无接触式自动感应饮水机

◎辽宁省大连市第八十中学 王治鑫

一、项目背景

疫情期间，保持距离才能保障安全，应避免直接接触公共设施如门把手、楼梯扶手等。火车站、机场、写字楼、学校等公共场所的饮水机都是按键式的，这增加了接触传染的风险。

我发明的无接触式自动感应饮水机，以防止重复按键、减少饮水时的直接接触为设计出发点，主要由两个分工不同、相互关联的模块组成。水杯检测模块包括光电传感器和压力传感器，该模块通过检测杯子是否存在以及杯子的高度，通过电磁阀控制饮水机的开关，实现自动感应出水，同时把水杯的高度发送给水位检测模块。水位检测模块接收到水杯高度的信息后，使用超声波传感器检测杯中水位，当水位达到预设值时关闭电磁阀，防止水满溢出并进行声音提示，从而有效减少接触传染的风险。整体系统设计如图1所示。

图1 整体系统设计

二、研究过程

1.准备阶段：分析原理，明确方向

结合所学知识和指导老师的建议，对项目的内容和原理进行系统地分析，初步形成项目研究方案，明确方向。

2.实验阶段：重点学习，努力提高

完成课题实验的各项准备，系统学习与项目相关的各项知识，主要学习光电传感器和超声波传感器的相关知识。

此外，我还针对传感器与慧鱼TXT控制器的连接做了大量测试实验，为项目的开展和研究做了充分的准备。

3.研究阶段：注重实践，全面推进

具备了一定的基础知识后，我开始着手制作并测试各个模块，接着对所有模块进行联动调试。

测试过程中我发现，要实现自动出水，需利用慧鱼的空气压缩机向密封的水罐中打气才能完成，但如何关闭出水开关是个问题。通过查找资料，我了解到将空气压缩机与慧鱼气动电磁阀连接，通过控制电磁阀来控制水罐内气体的进出，就能解决这个问题。

4.总结阶段：分析结论，检验成果

完成以上步骤后，我对模型的最终版进行了功能性检验。检验结果显示，无接触式自动感应饮水机能达到设计预期的功能。

三、硬件组成

1.整体结构

装置整体结构如图2。

图2 整体结构图

2.水杯检测模块

（1）整体逻辑

设计时，考虑到如果只用光电传感器检测水杯，安全性无法得到保证，因为只要光线被阻断，光电传感器就会导通，饮水机会直接出水，如果此时儿童把手伸入，易造成伤害。所以我在接水台的下面增加了压力传感器，只有两个传感器同时被触发，饮水机才会出水。我还在出水口和接水台之间安装了多个光电传感器，以确定水杯的高度。

（2）光电传感器

慧鱼光电传感器本质上是光敏三极管，是半导体器件。它是一种数字传感器，常与慧鱼的凸透灯泡配合使用，当光源被阻断时发出数字信号0，无阻断时发出数字信号1。由于是半导体器件，所以其极性至关重要。

图3 光电传感器外观

（3）超声波传感器

超声波传感器有一个发射器和一个接收器，发射器发射振动波，接收器接收反射波，检测传感器与目标物之间的距离。

图4 超声波传感器设计图

（4）气动设备

使用慧鱼空气压缩机和电磁阀控制出水开关，将水罐的进气端口与电磁阀相连，使用软件程序对电磁阀进行控制，实现水罐内气体的进出。

图5 气动设备连接图

3.水位检测模块

水杯检测模块检测到水杯后，通过不同位置的光电传感器返回的信号，检测杯子的大致高度，同时把水杯的高度发送给水位检测模块。超声波传感器接收到高度信号，开始测量杯中水的高度，当达到预设值时关闭电磁阀，关闭出水开关，并进行声音提示，防止水满溢出。

四、调试与结论

1.调试

采用分块调试的方法，在对每个模块进行调试的过程中分别采用了由局部到整体、由简单到复杂的调试方法，最后再将各个模块合成一个整体。

在调试过程中遇到的问题有：

（1）接水过程中未达到预定水位，水杯离开后出水口未关闭。

（2）用高杯子接水时，会在达到矮杯子的水位时发出“接水完成”的声音提示。

（3）切换不同高度的杯子时，水位检测模块报错，导致出水口无法关闭。

改进设计程序后，这些问题都得到了解决。

2.结论

在稳定性测试中，两个模块的各部分都性能良好，能实现杯子检测、杯子高度检测、水位检测、自动控制出水等功能。

五、创新性

1.利用光电传感器和压力传感器的配合使用，实现只有两个传感器同时被触发才可以出水。这样可以防止烫伤，提高饮水机的安全性。

2.通过光电传感器和超声波传感器配合使用，控制杯中水位，防止水满溢出，减少浪费。

六、作品实物图

图6 装置正面

图7 装置背面

专家点评

“无接触式自动感应饮水机”是一个改进型的发明项目。对这个项目的背景、研究内容、研究过程的分析以及对相关技术的熟练应用，体现了作者较强的学习与探究能力。同时项目的研究结论、创新性的提炼、呈现方式都较为严谨，充分说明作者走出了“为获奖而发明”的误区，践行着中国科学家“淡泊名利，潜心研究的奉献精神”，为青少年科创活动增添了“本真”的色彩。

事实表明，我国许多科学家都具有“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的宽广胸怀。青少年要勇攀科学高峰，就必须向前辈学习。只有远离追名逐利的心态，长大后才能做到潜心钻研，为推动国家发展、社会进步贡献出自己的智慧和力量。