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基本信息
- 項目名稱：
- 利用太陽能的傾倒時可自動封閉的新型智能容器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 生活中，瓶罐打翻而造成重要物品污損的情況時常困擾著我們，同樣在生產(chǎn)中化學(xué)試劑的傾倒泄露也會造成嚴重的危害。為此，本隊獨立設(shè)計一款“傾倒時可自動封閉防止溶液流失或危害的新型智能容器”(以下簡稱智能防傾杯)，力求以簡而優(yōu)的技術(shù)方案來克服這類常見問題。為具體推廣理念，我們僅以生活中常見的水杯作為模型代替籠統(tǒng)的容器概念，但其功能和應(yīng)用不局限于此，可成為構(gòu)建生活、生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備。
- 詳細介紹：
- 利用太陽能的傾倒時可自動封閉的新型智能容器 設(shè)計方案 1、 硬件設(shè)計 硬件方面主要是由電路和機械兩部分組成。電路是整個產(chǎn)品的核心，能夠?qū)崟r監(jiān)測判斷瓶蓋的狀態(tài)并及時做出控制，對裝置能否正常使用起著至關(guān)重要的作用。機械結(jié)構(gòu)為整個產(chǎn)品發(fā)揮作用提供一個平臺，是實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)和前提。 1.1電路設(shè)計 該裝置用于檢測水杯傾角的變化并對超過閾值的情況做出相應(yīng)的處理：蜂鳴器報警，啟動舵機。其主要由以下部分構(gòu)成：微處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊、報警及舵機模塊。裝置整機系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示： 圖1 整機系統(tǒng)的原理框圖 1.1.1微處理器模塊 ATmega8是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，有效地緩解了系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。本裝置使用的是TQFP封裝的ATmega8單片機。 1.1.2電源模塊 本裝置采用可充電的鎳氫電池進行供電。鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。本裝置使用的電源是將4節(jié)1.2V的鎳氫電池串聯(lián)使用，以提供足夠的電壓。 由于傳感器需要的是2.7V-3.6V的電壓，因此還需要進行電壓轉(zhuǎn)換。在此裝置中采用的是集成芯片LM1117。其輸出電壓范圍為1.25V-13.8V， 5種確定的輸出電壓值如下：1.8V,2.5V,2.85V,3.3V和5V。LM1117使用簡單，體積?。ㄌ貏e是SOT-223型的LM1117，可以節(jié)省很大的空間），僅需要很少的外圍電子元器件即可。它的一種典型應(yīng)用如圖2所示： 圖2 LM1117的典型應(yīng)用 在本裝置中的電源模塊如圖3所示： 圖3 本裝置中使用的電源模塊 其中JP1為連接電源的兩個插針，S4為電源開關(guān)，同時小電容C13起去耦除噪作用。 圖 圖4 太陽能電池示意圖 而充電部分我們選擇7塊串聯(lián)的太陽能電池進行。經(jīng)過試驗測試，在良好的日照條件下（正常條件下上午10點至下午4點），太陽能電池的開路電壓為7.2V,短路電流為1.7mA,充電電壓為5.0V,充電電流為20.0mA，雖然在考慮充電效率的條件下實際充電功率并不能達到理論值，但是由于正常情況下的耗電量極低，所以這樣在中午時刻將水杯在陽臺上放置半個小時，就可提供一天工作的電量。太陽能電池的連接方式如上圖所示。 1.1.3傳感器模塊 本裝置中使用的MXC62020M加速度計是美新公司推出的一款低成本、雙軸加速度計，其具有混合信號處理功能和集成式IIC總線，允許該設(shè)備直接連接到微處理器。同時，其外圍電路也很簡單。 1.1.4報警及舵機模塊 在正常情況下，裝置實時檢測水杯的傾角并根據(jù)一階差分值判斷水杯所處的狀態(tài)，并對特殊條件下的意外情況及時作出相應(yīng)的處理：啟動舵機，迅速封住出水口，防止容器內(nèi)部的液體流出；同時使能蜂鳴器，使有關(guān)人員能及時發(fā)現(xiàn)危險情況并排除之。對于舵機轉(zhuǎn)動位置的控制，主要是靠微控制器輸出不同占空比的方波，從而控制舵機軸轉(zhuǎn)動不同的角度，帶動與之相連的金屬擋片卡死出水口或者打開出水口。 