一款基于溫差發(fā)電的智能盲人飲水杯

宋邦恒 葛永普

摘要：用普通水杯喝水對盲人來說是件較為困難的事情，一般情況下水杯的口徑比較大，很難通過聲音去辨別液位，所以說很容易發(fā)生水溢出的情況。特別是水溫比較高時，如果水溢出很容易造成燙傷。這款杯子可以通過聲音報警方式提醒杯子的液位，且可以分別冷水和熱水。另外，這款杯子可以自動充電、自動開關(guān)，實現(xiàn)方式基于簡單的物理原理，無須復(fù)雜的傳感器造價低廉。

關(guān)鍵字：盲人；水杯報警；傳感器；溫差發(fā)電

一、研究背景及目的

在生活中我們可以利用音色的不同來分辨水壺中的液位，防止發(fā)生水溢出的情況。但是，杯子口徑很大倒水時，倒水時聲音幾乎是相同的，那盲人怎么分別水杯的液位呢？調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，一般情況下，盲人朋友心中估算杯子的液位，但是通過這種方式容易發(fā)生水漫溢出的情況；還有一種方法就是，通過身體感受杯子的液位，這種方法雖然可以很好的避免發(fā)生水溢出，但是如果杯子里是熱水容易燙傷盲人朋友。

首先，我上網(wǎng)了搜索很多關(guān)于盲人水杯的資料，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)價段已將有關(guān)于盲人水杯的專利。研究后，發(fā)現(xiàn)這些水杯設(shè)計過于復(fù)雜，成本高昂，而且需要盲人朋友手動開關(guān)和充電。其次，我們走訪市場后發(fā)現(xiàn)，市場中別沒有盲人水杯的出售，也行正是因為現(xiàn)在階段關(guān)于盲人水杯的設(shè)計過于復(fù)雜，造成成本很高，可以能造成盲人朋友沒有能力購買。最后，為了解決這些困難，設(shè)計一種設(shè)計簡單合理、造價低廉具有液位提醒、熱水報警功能的盲人專用水杯顯得很有必要。

二、設(shè)計思路

1.功能分析，確定研究目的后，對盲人水杯進行功能分析，如圖1所示：

2.功能實現(xiàn)設(shè)計

（1）自動充電

要實現(xiàn)報警功能必須要有電源，如果采用干電池，既不環(huán)保也不經(jīng)濟，最終選擇可以充電的小型鋰電池。為鋰電池充電剛開始設(shè)計了兩個方案，方案一、采用手機充電器進行充電；方案二，采用溫差電片回收熱水熱量自發(fā)電，升壓后給鋰電池充電。方案一的有點是可以快速充電，但是盲人朋友很難找到充電孔。方案二則可以隨時自動充電，方便使用。最終選擇方案二，同時預(yù)留了方案一的充電接口。

（2）液位提醒

報警分為兩次，第一次報警液位接近一半時，蜂鳴器響一次（約0.5秒），第二次水杯要滿時，蜂鳴器響3次（如果是熱水蜂鳴器響3秒）。蜂鳴器的控制采用智能硬件Arduino promini來實現(xiàn)。第一報警，采用浮力原理來實現(xiàn)，當(dāng)?shù)谷胨螅觾?nèi)部的浮力塊上升連通電路，Arduino控制蜂鳴器報警。第二次，利用水就有導(dǎo)電性的特點，利用Arduino檢測兩個電極間的導(dǎo)電性，如果液位到達電極之間，Arduino就控制蜂鳴器報警。原理如圖2所示，

（3）熱水提醒

因為水杯有自動充電功能，采用arduino檢測溫差發(fā)電的電壓，如果有電壓，可以判斷杯子內(nèi)的是熱水。檢測到熱水后，如果水快滿時（“（2）液位提醒”第二次報警原理），蜂鳴器報警3秒。

三、研究過程

1.工作原理

本裝置的工作原理如圖2所示。

2.溫差發(fā)電及arduino型號的選擇

（1）溫差發(fā)電片及散熱片的選擇。溫差發(fā)電片是一種半導(dǎo)體材料，只要正反面有溫度差，就會產(chǎn)生電流。我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，溫差達到20度，電壓能達到1V，溫差60度，電壓能達到3.5V，完全可以驅(qū)動小型的LED燈泡。溫差發(fā)電片如圖3.

從網(wǎng)查到，溫差發(fā)電片的發(fā)電功率關(guān)系為：

溫差20度：開路電壓0.97V，發(fā)電電流：225MA

溫差40度：開路電壓1.8V，發(fā)電電流：368MA

溫差60度：開路電壓2.4V，發(fā)電電流：469MA

溫差80度：開路電壓3.6V，發(fā)電電流：558MA

溫差100度：開路電壓4.8V，發(fā)電電流：669MA

（2）溫差發(fā)電散熱采用，3D打印機散熱片，尺寸大小為40*40mm。

（3）arduino pro mini

專業(yè)版的Arduino Mini Pro是一個微控制器電路板 。它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個可作為PWM輸出），8個模擬輸入，一個16MHz的諧振器，一個復(fù)位按鈕，安裝孔引腳頭。從網(wǎng)上查到的資料顯示，pro mini 功率大約在20ma 左右，當(dāng)pro mini進入超級省電模式時，功率僅僅為5ma，所以說溫差發(fā)電片的功率可以滿足pro mini的日常使用。

3.arduino程序設(shè)計

利用Arduino模擬監(jiān)測液位的原理

利用Arduino可以測量0v到5v的電壓，利用Arduino的模擬信號輸入接口，可以直接讀取到接口連接的電壓值，analogRead（）函數(shù)可以按比例轉(zhuǎn)換一個0到1023之間的數(shù)字成為這個引腳上的電壓。只需要采用電阻分壓的方式監(jiān)測水的電壓，根據(jù)返回值，設(shè)定一個閾值就能判斷杯子中是否有水。Arduino電路連接圖如圖所示：

4.作品外觀，如圖4所示。

五、創(chuàng)新點

1.采用溫差發(fā)電回收熱水的能量，實現(xiàn)自動充電，免去頻繁更換電池或充電的困擾，方便盲人朋友的使用。

2.基于水導(dǎo)電性的原理制作，不借助任何傳感器，設(shè)計合理簡單，造價低廉利于推廣和使用。

3.采用Arduino智能芯片，巧妙借助溫差發(fā)電片，分別熱水和冷水。

參考文獻

ARDUINO程序設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.