基于光的反射和折射原理的自動水位控制

閆奕霏 張思恬 劉玉穎 李海艷

關(guān)鍵詞 自動水位控制;光的折射定律;光的反射定律;生活物理

水是生命之源，人的生活離不開水，在現(xiàn)實(shí)生活中，飲水機(jī)已經(jīng)成為家庭必備的飲水設(shè)施[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國大中城市約有80 %的家庭擁有飲水機(jī)。為方便換水，市面最常見的落地式飲水機(jī)的高度為1.2～1.5m，出水口約為成年人腿部高度，大部分人需彎腰接水，尤其對于老年人極為不方便。另外，傳統(tǒng)飲水機(jī)需要使用者手動接水，手動停止飲水機(jī)出水，這存在著極大的安全隱患[2-4]。此外，交叉感染是強(qiáng)傳染性病毒傳播的一個重要途徑，因此非接觸性飲水機(jī)在醫(yī)院、商場等公共場所的應(yīng)用可以有效減少病毒的傳播，為人民健康和生命安全提供可靠保障。

本文利用光的折射和反射原理，在激光發(fā)射器和激光接收器位置不發(fā)生變化的情況下，通過超聲波傳感器感知水杯位置，開始注水，調(diào)節(jié)三棱鏡角度，激光傳感器檢測水杯內(nèi)水位，實(shí)現(xiàn)對多種杯型的水位控制，當(dāng)杯內(nèi)水位到達(dá)預(yù)定水位停止注入。該裝置成本低廉、操作簡單，體積小巧，可以應(yīng)用在多種場景，具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用潛力。

1 功能設(shè)計(jì)

利用光的反射和折射原理，實(shí)現(xiàn)自動檢測不同杯型的水杯，當(dāng)杯內(nèi)水位到達(dá)距離杯沿1cm 處自動停止注水。

將杯子高度和三棱鏡角度之間建立模型關(guān)系。通過調(diào)節(jié)舵機(jī)的角度，帶動三棱鏡轉(zhuǎn)動指定角度，以實(shí)現(xiàn)對光路的改變。當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)杯子放到指定位置，水泵開始向杯內(nèi)注水;杯中水位到達(dá)預(yù)定高度，通過三棱鏡的折射和水面的反射，使激光接收器接收激光信號后，停止注水。

2 裝置原理及模型推導(dǎo)

2.1 裝置原理

光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，而在遇到兩種均勻介質(zhì)的分界面時，一般會同時產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象[5]。通過三棱鏡1，2能夠有效改變光路，實(shí)現(xiàn)光感控制。

光遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面都會發(fā)生反射。反射光線與入射光線、法線在同一平面上;反射光線和入射光線分居法線的兩側(cè);反射角等于入射角。

本裝置利用光的反射和折射原理，以激光發(fā)射器為光源，通過調(diào)節(jié)三棱鏡1的角度改變光的入射方向，將激光光路折射至杯沿平面下1cm 處杯體中心。當(dāng)水位達(dá)到預(yù)定杯體高度（即杯沿下1cm），光通過三棱鏡1照射到水面中心，通過光的反射，激光入射至三棱鏡2。通過調(diào)節(jié)三棱鏡2角度，可將光引至固定的激光接收器處。光路圖如圖1所示。

2.2 模型推導(dǎo)

本文建立了三棱鏡從水平方向轉(zhuǎn)動角度α 和杯子高度h/cm 之間的關(guān)系，模型推導(dǎo)如下：

設(shè)杯子為基準(zhǔn)高度a/cm 時，直角等腰三角形三棱鏡恰好位于水平位置，光線不發(fā)生折射，照射點(diǎn)為水面中心?，F(xiàn)計(jì)算杯子高度為h，光線照射在水面中心時，三棱鏡需旋轉(zhuǎn)的角度α（逆時針為正）。由于兩角的兩邊分別垂直的兩個角相等或互補(bǔ)且圖中所標(biāo)三棱鏡旋轉(zhuǎn)角度α 和入射角∠1均為銳角，所以可得入射角∠1等于三棱鏡旋轉(zhuǎn)角度α。三棱鏡折射部分光路如圖2所示。

本裝置選取三棱鏡作為折射介質(zhì)片，在方便角度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上增加了折射次數(shù)，有效減小了裝置的體積。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置由箱體，2個三棱鏡，激光發(fā)射和接收器，水泵，PE 管，PG90舵機(jī)，繼電器模塊，尼龍線及5V 電池和各個連接件組成。裝置各部分名稱如圖4所示。

裝置后置區(qū)域，用來放置供水槽，其內(nèi)部放水泵，實(shí)現(xiàn)供水功能;三棱鏡一端由平開鉸鏈連接，另一端連接舵機(jī)，通過單片機(jī)控制舵機(jī)使三棱鏡繞鉸鏈轉(zhuǎn)動，兩個三棱鏡均做此處理。調(diào)節(jié)左側(cè)三棱鏡的角度以改變光的輸入方向，將激光光路折射至杯沿下1cm 平面處的杯體中心，通過調(diào)節(jié)右側(cè)三棱鏡角度，可將光路引至固定的激光接收器處，從而實(shí)現(xiàn)不同杯型的水位控制功能。裝置實(shí)物圖如圖5所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制板硬件

