一种色温感受辅助装置的设计

李 芯 徐春梅 张庆乐

(武汉工程职业技术学院 机电工程学院 武汉：430080)

一种色温感受辅助装置的设计

李 芯 徐春梅 张庆乐

(武汉工程职业技术学院 机电工程学院 武汉：430080)

设计了一款可供视觉障碍人士使用的色温感受辅助装置，可将环境色温转换为可触摸温度，从而使视觉障碍人士可以间接感受环境色温，辅助其判断环境颜色状态，有助于该人群生活品质的提高。文中对该装置进行了功能原理设计及初步的总体设计，重点介绍了该装置的部件布置和主机控制系统设计，为后续研究和商品化提供思路。

视觉障碍；色温；颜色传感器；温度传感器；半导体制冷制热

自2012年6月13日国务院第208次常务会议通过《无障碍环境建设条例》以来，无障碍设施建设和无障碍信息交流建设都在突飞猛进的发展，残疾人环境状况指数逐年上升。借由2016年末湖北省第二届“仁爱家和杯”残疾人辅助器具创新设计大赛的契机，笔者设计了一款可供视觉障碍人士使用的辅助装置，该装置可以将视觉看见不同环境色温时产生的心理感受转化为温度的变化，方便使用者采用触摸的方式来感觉周围环境的色温状态。

1 功能原理设计

图1所示为色温感受辅助装置功能分解的功能树，它将装置总功能分解为各级分功能，以便分析总功能实现的可行性和寻求最终的解决方案。

图1 色温感受辅助装置功能分解的功能树

根据功能树的描述，笔者考虑采用颜色传感器、温度传感器、单片机和半导体制冷制热技术等来完成其主要功能，其他无障碍辅助功能则依靠无线充电技术、蓝牙通讯技术和蜂鸣器等实现。经过多次实验的分析和测试，笔者选定了功能原理方案，并绘制了色温感受辅助装置主要功能的控制流程图， 见图2。

图2 色温感受辅助装置主要功能控制流程图

2 总体设计

2.1 造型设计

综合考虑人、机、环境和目标客户群体的使用特点的要求和矛盾，笔者将该装置在无法目视使用时的安全、易双手握持、易使用、不易损坏等作为外观设计的重点。主机的外观设计为最大直径为150mm的蛋形，充电座的外观设计为巢形，充电时只需将“蛋”放入“巢”中，即可完成无线充电，见图3。

图3 色温感受辅助装置造型设计示意图

2.2 部件布置设计

模块化设计的产品便于生产、组装、维修、升级和回收，适应现代工业化生产流程，故色温感受辅助装置采用模块化设计。主机部分由传感支撑、散热控温和充电控制三大部件构成，如图4～图6所示。安装时，将传感支撑部件的中空支撑杆穿过其他两个部件的中央孔(图7)，用专用工具锁紧六角螺母和扣紧螺母，最后合上充电控制部件的底盖。颜色传感器和环境温度传感器集成在主机顶端，最大程度避免遮挡、装置自身热量和人体温度等因素的影响，保证数据采集的准确性。半导体的散热体设计在双手握持时不易碰触到的主机上半部，金属感温片布置在握持时食指方便触碰的主机最大处直径，保证非目视情况下的使用便利性。主机的下半部分是充电控制部件，在方便充电、接驳控制线等的同时，降低主机重心，增加放置的平稳度和握持时的舒适度。充电座布置设计见图8。

图4 主机传感支撑部件示意图

图5 主机散热控温部件示意图

图6 主机充电控制部件示意图

图7 组装好的主机内部部件布置示意图

图8 充电座内部部件布置示意图

2.3 控制系统设计

该装置依靠手部触摸感温片获得温冷感觉来判断环境色温带来的心理感受，故需考虑触摸温度的安全。查标准可知人体皮肤接触温度的安全范围约为0-42℃，考虑安全系数，感温片的温度变化范围设计在2-40℃。虽然每个人的手部温度基本相同，但人的手温会随环境温度产生变化，保持在比环境温度高5℃左右。为了克服环境温度带来的影响，该装置需使用环境温度与感温片的温度差来作为半导体制冷制热时的目标值。充分考虑上述条件和人手部温度感应敏感程度等因素，设计色温感受辅助装置的色温分档控制标准如下，见表1。

表1 色温感受辅助装置色温分档及控制标准

色温感受辅助装置主机工作时，首先开启环境温度传感器检测环境温度，当温度处于安全范围时，装置正常启动，颜色传感器感知光信号，通过计算得到相应色温值，并将该数值转换为电压信号输入单片机。单片机根据电压信号的大小将输出信号归入1、2、3档，判定半导体制冷制热片的极性控制，即决定制热、不启动或制冷。随后单片机以5s为时基对半导体制冷制热片循环通电，同时以热电阻检测感温片的温度，直到感温片达到目标温度(见表1)，单片机停止对其通电，此时用手触摸感温片就可以感知当前色温下看见周围环境时的心理感受了。根据以上分析，选取合适的硬件并设计主机控制电路如下，见图9。充电座内的控制系统需要实现的功能为充电、寻找主机与被寻找蜂鸣，采用无线充电技术与蓝牙通讯技术完成，此两种技术均为成熟技术，故文中不再详细表述。

图9 主机控制电路图

3 小结

笔者设计的色温感受辅助装置采用颜色传感器和半导体制冷制热技术，将不同环境色温引起的心理冷暖感受转换为肢体触觉上的冷暖感觉，可以帮助视觉障碍人士感受环境色温的冷暖。另外，该装置外观圆润光滑，可提高触摸使用的安全性；使用巢形无线充电座，主机放入时自动对中，无需目视对准；使用温度反馈控制，保障感温片温度位于皮肤接触的安全范围；运用蓝牙通讯技术与蜂鸣器，提高充电时主机与充电座之间的寻找效率。从多个角度提升了无障碍使用体验。

当然，该装置还有一些不足，仍需后续研究来改进，主要体现在以下几个方面：人手对温度温度感觉的敏感程度和皮肤接触温度的安全范围导致只能辨别三档色温；人对温冷感觉有显著的适应现象，故装置使用时需要一定的技巧；综合考虑接触安全和半导体制冷制热的特性，装置使用时对环境温度有所限制；半导体制冷时有冷凝现象，装置要严格密封处理等。相信随着研究的深入和科技的不断发展，最终该装置能够商品化，帮助视觉障碍人士更好地感受生活。

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DesignofAuxiliaryColorTemperatureSensor

Li Xin Xu Chunmei Zhang Qingle

(Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

This paper introduces the design of an auxiliary color temperature sensor which can transfer surrounding color temperature to touchable temperature, so that people with vision disorder can feel their surrounding color temperature and live an easier life with the aid of this device. This paper describes basical theories and general design of this sensor with stress on layout of different parts and the main controlling system, hoping to provide reference to further study and commercialization of the product.

vision disorder; color temperature; color sensor; temperature sensor; semiconductor heating and cooling

TP216

A

1671-3524(2017)03-0036-04

2017-08-15

2017-08-25

李 芯(1982～)，女，硕士，讲师.E-mail：akira7@foxmail.com

(责任编辑：李文英)