基于 ATMEGA168 单片机的消毒机系统设计与实现

一、设计概述

本设计以 ATMEGA168 单片机为核心，针对公共场所 / 家庭场景的消毒需求，实现一款集定时消毒、人体感应防护、多模式消毒、状态显示 于一体的智能消毒机系统。系统支持紫外线 / 臭氧两种主流消毒方式（可按需选配），通过人体红外传感器实现 "有人即停" 的安全防护，同时提供按键设置消毒时长、蜂鸣器报警、LED 状态指示等功能，兼顾实用性与安全性。

核心功能

消毒模式控制：支持紫外线消毒、臭氧消毒、组合消毒三种模式，可通过按键切换；
定时功能：0~60 分钟可调消毒时长，到达设定时间自动停止消毒；
安全防护：人体红外感应（PIR）检测到有人时，立即停止消毒并报警，防止紫外线 / 臭氧伤害；
状态指示：LED 灯显示当前工作模式、消毒倒计时、异常状态；
报警提示：人体闯入、超时工作、设备故障时蜂鸣器报警；
手动控制：按键启停消毒、调整时长 / 模式，紧急停止按键（急停）。

二、硬件选型与电路设计

1. 核心硬件清单

模块	型号 / 规格	作用
主控单片机	ATMEGA168PA-AU（8 位 AVR）	数据处理、逻辑控制
消毒模块	紫外线灯（12V）/ 臭氧发生器（5V）	执行消毒动作
人体感应传感器	HC-SR501（PIR）	检测人体靠近
驱动模块	继电器模块（5V/2 路）	驱动紫外线灯 / 臭氧发生器
显示模块	四位数码管（共阴 / 共阳）	显示消毒时长 / 倒计时
按键	轻触按键 ×4（模式 / 加 / 减 / 启停）	手动设置参数、控制设备
蜂鸣器	无源蜂鸣器（5V）	报警提示
状态 LED	红 / 绿 / 蓝 LED×3	指示模式 / 异常状态
电源模块	220V 转 12V/5V 适配器	为系统供电
保险丝	500mA 保险丝	过流保护

2. 核心电路设计

ATMEGA168 核心资源：14 路数字 I/O、8 路 10 位 ADC、3 路定时器 / 计数器，满足系统需求。

（1）主控电路（最小系统）

电源：5V 直流供电，VCC 接 5V，GND 共地；
晶振：16MHz 外部晶振（XTAL1/XTAL2），搭配 22pF 电容接地，保证时钟稳定；
复位：RESET 引脚接 10K 上拉电阻，并联轻触按键（按下接地），实现手动复位；
ISP 下载：PC0~PC3（SPI 接口），用于程序烧录。

（2）外设连接电路

外设	连接引脚（ATMEGA168）	备注
PIR 传感器	数字引脚 D2（INT0）	中断触发，有人时立即响应
紫外线继电器	数字引脚 D3	高电平吸合，驱动 12V 紫外灯
臭氧继电器	数字引脚 D4	高电平吸合，驱动 5V 臭氧发生器
数码管段选	D5~D11（a~g + 小数点）	7 段 + 小数点，共 8 路
数码管位选	A0~A3（PC0~PC3）	四位数码管独立控制
模式按键	D12	下拉电阻，按下接 5V
加键	D13	下拉电阻，按下接 5V
减键	A4（PC4）	下拉电阻，按下接 5V
启停 / 急停键	A5（PC5）	下拉电阻，按下接 5V
蜂鸣器	A6（PC6）	三极管驱动，PWM 发声
状态 LED（红）	A7（PC7）	串联 220Ω 限流电阻
状态 LED（绿）	D0	串联 220Ω 限流电阻
状态 LED（蓝）	D1	串联 220Ω 限流电阻

（3）关键防护电路

紫外线 / 臭氧继电器：触点并联 1N4007 续流二极管，防止感性负载反向电动势损坏继电器；
电源输入端：串联保险丝，并联 0.1μF 滤波电容，降低电压波动；
PIR 传感器：输出端串联 1K 限流电阻，防止过流损坏单片机 I/O 口。

