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        無接觸式自動感應(yīng)飲水機

        2021-12-07 15:44:56遼寧省大連市第八十中學(xué)王治鑫
        發(fā)明與創(chuàng)新 2021年24期
        關(guān)鍵詞:飲水機水杯杯子

        ◎遼寧省大連市第八十中學(xué) 王治鑫

        一、項目背景

        疫情期間,保持距離才能保障安全,應(yīng)避免直接接觸公共設(shè)施如門把手、樓梯扶手等。火車站、機場、寫字樓、學(xué)校等公共場所的飲水機都是按鍵式的,這增加了接觸傳染的風(fēng)險。

        我發(fā)明的無接觸式自動感應(yīng)飲水機,以防止重復(fù)按鍵、減少飲水時的直接接觸為設(shè)計出發(fā)點,主要由兩個分工不同、相互關(guān)聯(lián)的模塊組成。水杯檢測模塊包括光電傳感器和壓力傳感器,該模塊通過檢測杯子是否存在以及杯子的高度,通過電磁閥控制飲水機的開關(guān),實現(xiàn)自動感應(yīng)出水,同時把水杯的高度發(fā)送給水位檢測模塊。水位檢測模塊接收到水杯高度的信息后,使用超聲波傳感器檢測杯中水位,當(dāng)水位達到預(yù)設(shè)值時關(guān)閉電磁閥,防止水滿溢出并進行聲音提示,從而有效減少接觸傳染的風(fēng)險。整體系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

        圖1 整體系統(tǒng)設(shè)計

        二、研究過程

        1.準備階段:分析原理,明確方向

        結(jié)合所學(xué)知識和指導(dǎo)老師的建議,對項目的內(nèi)容和原理進行系統(tǒng)地分析,初步形成項目研究方案,明確方向。

        2.實驗階段:重點學(xué)習(xí),努力提高

        完成課題實驗的各項準備,系統(tǒng)學(xué)習(xí)與項目相關(guān)的各項知識,主要學(xué)習(xí)光電傳感器和超聲波傳感器的相關(guān)知識。

        此外,我還針對傳感器與慧魚TXT控制器的連接做了大量測試實驗,為項目的開展和研究做了充分的準備。

        3.研究階段:注重實踐,全面推進

        具備了一定的基礎(chǔ)知識后,我開始著手制作并測試各個模塊,接著對所有模塊進行聯(lián)動調(diào)試。

        測試過程中我發(fā)現(xiàn),要實現(xiàn)自動出水,需利用慧魚的空氣壓縮機向密封的水罐中打氣才能完成,但如何關(guān)閉出水開關(guān)是個問題。通過查找資料,我了解到將空氣壓縮機與慧魚氣動電磁閥連接,通過控制電磁閥來控制水罐內(nèi)氣體的進出,就能解決這個問題。

        4.總結(jié)階段:分析結(jié)論,檢驗成果

        完成以上步驟后,我對模型的最終版進行了功能性檢驗。檢驗結(jié)果顯示,無接觸式自動感應(yīng)飲水機能達到設(shè)計預(yù)期的功能。

        三、硬件組成

        1.整體結(jié)構(gòu)

        裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2。

        圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

        2.水杯檢測模塊

        (1)整體邏輯

        設(shè)計時,考慮到如果只用光電傳感器檢測水杯,安全性無法得到保證,因為只要光線被阻斷,光電傳感器就會導(dǎo)通,飲水機會直接出水,如果此時兒童把手伸入,易造成傷害。所以我在接水臺的下面增加了壓力傳感器,只有兩個傳感器同時被觸發(fā),飲水機才會出水。我還在出水口和接水臺之間安裝了多個光電傳感器,以確定水杯的高度。

        (2)光電傳感器

        慧魚光電傳感器本質(zhì)上是光敏三極管,是半導(dǎo)體器件。它是一種數(shù)字傳感器,常與慧魚的凸透燈泡配合使用,當(dāng)光源被阻斷時發(fā)出數(shù)字信號0,無阻斷時發(fā)出數(shù)字信號1。由于是半導(dǎo)體器件,所以其極性至關(guān)重要。

        圖3 光電傳感器外觀

        (3)超聲波傳感器

        超聲波傳感器有一個發(fā)射器和一個接收器,發(fā)射器發(fā)射振動波,接收器接收反射波,檢測傳感器與目標物之間的距離。

        圖4 超聲波傳感器設(shè)計圖

        (4)氣動設(shè)備

        使用慧魚空氣壓縮機和電磁閥控制出水開關(guān),將水罐的進氣端口與電磁閥相連,使用軟件程序?qū)﹄姶砰y進行控制,實現(xiàn)水罐內(nèi)氣體的進出。

        圖5 氣動設(shè)備連接圖

        3.水位檢測模塊

        水杯檢測模塊檢測到水杯后,通過不同位置的光電傳感器返回的信號,檢測杯子的大致高度,同時把水杯的高度發(fā)送給水位檢測模塊。超聲波傳感器接收到高度信號,開始測量杯中水的高度,當(dāng)達到預(yù)設(shè)值時關(guān)閉電磁閥,關(guān)閉出水開關(guān),并進行聲音提示,防止水滿溢出。

        四、調(diào)試與結(jié)論

        1.調(diào)試

        采用分塊調(diào)試的方法,在對每個模塊進行調(diào)試的過程中分別采用了由局部到整體、由簡單到復(fù)雜的調(diào)試方法,最后再將各個模塊合成一個整體。

        在調(diào)試過程中遇到的問題有:

        (1)接水過程中未達到預(yù)定水位,水杯離開后出水口未關(guān)閉。

        (2)用高杯子接水時,會在達到矮杯子的水位時發(fā)出“接水完成”的聲音提示。

        (3)切換不同高度的杯子時,水位檢測模塊報錯,導(dǎo)致出水口無法關(guān)閉。

        改進設(shè)計程序后,這些問題都得到了解決。

        2.結(jié)論

        在穩(wěn)定性測試中,兩個模塊的各部分都性能良好,能實現(xiàn)杯子檢測、杯子高度檢測、水位檢測、自動控制出水等功能。

        五、創(chuàng)新性

        1.利用光電傳感器和壓力傳感器的配合使用,實現(xiàn)只有兩個傳感器同時被觸發(fā)才可以出水。這樣可以防止?fàn)C傷,提高飲水機的安全性。

        2.通過光電傳感器和超聲波傳感器配合使用,控制杯中水位,防止水滿溢出,減少浪費。

        六、作品實物圖

        圖6 裝置正面

        圖7 裝置背面

        (指導(dǎo)老師:何易)

        專家點評

        “無接觸式自動感應(yīng)飲水機”是一個改進型的發(fā)明項目。對這個項目的背景、研究內(nèi)容、研究過程的分析以及對相關(guān)技術(shù)的熟練應(yīng)用,體現(xiàn)了作者較強的學(xué)習(xí)與探究能力。同時項目的研究結(jié)論、創(chuàng)新性的提煉、呈現(xiàn)方式都較為嚴謹,充分說明作者走出了“為獲獎而發(fā)明”的誤區(qū),踐行著中國科學(xué)家“淡泊名利,潛心研究的奉獻精神”,為青少年科創(chuàng)活動增添了“本真”的色彩。

        事實表明,我國許多科學(xué)家都具有“先天下之憂而憂,后天下之樂而樂”的寬廣胸懷。青少年要勇攀科學(xué)高峰,就必須向前輩學(xué)習(xí)。只有遠離追名逐利的心態(tài),長大后才能做到潛心鉆研,為推動國家發(fā)展、社會進步貢獻出自己的智慧和力量。

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