摘要：本文是关于设计与制作一种多功能环保消毒器。该消毒器的工作原理是机械能转化为电能，通过一级齿轮的传动，实现手摇式发电，进而利用电能来实现消毒的目的。其中的电能通过蓄电池来储存，并且在线路上设计有发光二极管，利用二极管正向导通，反向截止的特性防止电流倒流，从而保证手摇充电的实现。消毒功能通过紫外线的消毒原理来实现。紫外线消毒的科学原理是主要作用于微生物的DNA，破坏DNA结构，使之失去繁殖和自我复制的功能从而达到杀菌消毒的目的。此外还具有定时消毒和车载充电的功能。外观设计简洁美观。此款多功能环保消毒器适用于如：牙刷、筷子、汤匙、水果刀等人们常用并容易滋生细菌的日常生活小用品的消毒。而且居家旅行方便携带，安全可靠。
关键词：环保；消毒；紫外线；电能
一、引言
随着社会经济的繁荣发展，我国人均消费水平和生活质量显著提高，基本达到小康社会。在物质条件得到满足的情况下，我们更多地关注健康方面的问题，无论是环境保护，还是个人的身体健康，都得到空前的重视。地球上的不可再生资源是有限的，到目前为止，煤、石油和天然气等不可再生资源已经相当匮乏，国家之间也为此争端不断。各国的科学家们纷纷对新绿色能源进行探索研究，更有把目光投向外太空的。由此可见环保是多么重要。人们对生活质量的要求也越来越高，身体健康问题愈发重要。人们在选购产品时往往会偏向于健康绿色产品。可以说，环保与健康已经是我们现代生活的主旋律了。
当前市场上出现了各种各样的消毒器，有针对碗筷消毒的消毒柜，也有针对空气消毒的消毒器，但是这些消毒器体积大，不方便携带。而且这些消毒器耗电量大，环保性不强。
绿色环保消毒器产品的设计充分考虑到了环保与健康方面的问题，而且针对性强。我国地域面积辽阔，南方和北方的地域跨度广。中国隶属东亚季风气候南涝北旱，年降水量从东南沿海向西北内陆递减。南方不仅雨季历时长，而且由于夏秋季节降水集中，因而常常出现洪涝灾害，所以南方较北方干燥。尤其在湛江地区，地处祖国大陆的最南端，潮湿天气很常见。潮湿的天气除了给我们带来一些不便之外，还会造成洗刷用具发霉的现象。正所谓病从口入，发霉的物品细菌特别多，会给我们的身体造成伤害，这种现象不可忽视。绿色环保消毒器就是针对这种现象而设计的。它适用于如：牙刷、筷子、汤匙、水果刀等人们常用并容易滋生细菌的日常生活小用品的消毒，而且居家旅行方便携带，安全可靠。对于住宿人员来说，特别是大学生，在外求学，更要照顾好自己，我们设计的产品非常适合大学生在宿舍里使用，卫生有效，且利用的是人工机械能，有很强的环保性能。
设计的功能原理有效可行。能量来源是由小型手摇发电机发电，然后把产生的电能储存到蓄电池里，充电时发光二级管发光，一方面以显示正在充电，另一方面可以防止电流反向流动而是损害其它零件。蓄电池把发电机产生的电量储存起来，需要消毒的时候，就根据个人需要，扭动定时器旋钮到合适的消毒时间，这时紫外线灯开始工作，我们可以通过盒体外的消毒指示灯观察紫外线灯的工作情况，指示灯灭代表消毒完成。消毒器还装有车载插头，方便驾车外出人员在车上进行充电。这是一款新型实用的环保产品，市场潜力非常大。
二、绿色环保消毒器功能设计及说明
2.1工作原理设计方案
绿色环保消毒器设计的重点是确定基本的工作原理。工作原理是整个设计的灵魂所在，工作原理设计的合理与否直接影响消毒器设计的功能。
本次设计的核心理念是环保，所以必须首先确定其中的环保功能。有消毒作用的物质有很多，如紫外线、臭氧、次氯酸等。但是臭氧价格比较贵，使用起来不经济，而次氯酸的获取比较困难，所以前两者的可能性不大。
相对来说，紫外线[7]的获取容易，消毒效果明显。紫外线杀菌主要是利用254纳米波长的紫外线光。此波长的紫外线光，即使是在微量的紫外线投射剂量下，也可以破坏一个细胞的生命核心——DNA，因此阻止细胞再生，丧失再生能力使细菌变得无害，从而达到灭菌的效果。像所有其它紫外线应用技术一样，这种系统的规模取决于紫外线的强度（照射器的强度和功率）和接触时间（水、液体、或空气暴露在紫外线下的时间长短）。此次设计是针对家居的小物品进行消毒，紫外线的强度不用很大，可以相应延长与物品的接触时间。
另一方面，考虑到机械能是最环保的能量之一，假如能最大限度利用上机械能，必能进一步增强其环保性能。结合人工的机械能对于本次设计来说是最理想的。设计中采用人工手摇式发电，通过转轴的动能转化为电能，利用储存起来的电能供紫外线工作。这种发电方式环保简单有效。
总的能量转换图为：
图1 能量转换图
产品电路图设计为：
（1）手摇式充电电路图：
图2 手摇式充电电路图
（2）电池消毒电路图：
