红外感应智能筷子的设计

□李嘉欣

一、引言

红外感应智能筷子是一种通过利用红外传感器感应进食者在使用筷子运动过程中对光线折射感应不同来感应使用者的进食速度的智能餐具，目前在国内并未出现同类产品，存在智能餐具的空白市场。由于城市生活节奏快、压力大，为了提高工作效率，人们通常在吃饭上节约时间，使用最多的餐具就是筷子。但是传统筷子只能作为餐具，对于控制人们狼吞虎咽的情况、减慢进食速度来达到健康养生的目的并没有任何帮助。

红外感应智能筷子在控制使用者进食速度方面有明显的效果。以色列本古里安大学研究发现，胃口不好的人易早死亡。中医有“人以胃气为本”的说法。胃不仅是消化系统的重要器官，还参与调解几乎全身所有器官的活动。因此建议人们吃饭要细嚼慢咽，每口咀嚼不低于20 次，以减轻肠胃负担。但是现代人在吃饭时很难做到控制进食速度，红外感应智能筷子在这时便会通过顶端的LED 警示灯提示使用者进食过快，使生活方式更加健康。

图1

红外感应智能筷子分为手持部和夹持部两部分，是通过手持部内部的红外传感器、计数器以及数值比较器采集到使用者是否进食过快的信号，再将信息传递到夹持部的LED 灯来提示使用者是否进食速度过快。相比之下，红外感应智能筷子更具以下优势:一是设计为可拆分外形，避免清洗时电子产品进水影响使用。二是通过USB 接口充电，节省放置电池的空间，使产品轻便，便于使用。三是符合中国人饮食习惯，将电路同筷子本体设计在一起。

二、智能筷子结构设计

红外感应智能筷子分为通过卡槽连接可拆分的手持部和夹持部两部分。手持部为筷子使用时的主要部分，内置红外感应器、计数器和数值比较器。夹持部为智能筷子整体供电部分，具有USB 充电电池和USB 充电插口以及LED 灯，起到警示使用者进食速度过快的作用。产品整体外形如图1所示。

三、手持部硬件电路设计

手持部外形与传统筷子相同，为逐渐变细的长圆柱形。内部不同于传统筷子，红外感应智能筷子手持部内置感应装置，主要元件为红外感应器，计数器和数值比较器。手持部为筷子主要的使用部分，在距筷子最底端40 毫米处筷子内部为红外传感器，通过运动时筷子的角度变化引起的红外光线反射变化，利用红外传感器将该信号传递到计数器中，对进食者的进食频率开始计数。通过光敏电阻将计数信号转换为电压信号、利用放大电路将该电压信号进行放大，放大后的信号与计数器输入端子连接，计数器的计数脉冲(CLK)对采样信号进行定时。

(一)红外感应器收集数据分析。物联网改变了我们的生活方式，不仅在于网上购物，更是能通过二维码识读设备、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网向连接进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网的发展离不开传感设备的发展。目前，几乎没有人愿意花几百元去买一个烟盒大小的传感器来把家里的家具整合到他们的智能家居中。然而，如果这一传感器变得只有纽扣大小，而且仅花一美元时，情况就不同了，传感器正变得越来越小，越来越低廉，也越来越稳定。随着传感器技术的进步，即使是看似平凡的日常用品如桌椅等也将可能有传感器的应用。传感器将变得更加智能化，可通过对温度，光，距离，压力等参数的监测告知我们周围环境的变化。随着传感器技术的发展，其将对我们的生活产生更深远的影响。

红外感应智能筷子通过距筷子底端40mm 处的内置红外感应器感应使用者在进食过程中筷子的运动过程对光线折射感应不同来感应使用者的进食速度。红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度)，都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化(这种变化可能是变大也可能是变小，因为热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻)，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

在此红外感应智能筷子中应用的是光敏元件，通过光敏元件与差分放大电路共同作用，将光信号转换成电信号传递到筷子手持部内部下一元件中。

(二)计数器与数值比较器分析。从光信号转化成的电信号通过差分放大电路进行放大处理，放大后的信号与计数器输入端子连接，计数器的计数脉冲(CLK)对采样信号进行定时。

计数器是一种能够记录脉冲数目的装置，是数字电路中最常用的逻辑部件。在红外感应智能筷子当中，使用的是十进制加法计数器，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能。在这里我们主要利用计数器对红外线传感器传递的脉冲个数进行计数。获得使用者在一定时间内进食速度的数据。

图2 计数器电路

与计数器相连接的数值比较器作用是将接收到的电信号同数值比价器中的存储信号相比较。若计数器数据大于比较器内的标准数据，则在数据比较器的输出端有输出信号。反之，若计数器数据小于比较器内的标准数据，则在数据比较器的输出端没有输出信号。

四、夹持部硬件电路设计分析

夹持部是红外感应智能筷子的顶端部分，主要作用是通过对内置USB充电器充电对产品进行供电。在手持部和夹持部连接部位有卡槽，在使用时将卡槽对准将上下两部分连接，此时手持部顶端和夹持部底端的触点接触，使电能传输到下部手持部内部电路，红外感应智能筷子即可使用。

夹持部包括LED 小灯泡和USB 接口充电器，红外感应智能筷子的手持部和夹持部为可拆分结构，使用时通过连接处的卡槽固定，同时卡槽处有触点，当红外感应智能筷子正常使用时，上下两部分的触点相接触，若手持部有电信号输出，则通过触点传递到夹持部，使LED 灯发光，达到警示使用者食速过快的作用。反之，若使用者的进食速度在标准值范围内，手持部则没有电信号的输出，夹持部的LED 灯不发光。红外感应智能筷子采用USB 接口充电的方式为产品整体提供5V 电压。生活中最常使用的供电装置就是电池，然而电池作为一次性产品，若经常更换价格高。而红外感应智能筷子充电时仅需将夹持部连接USB 接口即可充电，也可连接标准充电器使用数据线连接，在家用插座上进行充电。

五、电路接口设计

如图3所示为红外感应智能筷子的电路结构连接图。从手持部末端到夹持部末端包括红外传感器、计数器、数值比较器、LED 报警灯、USB 充电电源和USB 接口，各元件依次连接。

图3 数值比较器

六、结语

第一，红外感应智能筷子可以帮助在日常生活中进食过快的人群保持健康的进食速度，并且预防肥胖和意外呛食的发生。该产品对于想控制饮食速度自控力却不强的人群，对进食过快易发生危险的儿童及老年人都有很大帮助。第二，红外感应智能筷子不拘泥于传统餐具的形式，将电子元件置于传统筷子腔体内，借助LED 灯提示使用者注意进食速度。并且设计成手持部和夹持部两部分，使用时通过卡槽固定。第三，红外感应智能筷子通过USB 接口充电，在夹持部内置USB 电源，可通过夹持部顶端的USB 接口传输电能，为整体提供5V 电压，并通过卡槽连接处触点将电能传送到手持部电子元件处。使用充电电源既节省了更换一次性电池的费用，也为产品外形的设计提供了便利，给使用者带来更舒适的使用过程。

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