1、收稿日期：2022-01-12作者简介：康群英（1994-），男，辽宁凤城人，硕士研究生。基于免充电无传感器式的盲人水杯设计康群英a，刘劲涛b（沈阳工程学院 a.能源与动力学院；b.机械学院，辽宁 沈阳 110136）摘要：针对盲人朋友在使用普通水杯喝水时，很难通过声音辨别出水杯中液位的高低，容易发生水满溢出或烫伤等问题，提出一种免充电无传感器式的盲人水杯设计方案，并制作出一款盲人水杯实物模型。该实物模型的硬件部分包括Arduino电路板，并采用Arduino IDE软件作为开发平台。另外，这款杯子通过简单的物理原理实现充电，即在温差热发电片的作用下，通过吸收水的热量而自发电，无须复杂的传感器
2、，实现了自动充电。实践表明：该水杯通过蜂鸣器报警方式判断出水杯中液位的高低，并可以分辨出冷水和热水。关键词：盲人水杯；蜂鸣器报警；传感器；温差热发电片；Arduino电路板中图分类号：TM571.2文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0078-06DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.012第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）目前，在市场上出售
3、的水杯主要是以玻璃杯、塑料杯和不锈钢杯为主，人们对于不同水杯的购买量主要受外形、品质和销售价格的影响1。而对于盲人朋友而言，他们更需要购买一款盲人专用的水杯。在一般情况下，盲人朋友可以利用音色的不同来分辨水杯中的液位高低，防止发生水溢出的情况。但是，杯子口径很大，倒水时的声音几乎是相同的，盲人朋友很难辨别出水杯中液位的高低，容易发生水满溢出的情况，特别是水温比较高时，容易被溢出的水烫伤2。经调查后发现：盲人朋友是在心中估算水杯中的液位，但是通过这种方式很容易发生水满溢出的情况；还有另一种方法就是通过身体来感受水杯中的液位，这种方法虽然可以很好地避免发生水满溢出的情况，但是水杯里面如果装的是热水
4、的话，就会很容易被烫伤3。本文针对盲人朋友在用水杯喝水时，不能准确判断出水杯中液位的高低和无法辨别出水的冷热程度，从而导致水满溢出和烫伤等问题，设计了一款免充电无传感器式的盲人水杯。现阶段已有关于盲人水杯的专利，但这些水杯的设计过于复杂，成本高昂，而且需要手动开关和充电。因此，市场中没有销售盲人专用的水杯。针对目前存在的问题，一些国内外学者展开了对盲人专 用 水 杯 的 深 入 研 究4-7。其 中 一 些 是 基 于STM32的多功能智能水杯系统的设计研究，通过单片机控制温度传感器和压力传感器，实现实时测量水温和水量8-11。王飞虎12利用日常生活中的非接触式液位传感器，使得普通水杯具有了能
5、够判断水是否会溢出的功能，实现了盲人朋友能够自己倒水并且保证水不会溢出。卢伟等13人研究了在智能温控杯加热时使用 PTC 发热片使水温达到90 以上，制冷时使用继电器驱动半导体制冷片，但半导体热面无散热装置，制冷效率不高，同时电路板体积大、成本较高。侯卫周等14人设计出了一款温控智能水杯，该水杯具有测温、加热、调温功能，但不具有制冷功能。虽然对于盲人专用水杯的研究取得了显著的成果，但仍然存在一些不足之处，还需要进一步的改进与完善。本文针对盲人朋友喝水困难的问题，设计一款具有液位提醒、热水报警和自动充电功能的结构简单、造价低廉的盲人水杯。盲人朋友可以通过报警音判断出水杯中液位的高低及冷热水，有效
6、地解决了盲人朋友日常用水杯喝水的问题。1盲人水杯设计方案1.1功能分析盲人朋友用这款水杯喝水时，要求能够有效地判断出水杯中液位的高低，并能辨别出冷水和热水，避免水满溢出或烫伤等情况发生。同时，这款水杯还应具有自动充电的功能，免去频繁更换电池或充电的困扰，方便盲人朋友的日常使用。盲人水杯的功能属性如图1所示。图1功能属性1.2功能实现1）自动充电要实现报警功能必须要有电源，如果采用干电池，既不环保也不经济，最终选择可以充电的小型锂电池。锂电池充电设计有两种方案：一是采用手机充电器进行充电，二是采用温差热发电片回收热水的能量而自发电，并通过升压器升压后给锂电池充电。方案一的优点是可以快速充电，但是
