一種防傾倒智能水杯的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉嘉豪

摘 要：敞口杯作為人們?nèi)粘ｏ嬘盟墓ぞ撸谑褂眠^程中常會因不經(jīng)意觸碰而傾倒，從而造成一些例如筆記本電腦，書籍等桌面用品的損壞，給使用者帶來諸多不便。本文基于上述背景設(shè)計(jì)出一種防傾倒智能水杯，所設(shè)計(jì)的智能水杯通過上杯蓋、下杯蓋和滑槽之間的相互作用達(dá)到了防傾倒的目的。除此之外，水杯內(nèi)置溫度傳感器和LED燈，在不同的溫度區(qū)間，LED燈會發(fā)出不同的光亮，能夠便捷地讓使用者得知杯內(nèi)水的溫度是否適合飲用。所設(shè)計(jì)的水杯具有防傾倒和智能提示的作用，體現(xiàn)出一定的創(chuàng)新理念和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能水杯;防傾倒;溫度傳感器;LED燈

中圖分類號：TS972.23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0047-02

0 引言

水杯作為常用生活用品，其結(jié)構(gòu)、外形、材質(zhì)隨著時(shí)代的不同均發(fā)生著不同的變化。敞口杯作為水杯的一種類型，因其盛水量高、飲用方便等特點(diǎn)而備受人們的歡迎。然而，在使用敞口杯的過程中，因使用者不經(jīng)意的觸碰導(dǎo)致水杯傾倒的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由此帶來的財(cái)產(chǎn)損失不僅損害了用戶利益，也在一定程度上造成了資源的浪費(fèi)。與此同時(shí)，也降低了使用者的用戶體驗(yàn)度和工作效率。除此之外，敞口杯因杯口橫截面較大具有散熱快的特點(diǎn)，但卻不具備溫度提醒的功能。因此，使用者因杯內(nèi)溫度過高，在誤飲的過程中發(fā)生燙傷的時(shí)間也有發(fā)生。這些問題都給用戶帶來極大的不便。基于此，一種具有防傾倒功能的智能水杯的設(shè)計(jì)工作便迫在眉睫。

在智能水杯的設(shè)計(jì)過程中，馮展翼基于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，針對不同的人群需求，在手機(jī)的APP版面上設(shè)置不同的服務(wù)特性，體現(xiàn)了水杯的智能化服務(wù)[1]。劉壯壯等人設(shè)計(jì)出一種具有無線充電功能的水杯，并且使用太陽能對水杯進(jìn)行充電，從而使得杯內(nèi)溫度保持在恒定區(qū)間，達(dá)到了理想的保溫效果[2]。成晉軍等人設(shè)計(jì)出一種可自動調(diào)節(jié)溫度的智能控溫水杯，采用AT89C51單片機(jī)輔助外圍電路作為控制核心完成對水溫的監(jiān)控與控制[3]。張仁朝等人基于STC12C5A60S2單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出一款具有語音提示功能的智能水杯，該水杯可智能提醒因工作忙碌而忘記喝水的人群，在一定程度上體現(xiàn)出人性化的理念[4]。劉宇浩設(shè)計(jì)了一款具有水量檢測功能的智能水杯，通過水杯底部的重量傳感器實(shí)現(xiàn)水位的測量，方便了人們的精確度量用水[5]。汪濤等人基于Android平臺和ZigBee無線通信技術(shù)，以TI公司的CC2530為主要硬件平臺，設(shè)計(jì)了一款可進(jìn)行營養(yǎng)元素配比的智能水杯[6]。康燕萍等人將一種半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用到智能水杯的研究中，實(shí)現(xiàn)了水杯的制冷、加熱與恒溫功能。經(jīng)過試驗(yàn)測試，加熱時(shí)溫度可達(dá)到70℃，制冷時(shí)溫度可低至10℃以下[7]。楊繼保等人以MCS-51單片機(jī)為主芯片，實(shí)現(xiàn)了水杯的智能加濕、遠(yuǎn)程監(jiān)測水體溫度等功能[8]。然而，目前關(guān)于水杯的防傾倒設(shè)計(jì)功能的文獻(xiàn)依然匱乏，關(guān)于水杯智能化溫度提示功能的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)也寥寥可數(shù)。

本文通過針對目前智能水杯領(lǐng)域存在的研究缺陷，設(shè)計(jì)了一種具有防傾倒功能的智能水杯。所設(shè)計(jì)的水杯包括水杯本體、杯蓋、單片機(jī)、LED燈、溫度傳感器以及按鈕開關(guān)等組件。通過單片機(jī)控制杯蓋的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)水杯重力調(diào)節(jié)，從而達(dá)到防傾倒的目的。通過溫度傳感器和LED燈實(shí)現(xiàn)水杯杯體的溫度指示，實(shí)現(xiàn)智能飲水功能。所設(shè)計(jì)的水杯結(jié)構(gòu)簡單，智能化程度高，具有一定的實(shí)用性。對智能水杯領(lǐng)域的發(fā)展也具有一定的參考價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 水杯整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

