一種防傾倒智能水杯的設計與應用

劉嘉豪

摘 要：敞口杯作為人們日常飲用水的工具，在使用過程中常會因不經意觸碰而傾倒，從而造成一些例如筆記本電腦，書籍等桌面用品的損壞，給使用者帶來諸多不便。本文基于上述背景設計出一種防傾倒智能水杯，所設計的智能水杯通過上杯蓋、下杯蓋和滑槽之間的相互作用達到了防傾倒的目的。除此之外，水杯內置溫度傳感器和LED燈，在不同的溫度區間，LED燈會發出不同的光亮，能夠便捷地讓使用者得知杯內水的溫度是否適合飲用。所設計的水杯具有防傾倒和智能提示的作用，體現出一定的創新理念和實用價值。

關鍵詞：智能水杯;防傾倒;溫度傳感器;LED燈

中圖分類號：TS972.23 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0047-02

0 引言

水杯作為常用生活用品，其結構、外形、材質隨著時代的不同均發生著不同的變化。敞口杯作為水杯的一種類型，因其盛水量高、飲用方便等特點而備受人們的歡迎。然而，在使用敞口杯的過程中，因使用者不經意的觸碰導致水杯傾倒的現象時有發生。由此帶來的財產損失不僅損害了用戶利益，也在一定程度上造成了資源的浪費。與此同時，也降低了使用者的用戶體驗度和工作效率。除此之外，敞口杯因杯口橫截面較大具有散熱快的特點，但卻不具備溫度提醒的功能。因此，使用者因杯內溫度過高，在誤飲的過程中發生燙傷的時間也有發生。這些問題都給用戶帶來極大的不便。基于此，一種具有防傾倒功能的智能水杯的設計工作便迫在眉睫。

在智能水杯的設計過程中，馮展翼基于物聯網的發展，針對不同的人群需求，在手機的APP版面上設置不同的服務特性，體現了水杯的智能化服務[1]。劉壯壯等人設計出一種具有無線充電功能的水杯，并且使用太陽能對水杯進行充電，從而使得杯內溫度保持在恒定區間，達到了理想的保溫效果[2]。成晉軍等人設計出一種可自動調節溫度的智能控溫水杯，采用AT89C51單片機輔助外圍電路作為控制核心完成對水溫的監控與控制[3]。張仁朝等人基于STC12C5A60S2單片機技術設計出一款具有語音提示功能的智能水杯，該水杯可智能提醒因工作忙碌而忘記喝水的人群，在一定程度上體現出人性化的理念[4]。劉宇浩設計了一款具有水量檢測功能的智能水杯，通過水杯底部的重量傳感器實現水位的測量，方便了人們的精確度量用水[5]。汪濤等人基于Android平臺和ZigBee無線通信技術，以TI公司的CC2530為主要硬件平臺，設計了一款可進行營養元素配比的智能水杯[6]。康燕萍等人將一種半導體制冷技術應用到智能水杯的研究中，實現了水杯的制冷、加熱與恒溫功能。經過試驗測試，加熱時溫度可達到70℃，制冷時溫度可低至10℃以下[7]。楊繼保等人以MCS-51單片機為主芯片，實現了水杯的智能加濕、遠程監測水體溫度等功能[8]。然而，目前關于水杯的防傾倒設計功能的文獻依然匱乏，關于水杯智能化溫度提示功能的設計文獻也寥寥可數。

本文通過針對目前智能水杯領域存在的研究缺陷，設計了一種具有防傾倒功能的智能水杯。所設計的水杯包括水杯本體、杯蓋、單片機、LED燈、溫度傳感器以及按鈕開關等組件。通過單片機控制杯蓋的開啟與關閉，實現水杯重力調節，從而達到防傾倒的目的。通過溫度傳感器和LED燈實現水杯杯體的溫度指示，實現智能飲水功能。所設計的水杯結構簡單，智能化程度高，具有一定的實用性。對智能水杯領域的發展也具有一定的參考價值。

1 設計方案

1.1 水杯整體結構設計原理

如圖1所示為該智能水杯的整體結構示意圖，水杯本體頂部為可控杯蓋，把手上方設置有按鈕開關，可便于使用者控制杯蓋的開啟與關閉，從而達到調整水杯重心的目的。當杯蓋開啟時，水杯整體重心上移，可進行正常飲用水活動;當杯蓋關閉時，水杯整體重心下移，在不經意觸碰時，不會打翻水杯。與此同時，閉合的杯蓋也防止水杯中液體向外灑出，方便使用者安全使用。杯體的上凸點與杯蓋的下凸點結合可達到信號正常傳輸的目的。蓄電池置于杯體底部，可與USB接口進行連接，從而達到對水杯進行智能充電的目的。

