一种防倾倒智能水杯的设计与应用

刘嘉豪

摘 要：敞口杯作为人们日常饮用水的工具，在使用过程中常会因不经意触碰而倾倒，从而造成一些例如笔记本电脑，书籍等桌面用品的损坏，给使用者带来诸多不便。本文基于上述背景设计出一种防倾倒智能水杯，所设计的智能水杯通过上杯盖、下杯盖和滑槽之间的相互作用达到了防倾倒的目的。除此之外，水杯内置温度传感器和LED灯，在不同的温度区间，LED灯会发出不同的光亮，能够便捷地让使用者得知杯内水的温度是否适合饮用。所设计的水杯具有防倾倒和智能提示的作用，体现出一定的创新理念和实用价值。

关键词：智能水杯;防倾倒;温度传感器;LED灯

中图分类号：TS972.23 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0047-02

0 引言

水杯作为常用生活用品，其结构、外形、材质随着时代的不同均发生着不同的变化。敞口杯作为水杯的一种类型，因其盛水量高、饮用方便等特点而备受人们的欢迎。然而，在使用敞口杯的过程中，因使用者不经意的触碰导致水杯倾倒的现象时有发生。由此带来的财产损失不仅损害了用户利益，也在一定程度上造成了资源的浪费。与此同时，也降低了使用者的用户体验度和工作效率。除此之外，敞口杯因杯口横截面较大具有散热快的特点，但却不具备温度提醒的功能。因此，使用者因杯内温度过高，在误饮的过程中发生烫伤的时间也有发生。这些问题都给用户带来极大的不便。基于此，一种具有防倾倒功能的智能水杯的设计工作便迫在眉睫。

在智能水杯的设计过程中，冯展翼基于物联网的发展，针对不同的人群需求，在手机的APP版面上设置不同的服务特性，体现了水杯的智能化服务[1]。刘壮壮等人设计出一种具有无线充电功能的水杯，并且使用太阳能对水杯进行充电，从而使得杯内温度保持在恒定区间，达到了理想的保温效果[2]。成晋军等人设计出一种可自动调节温度的智能控温水杯，采用AT89C51单片机辅助外围电路作为控制核心完成对水温的监控与控制[3]。张仁朝等人基于STC12C5A60S2单片机技术设计出一款具有语音提示功能的智能水杯，该水杯可智能提醒因工作忙碌而忘记喝水的人群，在一定程度上体现出人性化的理念[4]。刘宇浩设计了一款具有水量检测功能的智能水杯，通过水杯底部的重量传感器实现水位的测量，方便了人们的精确度量用水[5]。汪涛等人基于Android平台和ZigBee无线通信技术，以TI公司的CC2530为主要硬件平台，设计了一款可进行营养元素配比的智能水杯[6]。康燕萍等人将一种半导体制冷技术应用到智能水杯的研究中，实现了水杯的制冷、加热与恒温功能。经过试验测试，加热时温度可达到70℃，制冷时温度可低至10℃以下[7]。杨继保等人以MCS-51单片机为主芯片，实现了水杯的智能加湿、远程监测水体温度等功能[8]。然而，目前关于水杯的防倾倒设计功能的文献依然匮乏，关于水杯智能化温度提示功能的设计文献也寥寥可数。

本文通过针对目前智能水杯领域存在的研究缺陷，设计了一种具有防倾倒功能的智能水杯。所设计的水杯包括水杯本体、杯盖、单片机、LED灯、温度传感器以及按钮开关等组件。通过单片机控制杯盖的开启与关闭，实现水杯重力调节，从而达到防倾倒的目的。通过温度传感器和LED灯实现水杯杯体的温度指示，实现智能饮水功能。所设计的水杯结构简单，智能化程度高，具有一定的实用性。对智能水杯领域的发展也具有一定的参考价值。

1 设计方案

1.1 水杯整体结构设计原理

如图1所示为该智能水杯的整体结构示意图，水杯本体顶部为可控杯盖，把手上方设置有按钮开关，可便于使用者控制杯盖的开启与关闭，从而达到调整水杯重心的目的。当杯盖开启时，水杯整体重心上移，可进行正常饮用水活动;当杯盖关闭时，水杯整体重心下移，在不经意触碰时，不会打翻水杯。与此同时，闭合的杯盖也防止水杯中液体向外洒出，方便使用者安全使用。杯体的上凸点与杯盖的下凸点结合可达到信号正常传输的目的。蓄电池置于杯体底部，可與USB接口进行连接，从而达到对水杯进行智能充电的目的。