图3 电池消毒电路图
（3）车载消毒电路图：
图4 车载消毒电路图
2.2发电原理及发电机的选择
设计用到的是线绕式直流发电机[2]，直流发电机是把机械能转化为直流电能的电机[4]。它在这主要作为蓄电池充电所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机[5]相比。手动式发电安全可靠，环保性强，虽然发出的电比较小，但可以存储在蓄电池中。
发电机的主要技术参数：
空载时输出电压：6.3V
输出电流0.2A
2.3充电原理及电池的选择
可充电电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用，在这是给紫外线灯供电。它的工作原理就是把化学能转化为电能。它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28%的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。
放电时，电极反应为：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O
负极反应：Pb + SO42- - 2e- = PbSO4
总反应：PbO2 + Pb + 2H2SO4 =2PbSO4 + 2H2O
2.4发光二极管工作原理及选择
发光二极管[3]具有半导体二极管的PN结结构，它有一般二极管都具有的特性，即正向导通、反向截止和击穿损坏。发光二极管由GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成，当发光二极管导通便能发光。利用二极管的正向导通、反向截止这个特性可以保证只能是发电机给可充电电池充电，而不能反过来。它的发光特性是用来直观地验证摇动发电机时，确实有电顺利地充进可充电电池里[1]。
本次设计采用红外发光二极管[6]。红外发光二极管基本结构是一个PN结，所以它的两根引脚有正负之分。红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管使用GaAs（砷化镓）、GaAlAs（砷铝化镓）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。
发射红外线去控制相应的光敏器件时，其控制的距离与发射功率成正比。为增加红外线控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态。
本次设计采用的发光二极管的技术参数为：正向工作电压为3V，正向工作电流为20mA。
2.5紫外线消毒原理及紫外线灯的选择
2.5.1紫外线
紫外线[8]属于电磁辐射中的一种，为一种不可见光，又称为紫外光。根据紫外线的生物学效应和光生物学特性，其波长分为三个波段，即A波段（波长为400.0~315.0nm）、B波段（315.0~280.0nm）和C波段（280.0~100.0nm）。其中紫外线杀菌力较强的波段为280.0~250.0nm，其中253.7nm紫外线杀菌能力最强，一般多以253.7作为杀菌消毒紫外线的代表。
2.5.2紫外线杀灭微生物的特点
人类很早就利用太阳光中的紫外光部分杀菌的传统。国内外科技工作者对紫外线的研究已有200多年历史，自从德国的贺利氏博士发明第一只紫外线杀菌灯开始，紫外线杀菌技术在越来越多的领域得到更广泛的应用，尤其是在空气杀菌，物体表面杀菌，以及水处理杀菌方面[7]。
（1）杀菌谱广。紫外线可以杀灭各种微生物，包括细菌繁殖体、细菌芽孢、结核杆菌、真菌、病毒和立克次体等。
（2）紫外线的杀菌效果直接与照射剂量有关。
（3）紫外线对不同介质中的微生物杀灭效果不同。
2.5.3紫外线杀菌机理
（一）对细菌核酸的破坏作用
细菌的核酸极容易吸收紫外线，核酸DNA、RNA受到紫外线照射主要使核酸的碱基受到破坏，如使核酸断链成嘧啶二聚体、嘧啶水化物等片段形式，从而使核酸失去复制、转录等功能，导致细菌死亡。
（二）对菌体蛋白的破坏
尽管细菌蛋白对紫外线吸收量较少，但由于蛋白质吸收紫外线的主要部位是在氨基酸，它使氨基酸的结构受到破坏，从而使蛋白质失去生物学活性导致细菌进一步死亡。
（三）紫外线可以破坏菌体糖
虽然糖对紫外线的吸收量比较少，但是有学者发现核酸链中的核糖可以吸收紫外线而使其受到破坏，造成核酸链断裂导致细菌死亡。
