополнительная литература :
1. «Полупроводниковая схемотехника» издание 12, 2008г. У.Титце и К.Шенк.
2. «Физика 10-11 класс» Б.Конгарт, В.Кем, Н.Койшыбаева.
3. «Школа радиолюбителей» Г.П.Гендин 2003г.
4 .«Справочная книга радиолюбителя - конструктора» под редакцией Н. И. Чистякова. 1990г