3. 电路原理图（简化框架）

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ATMEGA168最小系统
  |-- 16MHz晶振（XTAL1/XTAL2）+ 22pF电容
  |-- RESET（上拉10K + 复位按键）
  |-- ISP下载（PC0~PC3）
  |-- D2 → HC-SR501输出（INT0中断）
  |-- D3 → 紫外线继电器控制端 → 12V紫外灯
  |-- D4 → 臭氧继电器控制端 → 5V臭氧发生器
  |-- D5~D11 → 数码管段选（a~g+dp）
  |-- PC0~PC3 → 数码管位选（四位）
  |-- D12/D13/PC4/PC5 → 模式/加/减/启停按键
  |-- PC6 → 蜂鸣器（NPN三极管驱动）
  |-- PC7/D0/D1 → 红/绿/蓝状态LED
  |-- VCC → 5V电源，GND → 共地
220V→12V适配器 → 12V紫外灯 + 12V转5V模块 → 单片机/传感器供电

三、软件设计

1. 开发环境与核心资源

开发环境：Atmel Studio 7.0（或 Arduino IDE，需安装 ATMEGA168 支持）；
编程语言：C 语言（AVR-GCC 编译器）；
核心资源：
- 定时器：Timer0（8 位）实现 1ms 系统时钟，Timer1（16 位）实现倒计时；
- 外部中断：INT0（D2）响应 PIR 人体感应；
- GPIO：数字 I/O 控制继电器、按键、LED；
- SPI：可选扩展（本设计暂未使用）。

2. 程序架构

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主程序流程：
1. 初始化：
   a. 端口初始化（I/O方向、上拉/下拉）；
   b. 定时器初始化（1ms中断、倒计时计时）；
   c. 外部中断初始化（INT0下降沿触发，PIR检测）；
   d. 数码管/LED初始化（默认显示00:00，绿灯常亮）；
   e. 变量初始化（默认模式：紫外线，时长：15分钟，状态：待机）。
2. 主循环：
   a. 按键扫描：检测模式/加/减/启停键，更新消毒模式/时长；
   b. 状态机处理：
      - 待机状态：响应按键，修改参数，数码管显示设定时长；
      - 运行状态：启动继电器，数码管倒计时，检测剩余时间；
      - 报警状态：人体闯入/故障，停止消毒，蜂鸣器报警，红灯闪烁；
   c. 倒计时更新：每秒刷新数码管显示；
   d. 状态LED更新：不同模式对应不同LED颜色（紫外-蓝，臭氧-绿，组合-紫）；
3. 中断服务函数：
   a. INT0中断（PIR触发）：立即停止消毒，进入报警状态；
   b. 定时器中断：1ms计时，实现秒级倒计时、按键消抖。

3. 核心代码示例（AVR C）

运行

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#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>

// 引脚定义
#define PIR_PIN     PD2    // INT0，PIR传感器
#define UV_RELAY    PD3    // 紫外线继电器
#define OZONE_RELAY PD4    // 臭氧继电器
#define BUZZER      PC6    // 蜂鸣器
// 数码管段选（a~g+dp）：D5~D11对应PORTD5~D7 + PORTB0~B3
#define SEG_PORT_D  PORTD
#define SEG_PORT_B  PORTB
// 数码管位选：PC0~PC3
#define BIT_PORT    PORTC
// 按键引脚
#define KEY_MODE    PD12   // 模式键
#define KEY_ADD     PD13   // 加键
#define KEY_SUB     PC4    // 减键
#define KEY_START   PC5    // 启停键

// 全局变量
typedef enum {
  MODE_STANDBY,    // 待机
  MODE_UV,         // 紫外线消毒
  MODE_OZONE,      // 臭氧消毒
  MODE_COMBO,      // 组合消毒
  MODE_ALARM       // 报警
} WorkMode;

WorkMode currentMode = MODE_STANDBY;
uint16_t setTime = 15;    // 默认消毒时长（分钟）
uint16_t remainTime = 0;  // 剩余时间（秒）
bool isRunning = false;   // 运行状态
bool pirDetect = false;   // 人体感应标志

// 数码管段码表（共阴，0~9，带小数点）
uint8_t segCode[16] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71};

// 延时函数（简易）
void delay_ms(uint16_t ms) {
  while(ms--) _delay_ms(1);
}

// 端口初始化
void port_init() {
  // 输出端口：继电器、蜂鸣器、数码管、LED
  DDRD |= (1<<UV_RELAY)|(1<<OZONE_RELAY)|0xF8; // D3-D4输出，D5-D7输出（段选）
  DDRB |= 0x0F; // B0-B3输出（段选）
  DDRC |= (1<<BUZZER)|0xFF; // PC0-PC7输出（位选+蜂鸣器+LED）
  // 输入端口：PIR、按键（上拉电阻）
  DDRD &= ~((1<<PIR_PIN)|(1<<KEY_MODE)|(1<<KEY_ADD));
  DDRC &= ~((1<<KEY_SUB)|(1<<KEY_START));
  PORTD |= (1<<PIR_PIN)|(1<<KEY_MODE)|(1<<KEY_ADD); // 上拉
  PORTC |= (1<<KEY_SUB)|(1<<KEY_START);             // 上拉
}