紫外线杀菌具有无色无味无化学物质遗留的优点，已经在水处理领域越来越多的代替传统的氯，漂白粉杀菌技术。自从1982年加拿大开始用实际的紫外线水处理工厂以后，美国，欧洲，印度已经广泛采用该技术。紫外线消毒技术具有其它技术无可比拟的杀菌效率。杀菌效率可达99%－99.9%。而传统氯气、臭氧等化学消毒方法要达到紫外线的杀菌效果一般需要20 分钟至1 小时。
紫外线这种系统的规模取决于紫外线的强度（照射器的强度和功率）和接触时间（水、液体、或空气暴露在紫外线下的时间长短）。此次设计是针对家居的小物品进行消毒，紫外线的强度不用很大，可以相应延长与物品的接触时间。
2.5.4紫外线灯的选择
本次设计采用的紫外线灯的参数为：工作电压为3V，功率为0.6W，工作环境的温度是0—50℃，寿命≥80000小时，紫外线强度UV≥230μW/cm²。
2.6手摇齿轮传功系统的设计
手柄与发电机是通过齿轮来进行能量的传动。在以前一级齿轮减速器设计的基础上，本次设计采用二级齿轮加速。低速级的传动比为i1=n2/n1=3，高速级的传动比为i2=n4/n3=10，总得传动比为i=i1×i2=3×10=30。
三、绿色环保消毒器的外观及内部零件的设计与制作
3.1整体外观的形状设计
外观设计的整体思路是力求简约美观，便于携带，所以设计出来的外形在充分考虑功能的情况下所占的空间必须要达到最小。采用长方形整体外观，内部空间采用双层设计。面与面相接的地方要打磨圆润，线条力求流畅。
图5 整体外观尺寸设计图
整体外观效果如图6：
图6 整体外观效果图
3.2内部零件尺寸选择设计
电池采用的是5号电池，直径是15mm，高度是50mm。
‚紫外线灯的长度为55mm，直径是3mm。
ƒ发电机的尺寸要配合好整体的外观尺寸合适选取
3.3制作材料的选定
选取的材料密度要小质量要轻。设计外壳用的材料是金属铝。铝是种白色金属，密度较小，可塑性比较好，利用铝片经一定外力的作用可以轻松做成想要的形状。内部零件及连接件尽量采用塑料材质的。硬质塑料，如ABS，PC等塑料具有很好的物理特性：高耐热性，较好的韧性和冲击强度，高强度、阻燃性。
3.4外观的加工与制作
材料的准备：1、适量的铝片；2、适量的螺钉和连接页；3、乳白色和黄色油漆
步骤一：先把铝片裁成所设计的尺寸并折弯成所需的形状备用。
步骤二：利用钻床将上述铝片钻孔。
步骤三：用螺钉和连接页将铝片连接起来做成长盒状，最上面的一页要能实现开合。在端部装上扣紧装置。
步骤四：在做好的外表面进行喷漆。
四、组合与装配
根据上述电路图用导线把各元件连接起来，同时要充分考虑位置放置问题，按照面积从大到小来依次放置。必须保证装配误差，把误差控制在最小。装配完成后要保证使用要求。
五、总结
多功能环保消毒器的设计与开发解决了生活小用品的环保消毒问题，工作原理严谨可行，外观设计美观大方。多功能环保消毒器主要技术特点明显：1、节能环保；2、操作简单；3、人性设计；4、功能丰富：因为该产品有两个独特的设计，即手摇式自发电和有效连接汽车点烟点火器接口，这对于爱好户外旅行的人士是非常好的选；5、便于携带：外形小巧、重量较轻的设计思路使得这款产品携带方便。综合以上优点，此多功能环保消毒器具有很好的市场开发价值。
六、后记
在设计与制作的过程中，我遇到过很多的问题，但正是因为这些问题的出现和解决才能成功把产品制作出来，在不断解决难题的过程中积累了宝贵的经验和知识。经过大学四年的学习，我具有非常扎实的专业基础，可是动手能力相对理论知识来说比较薄弱。经过这次设计，我的动手能力得到很大的增强，做到了学以致用，收获非常大。同时，我也深深感受到知识积累的重要性，没有一定的知识积累，根本无法把设计做出来。
参考文献：
[1] 闫章修，周新云.电工与电子实验.北京：机械工业出版社，2001.2.
[2]（日）晶体管技术编辑部.小型直流电机控制电路设计.北京：科学出版社，2012.
[3] 胡斌.电子元器件应用实战.北京：电子工业出版社，2009.4.
[4] 张安泰.电路与电机.北京：机械工业出版社，2000.2.
[5] 陈世元.电机学.北京：中国电力出版社，2004.
[6]（日）三宅和司著，张秀琴译.电子元器件的选择与应用.北京：科学出版社，2005.
[7] 陈建文，蔡晨波.灭菌、消毒与抗菌技术.北京：化学工业出版社，2004.8.
[8] 孙俊.消毒技术与应用.北京：化学工业出版社，2003.
论文作者:梁倩婷
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
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