紅外感應智能筷子的設計

□李嘉欣

一、引言

紅外感應智能筷子是一種通過利用紅外傳感器感應進食者在使用筷子運動過程中對光線折射感應不同來感應使用者的進食速度的智能餐具，目前在國內并未出現同類產品，存在智能餐具的空白市場。由于城市生活節奏快、壓力大，為了提高工作效率，人們通常在吃飯上節約時間，使用最多的餐具就是筷子。但是傳統筷子只能作為餐具，對于控制人們狼吞虎咽的情況、減慢進食速度來達到健康養生的目的并沒有任何幫助。

紅外感應智能筷子在控制使用者進食速度方面有明顯的效果。以色列本古里安大學研究發現，胃口不好的人易早死亡。中醫有“人以胃氣為本”的說法。胃不僅是消化系統的重要器官，還參與調解幾乎全身所有器官的活動。因此建議人們吃飯要細嚼慢咽，每口咀嚼不低于20 次，以減輕腸胃負擔。但是現代人在吃飯時很難做到控制進食速度，紅外感應智能筷子在這時便會通過頂端的LED 警示燈提示使用者進食過快，使生活方式更加健康。

圖1

紅外感應智能筷子分為手持部和夾持部兩部分，是通過手持部內部的紅外傳感器、計數器以及數值比較器采集到使用者是否進食過快的信號，再將信息傳遞到夾持部的LED 燈來提示使用者是否進食速度過快。相比之下，紅外感應智能筷子更具以下優勢:一是設計為可拆分外形，避免清洗時電子產品進水影響使用。二是通過USB 接口充電，節省放置電池的空間，使產品輕便，便于使用。三是符合中國人飲食習慣，將電路同筷子本體設計在一起。

二、智能筷子結構設計

紅外感應智能筷子分為通過卡槽連接可拆分的手持部和夾持部兩部分。手持部為筷子使用時的主要部分，內置紅外感應器、計數器和數值比較器。夾持部為智能筷子整體供電部分，具有USB 充電電池和USB 充電插口以及LED 燈，起到警示使用者進食速度過快的作用。產品整體外形如圖1所示。

三、手持部硬件電路設計

手持部外形與傳統筷子相同，為逐漸變細的長圓柱形。內部不同于傳統筷子，紅外感應智能筷子手持部內置感應裝置，主要元件為紅外感應器，計數器和數值比較器。手持部為筷子主要的使用部分，在距筷子最底端40 毫米處筷子內部為紅外傳感器，通過運動時筷子的角度變化引起的紅外光線反射變化，利用紅外傳感器將該信號傳遞到計數器中，對進食者的進食頻率開始計數。通過光敏電阻將計數信號轉換為電壓信號、利用放大電路將該電壓信號進行放大，放大后的信號與計數器輸入端子連接，計數器的計數脈沖(CLK)對采樣信號進行定時。

(一)紅外感應器收集數據分析。物聯網改變了我們的生活方式，不僅在于網上購物，更是能通過二維碼識讀設備、射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描等信息傳感設備，按約定的協議把任何物品與互聯網向連接進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網的發展離不開傳感設備的發展。目前，幾乎沒有人愿意花幾百元去買一個煙盒大小的傳感器來把家里的家具整合到他們的智能家居中。然而，如果這一傳感器變得只有紐扣大小，而且僅花一美元時，情況就不同了，傳感器正變得越來越小，越來越低廉，也越來越穩定。隨著傳感器技術的進步，即使是看似平凡的日常用品如桌椅等也將可能有傳感器的應用。傳感器將變得更加智能化，可通過對溫度，光，距離，壓力等參數的監測告知我們周圍環境的變化。隨著傳感器技術的發展，其將對我們的生活產生更深遠的影響。