// 定时器初始化（1ms中断）
void timer_init() {
  TCCR0A = (1<<WGM01); // CTC模式
  TCCR0B = (1<<CS01)|(1<<CS00); // 64分频，16MHz→250KHz
  OCR0A = 249; // 250KHz / 250 = 1KHz → 1ms中断
  TIMSK0 = (1<<OCIE0A); // 使能比较匹配中断
  sei(); // 开启全局中断
}

// 外部中断初始化（INT0，PIR触发）
void interrupt_init() {
  EICRA = (1<<ISC01)|(1<<ISC00); // 上升沿触发（PIR检测到人时输出高电平）
  EIMSK = (1<<INT0); // 使能INT0中断
}

// 数码管显示函数（显示分钟:秒，如15→0015，5分30秒→0530）
void display(uint16_t time) {
  uint8_t min = time / 60;
  uint8_t sec = time % 60;
  uint8_t num[4] = {min/10, min%10, sec/10, sec%10};
  
  for(uint8_t i=0; i<4; i++) {
    // 段选输出
    SEG_PORT_D = (segCode[num[i]] & 0xE0) | (SEG_PORT_D & 0x1F); // D5-D7
    SEG_PORT_B = (segCode[num[i]] & 0x1F) | (SEG_PORT_B & 0xE0); // B0-B3
    // 位选输出（仅当前位亮）
    BIT_PORT &= ~0x0F;
    BIT_PORT |= (1<<i);
    delay_ms(1); // 消影延时
  }
  BIT_PORT &= ~0x0F; // 关闭所有位
}

// 按键扫描函数
void key_scan() {
  // 模式键
  if(!(PIND & (1<<KEY_MODE))) {
    delay_ms(20); // 消抖
    if(!(PIND & (1<<KEY_MODE))) {
      switch(currentMode) {
        case MODE_STANDBY: currentMode = MODE_UV; break;
        case MODE_UV: currentMode = MODE_OZONE; break;
        case MODE_OZONE: currentMode = MODE_COMBO; break;
        case MODE_COMBO: currentMode = MODE_STANDBY; break;
        default: currentMode = MODE_STANDBY;
      }
      while(!(PIND & (1<<KEY_MODE))); // 等待释放
    }
  }
  
  // 加键（时长+1分钟，最大60）
  if(!(PIND & (1<<KEY_ADD)) && currentMode == MODE_STANDBY) {
    delay_ms(20);
    if(!(PIND & (1<<KEY_ADD))) {
      setTime = (setTime + 1) % 61;
      if(setTime == 0) setTime = 1;
      while(!(PIND & (1<<KEY_ADD)));
    }
  }
  
  // 减键（时长-1分钟，最小1）
  if(!(PINC & (1<<KEY_SUB)) && currentMode == MODE_STANDBY) {
    delay_ms(20);
    if(!(PINC & (1<<KEY_SUB))) {
      setTime = (setTime - 1) % 61;
      if(setTime == 0) setTime = 60;
      while(!(PINC & (1<<KEY_SUB)));
    }
  }
  
  // 启停键
  if(!(PINC & (1<<KEY_START))) {
    delay_ms(20);
    if(!(PINC & (1<<KEY_START))) {
      isRunning = !isRunning;
      if(isRunning) {
        remainTime = setTime * 60; // 转换为秒
        // 根据模式启动继电器
        switch(currentMode) {
          case MODE_UV: PORTD |= (1<<UV_RELAY); break;
          case MODE_OZONE: PORTD |= (1<<OZONE_RELAY); break;
          case MODE_COMBO: PORTD |= (1<<UV_RELAY)|(1<<OZONE_RELAY); break;
          default: isRunning = false;
        }
      } else {
        // 停止所有继电器
        PORTD &= ~((1<<UV_RELAY)|(1<<OZONE_RELAY));
        remainTime = 0;
      }
      while(!(PINC & (1<<KEY_START)));
    }
  }
}

// 报警函数（蜂鸣器响+红灯闪烁）
void alarm() {
  PORTC |= (1<<PC7); // 红灯亮
  PORTC ^= (1<<BUZZER); // 蜂鸣器翻转
  delay_ms(200);
  PORTC &= ~(1<<PC7); // 红灯灭
  delay_ms(200);
}

