無接觸式自動感應飲水機

譚迪熬 "中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。

一、項目背景

疫情期間，保持距離才能保障安全，應避免直接接觸公共設施如門把手、樓梯扶手等。火車站、機場、寫字樓、學校等公共場所的飲水機都是按鍵式的，這增加了接觸傳染的風險。

我發明的無接觸式自動感應飲水機，以防止重復按鍵、減少飲水時的直接接觸為設計出發點，主要由兩個分工不同、相互關聯的模塊組成。水杯檢測模塊包括光電傳感器和壓力傳感器，該模塊通過檢測杯子是否存在以及杯子的高度，通過電磁閥控制飲水機的開關，實現自動感應出水，同時把水杯的高度發送給水位檢測模塊。水位檢測模塊接收到水杯高度的信息后，使用超聲波傳感器檢測杯中水位，當水位達到預設值時關閉電磁閥，防止水滿溢出并進行聲音提示，從而有效減少接觸傳染的風險。整體系統設計如圖1所示。

二、研究過程

1.準備階段：分析原理，明確方向

結合所學知識和指導老師的建議，對項目的內容和原理進行系統地分析，初步形成項目研究方案，明確方向。

2.實驗階段：重點學習，努力提高

完成課題實驗的各項準備，系統學習與項目相關的各項知識，主要學習光電傳感器和超聲波傳感器的相關知識。

此外，我還針對傳感器與慧魚TXT控制器的連接做了大量測試實驗，為項目的開展和研究做了充分的準備。

3.研究階段：注重實踐，全面推進

具備了一定的基礎知識后，我開始著手制作并測試各個模塊，接著對所有模塊進行聯動調試。

測試過程中我發現，要實現自動出水，需利用慧魚的空氣壓縮機向密封的水罐中打氣才能完成，但如何關閉出水開關是個問題。通過查找資料，我了解到將空氣壓縮機與慧魚氣動電磁閥連接，通過控制電磁閥來控制水罐內氣體的進出，就能解決這個問題。

4.總結階段：分析結論，檢驗成果

完成以上步驟后，我對模型的最終版進行了功能性檢驗。檢驗結果顯示，無接觸式自動感應飲水機能達到設計預期的功能。

三、硬件組成

1.整體結構

裝置整體結構如圖2。

2.水杯檢測模塊

（1）整體邏輯

設計時，考慮到如果只用光電傳感器檢測水杯，安全性無法得到保證，因為只要光線被阻斷，光電傳感器就會導通，飲水機會直接出水，如果此時兒童把手伸入，易造成傷害。所以我在接水臺的下面增加了壓力傳感器，只有兩個傳感器同時被觸發，飲水機才會出水。我還在出水口和接水臺之間安裝了多個光電傳感器，以確定水杯的高度。

（2）光電傳感器

慧魚光電傳感器本質上是光敏三極管，是半導體器件。它是一種數字傳感器，常與慧魚的凸透燈泡配合使用，當光源被阻斷時發出數字信號0，無阻斷時發出數字信號1。由于是半導體器件，所以其極性至關重要。

（3）超聲波傳感器

超聲波傳感器有一個發射器和一個接收器，發射器發射振動波，接收器接收反射波，檢測傳感器與目標物之間的距離。

（4）氣動設備

使用慧魚空氣壓縮機和電磁閥控制出水開關，將水罐的進氣端口與電磁閥相連，使用軟件程序對電磁閥進行控制，實現水罐內氣體的進出。

3.水位檢測模塊

水杯檢測模塊檢測到水杯后，通過不同位置的光電傳感器返回的信號，檢測杯子的大致高度，同時把水杯的高度發送給水位檢測模塊。超聲波傳感器接收到高度信號，開始測量杯中水的高度，當達到預設值時關閉電磁閥，關閉出水開關，并進行聲音提示，防止水滿溢出。

四、調試與結論

1.調試

采用分塊調試的方法，在對每個模塊進行調試的過程中分別采用了由局部到整體、由簡單到復雜的調試方法，最后再將各個模塊合成一個整體。

在調試過程中遇到的問題有：

（1）接水過程中未達到預定水位，水杯離開后出水口未關閉。

（2）用高杯子接水時，會在達到矮杯子的水位時發出“接水完成”的聲音提示。

（3）切換不同高度的杯子時，水位檢測模塊報錯，導致出水口無法關閉。

改進設計程序后，這些問題都得到了解決。

2.結論

在穩定性測試中，兩個模塊的各部分都性能良好，能實現杯子檢測、杯子高度檢測、水位檢測、自動控制出水等功能。

五、創新性

1.利用光電傳感器和壓力傳感器的配合使用，實現只有兩個傳感器同時被觸發才可以出水。這樣可以防止燙傷，提高飲水機的安全性。

2.通過光電傳感器和超聲波傳感器配合使用，控制杯中水位，防止水滿溢出，減少浪費。

六、作品實物圖

專家點評

“無接觸式自動感應飲水機”是一個改進型的發明項目。對這個項目的背景、研究內容、研究過程的分析以及對相關技術的熟練應用，體現了作者較強的學習與探究能力。同時項目的研究結論、創新性的提煉、呈現方式都較為嚴謹，充分說明作者走出了“為獲獎而發明”的誤區，踐行著中國科學家“淡泊名利，潛心研究的奉獻精神”，為青少年科創活動增添了“本真”的色彩。

事實表明，我國許多科學家都具有“先天下之憂而憂，后天下之樂而樂”的寬廣胸懷。青少年要勇攀科學高峰，就必須向前輩學習。只有遠離追名逐利的心態，長大后才能做到潛心鉆研，為推動國家發展、社會進步貢獻出自己的智慧和力量。