一款基于温差发电的智能盲人饮水杯

时间：2021-01-23 18:11:45　来源：达达文档网本文已影响人

宋邦恒葛永普

摘要：用普通水杯喝水对盲人来说是件较为困难的事情，一般情况下水杯的口径比较大，很难通过声音去辨别液位，所以说很容易发生水溢出的情况。特别是水温比较高时，如果水溢出很容易造成烫伤。这款杯子可以通过声音报警方式提醒杯子的液位，且可以分别冷水和热水。另外，这款杯子可以自动充电、自动开关，实现方式基于简单的物理原理，无须复杂的传感器造价低廉。

关键字：盲人；
水杯报警；
传感器；
温差发电

一、研究背景及目的

在生活中我们可以利用音色的不同来分辨水壶中的液位，防止发生水溢出的情况。但是，杯子口径很大倒水时，倒水时声音几乎是相同的，那盲人怎么分别水杯的液位呢？调查后发现，一般情况下，盲人朋友心中估算杯子的液位，但是通过这种方式容易发生水漫溢出的情况；
还有一种方法就是，通过身体感受杯子的液位，这种方法虽然可以很好的避免发生水溢出，但是如果杯子里是热水容易烫伤盲人朋友。

首先，我上网了搜索很多关于盲人水杯的资料，发现现价段已将有关于盲人水杯的专利。研究后，发现这些水杯设计过于复杂，成本高昂，而且需要盲人朋友手动开关和充电。其次，我们走访市場后发现，市场中别没有盲人水杯的出售，也行正是因为现在阶段关于盲人水杯的设计过于复杂，造成成本很高，可以能造成盲人朋友没有能力购买。最后，为了解决这些困难，设计一种设计简单合理、造价低廉具有液位提醒、热水报警功能的盲人专用水杯显得很有必要。

二、设计思路

1.功能分析，确定研究目的后，对盲人水杯进行功能分析，如图1所示：

2.功能实现设计

（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。为锂电池充电刚开始设计了两个方案，方案一、采用手机充电器进行充电；
方案二，采用温差电片回收热水热量自发电，升压后给锂电池充电。方案一的有点是可以快速充电，但是盲人朋友很难找到充电孔。方案二则可以随时自动充电，方便使用。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，第一次报警液位接近一半时，蜂鸣器响一次（约0.5秒），第二次水杯要满时，蜂鸣器响3次（如果是热水蜂鸣器响3秒）。蜂鸣器的控制采用智能硬件Arduino promini来实现。第一报警，采用浮力原理来实现，当倒入水后，杯子内部的浮力块上升连通电路，Arduino控制蜂鸣器报警。第二次，利用水就有导电性的特点，利用Arduino检测两个电极间的导电性，如果液位到达电极之间，Arduino就控制蜂鸣器报警。原理如图2所示，

（3）热水提醒

因为水杯有自动充电功能，采用arduino检测温差发电的电压，如果有电压，可以判断杯子内的是热水。检测到热水后，如果水快满时（“（2）液位提醒”第二次报警原理），蜂鸣器报警3秒。

三、研究过程

1.工作原理

本装置的工作原理如图2所示。

2.温差发电及arduino型号的选择

（1）温差发电片及散热片的选择。温差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。我们在实验中发现，温差达到20度，电压能达到1V，温差60度，电压能达到3.5V，完全可以驱动小型的LED灯泡。温差发电片如图3.

从网查到，温差发电片的发电功率关系为：

温差20度：开路电压0.97V，发电电流：225MA

温差40度：开路电压1.8V，发电电流：368MA

温差60度：开路电压2.4V，发电电流：469MA

温差80度：开路电压3.6V，发电电流：558MA

温差100度：开路电压4.8V，发电电流：669MA

（2）温差发电散热采用，3D打印机散热片，尺寸大小为40*40mm。

（3）arduino pro mini

专业版的Arduino Mini Pro是一个微控制器电路板。它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可作为PWM输出），8个模拟输入，一个16MHz的谐振器，一个复位按钮，安装孔引脚头。从网上查到的资料显示，pro mini 功率大约在20ma 左右，当pro mini进入超级省电模式时，功率仅仅为5ma，所以说温差发电片的功率可以满足pro mini的日常使用。

3.arduino程序设计

利用Arduino模拟监测液位的原理

利用Arduino可以测量0v到5v的电压，利用Arduino的模拟信号输入接口，可以直接读取到接口连接的电压值，analogRead（）函数可以按比例转换一个0到1023之间的数字成为这个引脚上的电压。只需要采用电阻分压的方式监测水的电压，根据返回值，设定一个阈值就能判断杯子中是否有水。Arduino电路连接图如图所示：