紅外感應智能筷子通過距筷子底端40mm 處的內置紅外感應器感應使用者在進食過程中筷子的運動過程對光線折射感應不同來感應使用者的進食速度。紅外傳感器是利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。任何物質，只要它本身具有一定的溫度(高于絕對零度)，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應快等優點。紅外線傳感器包括光學系統、檢測元件和轉換電路。光學系統按結構不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發生變化(這種變化可能是變大也可能是變小，因為熱敏電阻可分為正溫度系數熱敏電阻和負溫度系數熱敏電阻)，通過轉換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。

在此紅外感應智能筷子中應用的是光敏元件，通過光敏元件與差分放大電路共同作用，將光信號轉換成電信號傳遞到筷子手持部內部下一元件中。

(二)計數器與數值比較器分析。從光信號轉化成的電信號通過差分放大電路進行放大處理，放大后的信號與計數器輸入端子連接，計數器的計數脈沖(CLK)對采樣信號進行定時。

計數器是一種能夠記錄脈沖數目的裝置，是數字電路中最常用的邏輯部件。在紅外感應智能筷子當中，使用的是十進制加法計數器，計數器在數字系統中主要是對脈沖的個數進行計數，以實現測量、計數和控制的功能，同時兼有分頻功能。在這里我們主要利用計數器對紅外線傳感器傳遞的脈沖個數進行計數。獲得使用者在一定時間內進食速度的數據。

圖2 計數器電路

與計數器相連接的數值比較器作用是將接收到的電信號同數值比價器中的存儲信號相比較。若計數器數據大于比較器內的標準數據，則在數據比較器的輸出端有輸出信號。反之，若計數器數據小于比較器內的標準數據，則在數據比較器的輸出端沒有輸出信號。

四、夾持部硬件電路設計分析

夾持部是紅外感應智能筷子的頂端部分，主要作用是通過對內置USB充電器充電對產品進行供電。在手持部和夾持部連接部位有卡槽，在使用時將卡槽對準將上下兩部分連接，此時手持部頂端和夾持部底端的觸點接觸，使電能傳輸到下部手持部內部電路，紅外感應智能筷子即可使用。

夾持部包括LED 小燈泡和USB 接口充電器，紅外感應智能筷子的手持部和夾持部為可拆分結構，使用時通過連接處的卡槽固定，同時卡槽處有觸點，當紅外感應智能筷子正常使用時，上下兩部分的觸點相接觸，若手持部有電信號輸出，則通過觸點傳遞到夾持部，使LED 燈發光，達到警示使用者食速過快的作用。反之，若使用者的進食速度在標準值范圍內，手持部則沒有電信號的輸出，夾持部的LED 燈不發光。紅外感應智能筷子采用USB 接口充電的方式為產品整體提供5V 電壓。生活中最常使用的供電裝置就是電池，然而電池作為一次性產品，若經常更換價格高。而紅外感應智能筷子充電時僅需將夾持部連接USB 接口即可充電，也可連接標準充電器使用數據線連接，在家用插座上進行充電。

五、電路接口設計

如圖3所示為紅外感應智能筷子的電路結構連接圖。從手持部末端到夾持部末端包括紅外傳感器、計數器、數值比較器、LED 報警燈、USB 充電電源和USB 接口，各元件依次連接。

圖3 數值比較器

六、結語

第一，紅外感應智能筷子可以幫助在日常生活中進食過快的人群保持健康的進食速度，并且預防肥胖和意外嗆食的發生。該產品對于想控制飲食速度自控力卻不強的人群，對進食過快易發生危險的兒童及老年人都有很大幫助。第二，紅外感應智能筷子不拘泥于傳統餐具的形式，將電子元件置于傳統筷子腔體內，借助LED 燈提示使用者注意進食速度。并且設計成手持部和夾持部兩部分，使用時通過卡槽固定。第三，紅外感應智能筷子通過USB 接口充電，在夾持部內置USB 電源，可通過夾持部頂端的USB 接口傳輸電能，為整體提供5V 電壓，并通過卡槽連接處觸點將電能傳送到手持部電子元件處。使用充電電源既節省了更換一次性電池的費用，也為產品外形的設計提供了便利，給使用者帶來更舒適的使用過程。

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