1.2 智能化杯盖设计原理

如图2所示，为智能化杯盖结构图。单片机通过杯盖的下凸点和杯体上凸点连接的电路信号实现控制温度传感器和LED灯的功能。温度传感器检测杯中温度，并将信号反馈给LED灯。LED灯的指示类型包括红灯、绿灯和蓝灯。当杯体温度区间在37℃以下时，LED蓝灯闪烁，表明杯体内温度低于人体体温，可当做冰水饮用;当杯体温度区间在37℃到50℃时，LED绿灯闪烁，表明杯体内温度适宜，饮用者可正常饮用。当杯体温度区间在50℃以上时，LED红灯闪烁，表明杯体内温度过高，不适宜饮用。

微型马达与把手上按钮开关连接，其主要作用是控制杯盖的横向运动。微型马达输出端设有齿轮，齿轮底部设有开槽，下杯盖与齿轮连接处设有齿槽，从而保证了通过控制马达劲儿控制下杯盖移动的目的。当用户按动按钮开关时，微型马达启动，下杯盖向上杯盖内收缩，水杯重心上移，便于饮用者饮水。当用户松开按钮开关时，微型马达再次启动，下杯盖向外滑出与防水槽相抵，调整杯体重心，同时避免液体向外流出。

如图3所示为下杯盖和防水槽啮合示意图，图4为杯盖结构的俯视图。下杯盖的结构采用密度较高的材料进行设计，保证了移动后水杯整体重心的下移。有利于提高杯体的稳定性，从而达到防止水杯倾倒的目的;防水槽的结构采用粘性较高的材料组成，有利于其与下杯盖的啮合。从而使得杯中水分不易流出杯体，进一步保证了水杯的安全性。

1.3 智能化水杯系统控制过程

如图5所示为水杯的控制模式，温度传感器检测杯体内部温度，将信号传送给单片机，单片机进一步控制LED灯闪烁。通过按钮开关的开启与关闭将信号传送给单片机，从而进一步控制微型马达的启动。

2 创新性与实用性分析

本文所设计的智能水杯相比较传统的水杯而言，通过单片机控制杯盖的操作模式达到控制杯体重心的目的，使得水杯不宜倾倒，且可以保证杯内水分在使用者不适用的状态下不宜流出。杯体下方的温度传感器可对杯中温度进行实时监测，通过杯盖表面的LED不同颜色的指示灯闪烁达到提示使用者杯中水温的目的。所设计的智能水杯具有上述两个鲜明的优点，体现出一定的创新性。

目前市场上流行的智能水杯大多数仅能对杯中水温进行检测，通过杯体的液晶显示屏显示实时温度，造价昂贵且功能单一。本文所设计的智能水杯加入了防倾倒功能，且仅通过LED指示灯就可得知杯中水温是否适合饮用，大大降低了制造成本，性价比较高，体现出一定的实用性。

3 结语

本文通过引入单片机控制智能杯盖的移动，实现了水杯的防倾倒功能。与此同时，通过接入温度传感器与LED指示灯，达到了对杯中水温进行检测的目的。所设计的智能水杯结构简单，功能性强，制作成本较低，比较适合上班族在办公区使用。本文所提供的防倾倒型智能水杯的设计方案为市场上的智能水杯研制工作提供了参考依据，从而在一定程度上促进了我国智能水杯的发展。

参考文献

[1] 冯展翼.基于物联网的智能水杯产品设计[J].科技经济导刊，2019，27（03）：46-47.

[2] 刘壮壮，袁向荣，孙明宽，尹立轩，孔德康，范成燕.无线充电智能水杯[J].电子世界，2019（02）：118-119.

[3] 成晋军，张晓娟.一种可自动调节温度的智能温控水杯设计[J].山西电子技术，2018（06）：43-45.

[4] 张仁朝，王先彪.基于STC12C5A60S2单片机的智能水杯设计[J].电子世界，2018（22）：164-165.

[5] 刘宇浩.一种新型水杯的设计与实现[J].科技经济导刊，2018，26（32）：46-48.

[6] 汪涛，黄昀，于慧伶.基于ZigBee的智能水杯系统设计及实现[J].黑河学院学报，2018，9（08）：209-212.

[7] 康燕萍，程小辉，黄鹏.应用半导体制冷技术的智能水杯设计[J].桂林理工大学学报，2017，37（04）：707-712.

[8] 杨继宝，何昊男，韩明，丁志康.基于51单片机的智能加湿水杯[J].电子世界，2017（09）：118.