7、盲人朋友很难找到充电孔。方案二则可以随时自动充电，使用方便。最终选择方案二，同时预留了方案一的充电接口。2）液位提醒报警分为两次：液位接近一半时第一次报警，蜂鸣器响1次（约0.5 s）；水杯中液位达到溢满位置时第二次报警，蜂鸣器响3次（如果是热水蜂鸣器响 3 s）。采用智能硬件 Arduino promini来实现对蜂鸣器的控制。第一次报警是采用浮力原理实现的，当倒入水后，杯子内部的浮力块会上升，两个电极间利用浮力块的导电能力，使其接通电路，Arduino电路板控制蜂鸣器报警。第二次报警是根据水具有导电性的特点，利用Arduino电路板检测两个电极间的导电性，如果液位到达电极之间，Arduin
8、o电路板就控制蜂鸣器报警。3）热水提醒采用 Arduino 电路板检测温差热发电片的电压，如果有电压，可以判断出杯子里面装的是热水。如果杯子里的热水快要满时，蜂鸣器会进行第二次报警，报警时长为3 s；如果倒入的是冷水，则报警3次，从而可以实现辨别出冷热水的功能。1.3外观设计通过SolidWorks三维软件，建立盲人水杯的三维模型，能够清楚地表达出盲人水杯的结构组成，对盲人水杯的实物制作起到了有效的支撑作用。水杯的外观结构模型如图2所示。根据水杯的三维模型可以看出：该水杯的外观结构主要由杯盖、杯体、开关、蜂鸣器、指示灯和充电接口等组成，能够满足盲人朋友的日常使用。图2水杯外观结构模型第 1 期
9、康群英，等：基于免充电无传感器式的盲人水杯设计79第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）2盲人水杯的系统设计2.1工作原理当倒入水杯中的水接近一半的时候，杯子内部的浮力块上升，连通电路，Arduino电路板控制蜂鸣器报警；当倒入的水快满时，液位到达两个电极之间，Arduino电路板检测到两个电极之间具有导电性，就会控制蜂鸣器再一次报警。当倒入的是热水时，通过温差热发电片回收热水的能量而自发电，并利用5 V升压模块将电能升压，将升压后的电能传导到锂电池充放电模块，给其充电。当Arduino电路板检测到温差热发电片存在电压时，则杯子里装入的是热水，蜂鸣器会报警 3 s；当检测不到电压时，则杯子
10、里装入的是冷水，蜂鸣器会报警3次。这款盲人水杯的系统工作流程如图3所示。图3系统工作流程2.2温差热发电片的型号选择及工作原理温差热发电片是一种半导体材料，只要正反面有温度差，就会产生电流。本文所选取的温差热发电片型号为TEHP-199-4-1.5，其实物如图4所示。图4温差热发电片实物在试验中发现：当温差达到20 时，电压能达到1 V；当温差达到60 时，电压能达到3.5 V，完全可以驱动小型的LED。温差热发电片的发电功率关系如表1所示。表1温差热发电片的发电功率关系发电片温差/20406080100开路电压/V0.971.82.43.64.8发电电流/mA225368469558669温
11、差半导体发电是一种新型的发电方式，即利用塞贝克效应将热能直接转换为电能。由P型和N型结合的半导体元件所组成的器件的一侧维持在低温，另一侧维持在高温，这样器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流。热能从高温侧流入器件内，通过器件将一部分热能从低温侧排出，流入器件的另一部分热能不放热，并在器件内变成电能，输出直流电压和电流。温差热发电片的工作原理如图5所示。图5温差热发电片工作原理802.3Arduino电路板工作原理本文所选取的 Arduino 电路板是型号为 ATMEGA328P 5V/16M的pro mini改进版，是一个微控制器电路板，包含14个数字输入/输出端口、6个可作为PWM的输出端
