◎遼寧省大連市第八十中學(xué) 王治鑫

一、項(xiàng)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(jī)場(chǎng)、寫(xiě)字樓、學(xué)校等公共場(chǎng)所的飲水機(jī)都是按鍵式的，這增加了接觸傳染的風(fēng)險(xiǎn)。

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

圖1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二、研究過(guò)程

1.準(zhǔn)備階段：分析原理，明確方向

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

2.實(shí)驗(yàn)階段：重點(diǎn)學(xué)習(xí)，努力提高

完成課題實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)準(zhǔn)備，系統(tǒng)學(xué)習(xí)與項(xiàng)目相關(guān)的各項(xiàng)知識(shí)，主要學(xué)習(xí)光電傳感器和超聲波傳感器的相關(guān)知識(shí)。

此外，我還針對(duì)傳感器與慧魚(yú)TXT控制器的連接做了大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為項(xiàng)目的開(kāi)展和研究做了充分的準(zhǔn)備。

3.研究階段：注重實(shí)踐，全面推進(jìn)

具備了一定的基礎(chǔ)知識(shí)后，我開(kāi)始著手制作并測(cè)試各個(gè)模塊，接著對(duì)所有模塊進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試。

測(cè)試過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出水，需利用慧魚(yú)的空氣壓縮機(jī)向密封的水罐中打氣才能完成，但如何關(guān)閉出水開(kāi)關(guān)是個(gè)問(wèn)題。通過(guò)查找資料，我了解到將空氣壓縮機(jī)與慧魚(yú)氣動(dòng)電磁閥連接，通過(guò)控制電磁閥來(lái)控制水罐內(nèi)氣體的進(jìn)出，就能解決這個(gè)問(wèn)題。

4.總結(jié)階段：分析結(jié)論，檢驗(yàn)成果

完成以上步驟后，我對(duì)模型的最終版進(jìn)行了功能性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)接觸式自動(dòng)感應(yīng)飲水機(jī)能達(dá)到設(shè)計(jì)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(cè)模塊

（1）整體邏輯

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到如果只用光電傳感器檢測(cè)水杯，安全性無(wú)法得到保證，因?yàn)橹灰饩€被阻斷，光電傳感器就會(huì)導(dǎo)通，飲水機(jī)會(huì)直接出水，如果此時(shí)兒童把手伸入，易造成傷害。所以我在接水臺(tái)的下面增加了壓力傳感器，只有兩個(gè)傳感器同時(shí)被觸發(fā)，飲水機(jī)才會(huì)出水。我還在出水口和接水臺(tái)之間安裝了多個(gè)光電傳感器，以確定水杯的高度。

（2）光電傳感器

慧魚(yú)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(yú)的凸透燈泡配合使用，當(dāng)光源被阻斷時(shí)發(fā)出數(shù)字信號(hào)0，無(wú)阻斷時(shí)發(fā)出數(shù)字信號(hào)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(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，發(fā)射器發(fā)射振動(dòng)波，接收器接收反射波，檢測(cè)傳感器與目標(biāo)物之間的距離。

圖4 超聲波傳感器設(shè)計(jì)圖

（4）氣動(dòng)設(shè)備

使用慧魚(yú)空氣壓縮機(jī)和電磁閥控制出水開(kāi)關(guān)，將水罐的進(jìn)氣端口與電磁閥相連，使用軟件程序?qū)﹄姶砰y進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)水罐內(nèi)氣體的進(jìn)出。

圖5 氣動(dòng)設(shè)備連接圖

3.水位檢測(cè)模塊

水杯檢測(cè)模塊檢測(cè)到水杯后，通過(guò)不同位置的光電傳感器返回的信號(hào)，檢測(cè)杯子的大致高度，同時(shí)把水杯的高度發(fā)送給水位檢測(cè)模塊。超聲波傳感器接收到高度信號(hào)，開(kāi)始測(cè)量杯中水的高度，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)關(guān)閉電磁閥，關(guān)閉出水開(kāi)關(guān)，并進(jìn)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(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中分別采用了由局部到整體、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的調(diào)試方法，最后再將各個(gè)模塊合成一個(gè)整體。

在調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題有：

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

（2）用高杯子接水時(shí)，會(huì)在達(dá)到矮杯子的水位時(shí)發(fā)出“接水完成”的聲音提示。

（3）切換不同高度的杯子時(shí)，水位檢測(cè)模塊報(bào)錯(cuò)，導(dǎo)致出水口無(wú)法關(guān)閉。

改進(jìn)設(shè)計(jì)程序后，這些問(wèn)題都得到了解決。

2.結(jié)論

在穩(wěn)定性測(cè)試中，兩個(gè)模塊的各部分都性能良好，能實(shí)現(xiàn)杯子檢測(cè)、杯子高度檢測(cè)、水位檢測(cè)、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)只有兩個(gè)傳感器同時(shí)被觸發(fā)才可以出水。這樣可以防止?fàn)C傷，提高飲水機(jī)的安全性。

2.通過(guò)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(fèi)。

六、作品實(shí)物圖

圖6 裝置正面

圖7 裝置背面

（指導(dǎo)老師：何易）

專家點(diǎn)評(píng)

“無(wú)接觸式自動(dòng)感應(yīng)飲水機(jī)”是一個(gè)改進(jìn)型的發(fā)明項(xiàng)目。對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的背景、研究?jī)?nèi)容、研究過(guò)程的分析以及對(duì)相關(guān)技術(shù)的熟練應(yīng)用，體現(xiàn)了作者較強(qiáng)的學(xué)習(xí)與探究能力。同時(shí)項(xiàng)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(shuō)明作者走出了“為獲獎(jiǎng)而發(fā)明”的誤區(qū)，踐行著中國(guó)科學(xué)家“淡泊名利，潛心研究的奉獻(xiàn)精神”，為青少年科創(chuàng)活動(dòng)增添了“本真”的色彩。

事實(shí)表明，我國(guó)許多科學(xué)家都具有“先天下之憂而憂，后天下之樂(lè)而樂(lè)”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(zhǎng)大后才能做到潛心鉆研，為推動(dòng)國(guó)家發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步貢獻(xiàn)出自己的智慧和力量。

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