如圖1所示為該智能水杯的整體結(jié)構(gòu)示意圖，水杯本體頂部為可控杯蓋，把手上方設(shè)置有按鈕開關(guān)，可便于使用者控制杯蓋的開啟與關(guān)閉，從而達(dá)到調(diào)整水杯重心的目的。當(dāng)杯蓋開啟時(shí)，水杯整體重心上移，可進(jìn)行正常飲用水活動;當(dāng)杯蓋關(guān)閉時(shí)，水杯整體重心下移，在不經(jīng)意觸碰時(shí)，不會打翻水杯。與此同時(shí)，閉合的杯蓋也防止水杯中液體向外灑出，方便使用者安全使用。杯體的上凸點(diǎn)與杯蓋的下凸點(diǎn)結(jié)合可達(dá)到信號正常傳輸?shù)哪康?。蓄電池置于杯體底部，可與USB接口進(jìn)行連接，從而達(dá)到對水杯進(jìn)行智能充電的目的。

1.2 智能化杯蓋設(shè)計(jì)原理

如圖2所示，為智能化杯蓋結(jié)構(gòu)圖。單片機(jī)通過杯蓋的下凸點(diǎn)和杯體上凸點(diǎn)連接的電路信號實(shí)現(xiàn)控制溫度傳感器和LED燈的功能。溫度傳感器檢測杯中溫度，并將信號反饋給LED燈。LED燈的指示類型包括紅燈、綠燈和藍(lán)燈。當(dāng)杯體溫度區(qū)間在37℃以下時(shí)，LED藍(lán)燈閃爍，表明杯體內(nèi)溫度低于人體體溫，可當(dāng)做冰水飲用;當(dāng)杯體溫度區(qū)間在37℃到50℃時(shí)，LED綠燈閃爍，表明杯體內(nèi)溫度適宜，飲用者可正常飲用。當(dāng)杯體溫度區(qū)間在50℃以上時(shí)，LED紅燈閃爍，表明杯體內(nèi)溫度過高，不適宜飲用。

微型馬達(dá)與把手上按鈕開關(guān)連接，其主要作用是控制杯蓋的橫向運(yùn)動。微型馬達(dá)輸出端設(shè)有齒輪，齒輪底部設(shè)有開槽，下杯蓋與齒輪連接處設(shè)有齒槽，從而保證了通過控制馬達(dá)勁兒控制下杯蓋移動的目的。當(dāng)用戶按動按鈕開關(guān)時(shí)，微型馬達(dá)啟動，下杯蓋向上杯蓋內(nèi)收縮，水杯重心上移，便于飲用者飲水。當(dāng)用戶松開按鈕開關(guān)時(shí)，微型馬達(dá)再次啟動，下杯蓋向外滑出與防水槽相抵，調(diào)整杯體重心，同時(shí)避免液體向外流出。

如圖3所示為下杯蓋和防水槽嚙合示意圖，圖4為杯蓋結(jié)構(gòu)的俯視圖。下杯蓋的結(jié)構(gòu)采用密度較高的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證了移動后水杯整體重心的下移。有利于提高杯體的穩(wěn)定性，從而達(dá)到防止水杯傾倒的目的;防水槽的結(jié)構(gòu)采用粘性較高的材料組成，有利于其與下杯蓋的嚙合。從而使得杯中水分不易流出杯體，進(jìn)一步保證了水杯的安全性。

1.3 智能化水杯系統(tǒng)控制過程

如圖5所示為水杯的控制模式，溫度傳感器檢測杯體內(nèi)部溫度，將信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)一步控制LED燈閃爍。通過按鈕開關(guān)的開啟與關(guān)閉將信號傳送給單片機(jī)，從而進(jìn)一步控制微型馬達(dá)的啟動。

2 創(chuàng)新性與實(shí)用性分析

本文所設(shè)計(jì)的智能水杯相比較傳統(tǒng)的水杯而言，通過單片機(jī)控制杯蓋的操作模式達(dá)到控制杯體重心的目的，使得水杯不宜傾倒，且可以保證杯內(nèi)水分在使用者不適用的狀態(tài)下不宜流出。杯體下方的溫度傳感器可對杯中溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過杯蓋表面的LED不同顏色的指示燈閃爍達(dá)到提示使用者杯中水溫的目的。所設(shè)計(jì)的智能水杯具有上述兩個(gè)鮮明的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)出一定的創(chuàng)新性。

目前市場上流行的智能水杯大多數(shù)僅能對杯中水溫進(jìn)行檢測，通過杯體的液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)溫度，造價(jià)昂貴且功能單一。本文所設(shè)計(jì)的智能水杯加入了防傾倒功能，且僅通過LED指示燈就可得知杯中水溫是否適合飲用，大大降低了制造成本，性價(jià)比較高，體現(xiàn)出一定的實(shí)用性。

3 結(jié)語

本文通過引入單片機(jī)控制智能杯蓋的移動，實(shí)現(xiàn)了水杯的防傾倒功能。與此同時(shí)，通過接入溫度傳感器與LED指示燈，達(dá)到了對杯中水溫進(jìn)行檢測的目的。所設(shè)計(jì)的智能水杯結(jié)構(gòu)簡單，功能性強(qiáng)，制作成本較低，比較適合上班族在辦公區(qū)使用。本文所提供的防傾倒型智能水杯的設(shè)計(jì)方案為市場上的智能水杯研制工作提供了參考依據(jù)，從而在一定程度上促進(jìn)了我國智能水杯的發(fā)展。

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