控制板主要由Arduino UNO 單片機(jī)[6]、舵機(jī)控制電路、超聲波檢測和水泵控制電路[7]和激光感應(yīng)電路組成，控制板硬件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示，利用Proteus 8 Professional軟件[8]對控制部分進(jìn)行仿真，單片機(jī)連接圖如圖7 所示。ArduinoUNO 是基于ATMEGA328P微處理器的微控制器，其具有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，6個模擬輸入，16MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。

舵機(jī)控制電路利用單片機(jī)控制舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的固定角度轉(zhuǎn)動。

超聲波檢測和水泵控制電路由HYSRF05超聲波模塊，光耦隔離繼電器驅(qū)動模塊組成。當(dāng)超聲波傳感器檢測到物體距離≤17cm 時（即杯子放到指定位置），單片機(jī)連接超聲波傳感器Echo引腳的pin引腳轉(zhuǎn)化為高電平，控制繼電器開關(guān)打開，水泵開始注水，實(shí)現(xiàn)注水自動化。

激光感應(yīng)電路由激光接收器，光耦隔離繼電器驅(qū)動模塊組成。當(dāng)激光接收器接收信號輸出高電平時，繼電器驅(qū)動模塊將該電平轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以響應(yīng)的電壓，單片機(jī)對應(yīng)引腳轉(zhuǎn)化為高電平，水泵停止注水且之后超聲波檢測電路不再工作。

需要說明的是當(dāng)超聲波檢測和水泵控制電路工作（即水杯放到指定位置）時，激光感應(yīng)電路才可以工作。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本裝置利用Arduino IDE軟件進(jìn)行編程。該軟件可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)[9，10]。

4.2.1 舵機(jī)控制部分

舵機(jī)固連在三棱鏡上，利用串口驅(qū)動單片機(jī)使舵機(jī)帶動三棱鏡轉(zhuǎn)動固定角度，實(shí)現(xiàn)光路變化。轉(zhuǎn)動角度和杯子高度關(guān)系如2.2 節(jié)模型推導(dǎo)所示。

4.2.2 水泵控制部分

水泵控制部分程序流程圖如圖8所示。水杯放到指定位置，超聲波傳感器感知物體（<17cm），開始注水（繼電器2打開，水泵轉(zhuǎn)動）;裝置通過兩個三棱鏡的折射和水面反射光路，當(dāng)水位增加到指定高度時，激光接收器接收信號，停止注水。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

我們利用實(shí)際高度分別為15cm、12cm 和10cm 的三個杯子對裝置可行性進(jìn)行了測試。

5.1 理論計(jì)算結(jié)果

利用2.2節(jié)中的模型，三棱鏡折射率n=1.5，三棱鏡30°角對應(yīng)邊長e=2cm，L =5cm，大、中、小三種杯型分別為15cm，12cm，10cm，其中大杯杯高為基準(zhǔn)高度，故高度差h₁=3cm， h₂=5cm。

得：α₁=68.29°，α₂=78.62°。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對每種杯型進(jìn)行了6次測試，測試結(jié)果如表1所示。

從表1中我們可以看出，測量結(jié)果相對測量誤差在5%范圍內(nèi)，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，該裝置可以實(shí)現(xiàn)功能。

我們最初實(shí)驗(yàn)采用亞克力板作為介質(zhì)片1和2，所調(diào)杯型的高度12～16cm，且需疊加5個介質(zhì)片;對裝置進(jìn)行優(yōu)化使用三棱鏡，杯型的可調(diào)范圍為4.5003～14.656cm（理論分析結(jié)果如圖9所示），顯著增加了可調(diào)節(jié)范圍。由于三棱鏡體積略大，后續(xù)實(shí)驗(yàn)可以通過選取折射率更大的材料做折射介質(zhì)片，增大折射率從而減小介質(zhì)片厚度，使調(diào)節(jié)更加方便;或者是在介質(zhì)1和介質(zhì)2中鍍增反膜或者增透膜等方式，增加折射光光強(qiáng)，即可以減小入射光光強(qiáng)，減小裝置功率。

6 結(jié)語

本文利用光的反射和折射原理實(shí)現(xiàn)了自動注水和不同杯型的水位控制。裝置以Arduino為控制中樞，利用舵機(jī)控制電路、超聲波檢測和水泵控制電路組成了控制部分;以激光發(fā)射器、三棱鏡、激光接收器組成了光路部分。經(jīng)過不同杯型的測試，裝置可以精確識別水杯中的水位到達(dá)指定位置，并可以對不同杯型實(shí)現(xiàn)自動注水和停止注水，實(shí)驗(yàn)中注入杯內(nèi)的水位與設(shè)定的理論水位誤差在5%范圍內(nèi);杯型可調(diào)范圍在4.5003～14.656cm。該裝置有針對性地解決了接水不便，安全隱患等問題，具有成本低、體積小、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。并且包容性高，與其他功能的控制系統(tǒng)并行，互不干擾，應(yīng)用市場大，有望大規(guī)模投入生產(chǎn)。