12、口、8个模拟输入端口、1个16 MHz的谐振器、1个复位按钮、一对TTL电平串口收发端口，采用Atmega328P-AU单片机，支持外接3.3 V12 V直流电源供电，同时也支持9 V电池供电，温差热发电片的电压可以满足 Arduinopro mini的日常使用15。Arduino pro mini电路板实物结构如图6所示。通过Arduino IDE软件编写相应的程序，并将其导入到 Arduino 电路板中，可以控制蜂鸣器报警，监测水杯中的液位和冷热程度。Arduino电路板可以测量出0 V5 V的电压，利用电路板的模拟信号输入接口，能够直接读取到接口连接的电压值，通过 Arduino IDE
13、 软件中所设计的程序函数analogRead（），可以按比例将一个01 023之间的数字转换成一个引脚上的电压。采用电阻分压的方式监测水的电压，根据返回值与所设定阈值的比较（是否能够达到该阈值大小）来判断出杯子中是否有水，从而可以实现监测水杯中液位的高低和冷热程度。Arduino 电路板的工作原理如图7所示。图6Arduino pro mini电路板实物结构图7Arduino电路板工作原理3盲人水杯的实物制作3.1实物制作方案这款盲人水杯的实物制作方案以 Arduino 电路板为硬件部分，并用Arduino IDE软件作为开发平台，通过编写相应的程序代码，控制蜂鸣器报警，能够实现液位提醒功能。
14、通过 Arduino电路板可以检测到温差热发电片是否存在电压，从而辨别出杯中装的是冷水还是热水。当水杯装入的是热水时，温差热发电片可以回收热水的能量而自发电，并通过5 V升压模块升压后给锂电池充电，实现自动充电功能。同时，预留了充电接口，用手机充电器能够进行充电，可以达到快速充电的效果。在杯子的底部还设有开关按钮，使用时按下电源开关，不使用时关闭电源，可以降低能耗，节省电量。这种制造盲人水杯的工艺方案不仅能够保证产品质第 1 期康群英，等：基于免充电无传感器式的盲人水杯设计81第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）量，提高劳动生产率，而且还可以降低产品成本，提高经济效益。3.2结构组成制作
15、这款盲人水杯需要用到以下材料：1）温差热发电片：起到自发电作用；2）5 V升压转换模块：对温差热发电片产生的电能起到升压作用；3）锂电池充放电模块：对锂电池起到充电和放电作用；4）锂电池：对电路起到供电作用；5）自锁开关：可以控制电路的通断；6）Arduino pro mini：通过 Arduino IDE软件编写程序代码，可以对电路起到智能控制作用，使水杯能够实现各种功能；7）蜂鸣器：当接通电路时，能够报警，通过发出声音的不同，可以判断出水杯中液位的高低，还可以辨别出冷水和热水；8）LED：显示电路接通情况；9）金属膜电阻：对电路起到保护作用。制作盲人水杯所需要的实物零件如图8所示。a 升压
16、转换模块b 蜂鸣器c 锂电池d 自锁开关e LEDf 锂电池充放电模块g 金属膜电阻图8实物零件3.3电路连接方案这款盲人水杯的电路连接主要是通过Arduino电路板将其他各个元器件相互连接在一起。其实现途径是通过温差热发电片回收热水的能量而自发电，利用5 V升压模块升压后，将电能传导到锂电池充放电模块，可以对锂电池进行充电和放电，并将锂电池放出来的电能传导到Arduino pro mini中。在连接的导线处设有自锁开关和金属膜电阻，能够控制电路的通断，起到保护的作用，并根据LED指示灯的点亮和熄灭情况对其进行显示。最后，根据Arduino IDE软件编写的程序，通过Arduino电路板来控制蜂鸣器报警，从而可以实现水杯液位提醒和辨别冷热水的功能。盲人水杯的电路连接如图9所示。图9电路连接823.4实物模型实物水杯的杯盖和杯体主要采用3D打印技术制作而成，并根据实物零件的选取和电路的连接，将其组装在一起，从而完成盲人水杯的实物制作。这款水杯的实物模型不需要复杂的传感器，结构简单，造价低廉，并可以实现自动充电功能，有效地解决了盲人朋友日常喝水的问题，便于今后的推广和使用。这款盲人水杯的实