◎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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)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(yán)謹(jǐn)，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(yuǎn)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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