1.2 智能化杯蓋設計原理

如圖2所示，為智能化杯蓋結構圖。單片機通過杯蓋的下凸點和杯體上凸點連接的電路信號實現控制溫度傳感器和LED燈的功能。溫度傳感器檢測杯中溫度，并將信號反饋給LED燈。LED燈的指示類型包括紅燈、綠燈和藍燈。當杯體溫度區間在37℃以下時，LED藍燈閃爍，表明杯體內溫度低于人體體溫，可當做冰水飲用;當杯體溫度區間在37℃到50℃時，LED綠燈閃爍，表明杯體內溫度適宜，飲用者可正常飲用。當杯體溫度區間在50℃以上時，LED紅燈閃爍，表明杯體內溫度過高，不適宜飲用。

微型馬達與把手上按鈕開關連接，其主要作用是控制杯蓋的橫向運動。微型馬達輸出端設有齒輪，齒輪底部設有開槽，下杯蓋與齒輪連接處設有齒槽，從而保證了通過控制馬達勁兒控制下杯蓋移動的目的。當用戶按動按鈕開關時，微型馬達啟動，下杯蓋向上杯蓋內收縮，水杯重心上移，便于飲用者飲水。當用戶松開按鈕開關時，微型馬達再次啟動，下杯蓋向外滑出與防水槽相抵，調整杯體重心，同時避免液體向外流出。

如圖3所示為下杯蓋和防水槽嚙合示意圖，圖4為杯蓋結構的俯視圖。下杯蓋的結構采用密度較高的材料進行設計，保證了移動后水杯整體重心的下移。有利于提高杯體的穩定性，從而達到防止水杯傾倒的目的;防水槽的結構采用粘性較高的材料組成，有利于其與下杯蓋的嚙合。從而使得杯中水分不易流出杯體，進一步保證了水杯的安全性。

1.3 智能化水杯系統控制過程

如圖5所示為水杯的控制模式，溫度傳感器檢測杯體內部溫度，將信號傳送給單片機，單片機進一步控制LED燈閃爍。通過按鈕開關的開啟與關閉將信號傳送給單片機，從而進一步控制微型馬達的啟動。

2 創新性與實用性分析

本文所設計的智能水杯相比較傳統的水杯而言，通過單片機控制杯蓋的操作模式達到控制杯體重心的目的，使得水杯不宜傾倒，且可以保證杯內水分在使用者不適用的狀態下不宜流出。杯體下方的溫度傳感器可對杯中溫度進行實時監測，通過杯蓋表面的LED不同顏色的指示燈閃爍達到提示使用者杯中水溫的目的。所設計的智能水杯具有上述兩個鮮明的優點，體現出一定的創新性。

目前市場上流行的智能水杯大多數僅能對杯中水溫進行檢測，通過杯體的液晶顯示屏顯示實時溫度，造價昂貴且功能單一。本文所設計的智能水杯加入了防傾倒功能，且僅通過LED指示燈就可得知杯中水溫是否適合飲用，大大降低了制造成本，性價比較高，體現出一定的實用性。

3 結語

本文通過引入單片機控制智能杯蓋的移動，實現了水杯的防傾倒功能。與此同時，通過接入溫度傳感器與LED指示燈，達到了對杯中水溫進行檢測的目的。所設計的智能水杯結構簡單，功能性強，制作成本較低，比較適合上班族在辦公區使用。本文所提供的防傾倒型智能水杯的設計方案為市場上的智能水杯研制工作提供了參考依據，從而在一定程度上促進了我國智能水杯的發展。

參考文獻

[1] 馮展翼.基于物聯網的智能水杯產品設計[J].科技經濟導刊，2019，27（03）：46-47.

[2] 劉壯壯，袁向榮，孫明寬，尹立軒，孔德康，范成燕.無線充電智能水杯[J].電子世界，2019（02）：118-119.

[3] 成晉軍，張曉娟.一種可自動調節溫度的智能溫控水杯設計[J].山西電子技術，2018（06）：43-45.

[4] 張仁朝，王先彪.基于STC12C5A60S2單片機的智能水杯設計[J].電子世界，2018（22）：164-165.

[5] 劉宇浩.一種新型水杯的設計與實現[J].科技經濟導刊，2018，26（32）：46-48.

[6] 汪濤，黃昀，于慧伶.基于ZigBee的智能水杯系統設計及實現[J].黑河學院學報，2018，9（08）：209-212.

[7] 康燕萍，程小輝，黃鵬.應用半導體制冷技術的智能水杯設計[J].桂林理工大學學報，2017，37（04）：707-712.

[8] 楊繼寶，何昊男，韓明，丁志康.基于51單片機的智能加濕水杯[J].電子世界，2017（09）：118.