// 外部中断服务函数（PIR检测到人）
ISR(INT0_vect) {
  if(isRunning) {
    currentMode = MODE_ALARM;
    isRunning = false;
    PORTD &= ~((1<<UV_RELAY)|(1<<OZONE_RELAY)); // 停止消毒
    pirDetect = true;
  }
}

// 定时器中断服务函数（1ms）
ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
  static uint16_t cnt = 0;
  cnt++;
  if(cnt >= 1000) { // 1秒
    cnt = 0;
    if(isRunning && remainTime > 0) {
      remainTime--;
      // 倒计时结束
      if(remainTime == 0) {
        isRunning = false;
        PORTD &= ~((1<<UV_RELAY)|(1<<OZONE_RELAY));
        currentMode = MODE_STANDBY;
      }
    }
  }
}

// 主函数
int main(void) {
  port_init();
  timer_init();
  interrupt_init();
  
  while(1) {
    key_scan(); // 按键扫描
    
    switch(currentMode) {
      case MODE_STANDBY:
        PORTC |= (1<<PC0); // 绿灯亮
        display(setTime * 60); // 显示设定时长
        break;
      case MODE_UV:
        PORTC |= (1<<PC1); // 蓝灯亮
        if(isRunning) display(remainTime);
        else display(setTime * 60);
        break;
      case MODE_OZONE:
        PORTC |= (1<<PC2); // 绿灯亮
        if(isRunning) display(remainTime);
        else display(setTime * 60);
        break;
      case MODE_COMBO:
        PORTC |= (1<<PC1)|(1<<PC2); // 蓝+绿=紫灯亮
        if(isRunning) display(remainTime);
        else display(setTime * 60);
        break;
      case MODE_ALARM:
        alarm(); // 报警
        pirDetect = false;
        currentMode = MODE_STANDBY;
        break;
      default:
        currentMode = MODE_STANDBY;
    }
    
    // 清除LED（避免叠加）
    PORTC &= ~((1<<PC0)|(1<<PC1)|(1<<PC2));
  }
}

四、系统调试与优化

1. 硬件调试

最小系统调试：烧录测试程序，验证晶振、复位、ISP 下载功能正常；
传感器调试：用手靠近 PIR 传感器，检测 INT0 中断是否触发，确保 "有人即停"；
继电器调试：测试继电器吸合 / 断开是否正常，紫外灯 / 臭氧发生器能否可靠启停；
数码管调试：校准显示精度，消除重影（增加消影延时），确保倒计时准确；
电源调试：测试满载时电压稳定性，避免水泵 / 紫外灯启动时电压跌落。

2. 软件优化

按键消抖：增加 20ms 消抖延时，避免误触发；
倒计时精度：采用 16 位定时器（Timer1）替代 8 位定时器，提升计时准确性；
异常处理：增加继电器粘连检测（通过反馈引脚），防止设备失控；
低功耗优化：待机时关闭定时器以外的外设，降低功耗；
报警逻辑：区分 "人体闯入" 和 "时长结束" 报警（不同蜂鸣频率）。

3. 安全验证

人体感应响应时间：≤100ms，确保及时停止消毒；
急停按键：按下后立即切断所有继电器，优先级最高；
过流保护：保险丝在短路时及时熔断，防止火灾隐患；
绝缘处理：220V/12V 电路隔离，避免触电风险。

五、功能扩展建议

蓝牙 / 红外遥控：增加 HC-05 蓝牙模块，支持手机 APP 远程设置时长 / 模式；
消毒记录存储：外接 AT24C02 EEPROM，记录每次消毒时长、时间；
环境适配：增加温湿度传感器（DHT11），根据湿度自动调整臭氧消毒时长；
语音提示：增加 SYN6288 语音模块，播报 "消毒开始 / 结束 / 有人闯入"；
联网功能：替换为 ATMEGA168+ESP8266 组合，接入物联网平台，远程监控设备状态。

六、总结

本设计基于 ATMEGA168 单片机实现了消毒机的核心功能，硬件电路简洁可靠，软件逻辑兼顾实用性与安全性。通过人体感应防护、定时控制、多模式切换等设计，满足不同场景的消毒需求；同时具备易扩展、低成本的特点，可适配家庭、办公室、医院等多种场所的消毒应用。调试过程中需重点关注安全防护逻辑，确保紫外线 / 臭氧不会对人体造成伤害。