報警主要是通過單片機的PD0口輸出一個高電平來使一個NPN 型的三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器工作，發(fā)出報警聲。此部分需要在三極管的基極上加上一個約100Ω的電阻進行限流。 舵機的控制無需使用特定的驅(qū)動電路或者驅(qū)動芯片，直接將單片機輸出信號的I/O口連至舵機的控制信號線即可。舵機的轉(zhuǎn)動角度與方波的占空比直接相關(guān)，在一個方波周期為20ms前提下，其關(guān)系如下圖所示： 圖5 舵機轉(zhuǎn)動角度與PWM占空比的關(guān)系 1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 1.2.1上蓋 上蓋是瓶蓋的核心組成零件，其為一剖面H形圓柱孔，但中間存在一平臺，主要用來配合安裝長孔和短孔，固定舵機、電路板。如圖6所示： 圖6 上蓋 1.2.2上蓋片 上蓋片配合安裝在上蓋的上層，與上蓋的中間層會隔出一個密封的空間來固定電路板、舵機和所需電源。 1.2.3下底 下底配合安裝在上蓋的底層，與上蓋的中間層同樣會隔出一個空間來安裝擋片。其上有個小凸臺，可以用來配合固定從上層空間伸出的舵機軸。 1.2.3長孔和短孔 長孔和短孔共同構(gòu)成瓶蓋的出水口，其中長孔穿過上蓋片和上蓋，短孔穿過下底和上蓋。長孔和短孔在安裝時中間會留有空隙，留給擋片適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)空間。如圖7和圖8所示： 圖7 長孔 圖8 短孔 1.2.4擋片 擋片為一扇形薄金屬片。其一端的小圓孔用以固定在舵機軸上，另一端的大圓孔用以在轉(zhuǎn)動至一定角度時打開出水口，與長孔、短孔配合使用。如圖9所示： 圖9 擋片 1.2.5杯體 杯體與杯蓋配合使用，是盛裝液體的部分，如圖10所示： 圖10 杯體 2、 軟件設(shè)計 軟件方面主要要完成加速度計數(shù)據(jù)的讀取與處理，判斷不同模式的區(qū)別，對超閾值情況的響應(yīng)等。整體軟件設(shè)計思路如圖11所示： 圖11 整體軟件設(shè)計思路 2.1加速度計數(shù)據(jù)的讀取與處理 裝置中使用的MXC62020M加速度計具有混合信號處理功能和集成式IIC總線。IIC的數(shù)據(jù)傳輸時的時序圖如圖12所示： 圖12 IIC數(shù)據(jù)傳輸時序圖 ATmega8具有兩線串行接口TWI功能，因此不需要使用I/O進行時序模擬，僅通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器就可以實現(xiàn)ATmega8和加速度計的通信，從而讀取其中的數(shù)值。AT mega8實現(xiàn)TWI功能主要有5個寄存器：TWI比特率寄存器TWBR, TWI控制寄存器TWCR, TWI狀態(tài)寄存器TWSR,TWI數(shù)據(jù)寄存器TWDR, TWI從機地址寄存器TWAR。當(dāng)TWDR中的數(shù)據(jù)進行一階差分運算所得的結(jié)果不為恒定值時，單片機就會自主判斷水杯所處的狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)程序。 2.2不同模式的區(qū)分 程序初始化完成后，首先利用微控制器首先對傳感器的讀數(shù)進行滑動窗口均值濾波以消除傳感器數(shù)值漂移給系統(tǒng)帶來的不良影響。然后建立狀態(tài)機機制以區(qū)分杯子所處的不同姿勢，同時對連續(xù)的讀數(shù)差分分析，偵測杯子的一階運動狀態(tài)。 2.2.1 杯子傾倒的不同種類 在先期調(diào)試中，電路板保留了微控制器的UART通訊接口，通過藍牙轉(zhuǎn)接串口通訊模塊把傳感器讀出的數(shù)值發(fā)送到電腦。對不同情況下采集的數(shù)進行了分類分析。 ? 杯子水平放置時被輕輕碰倒 在這種情況下，杯子的角速度很小，加速度呈近似單調(diào)減小的趨勢。其典型的加速度曲線如下圖（圖13）： 圖13 杯子緩倒時加速度讀數(shù) ? 杯子被重擊而倒 在這種情況下，加速度計讀數(shù)反應(yīng)出劇烈的變化，典型數(shù)據(jù)如圖14所示。 圖14 杯子猛倒時加速度讀數(shù) ? 杯子從使用者手中脫落 此情況下，杯子突然處于失重狀態(tài)，如圖15. 圖15 杯子從使用者手中脫落 2.2.2 杯子模式判別算法的實現(xiàn) 濾波后，在每個程序周期里通過傳感器的數(shù)值監(jiān)視杯子姿勢的狀態(tài)，通過一階差分值來監(jiān)視杯子的運動狀態(tài)。根據(jù)杯子姿勢的改變和一階差分值的改變共同判斷杯子的模式，即是危險的傾倒還是使用者正常喝水操作。算法經(jīng)測試可以識別日常生活中可發(fā)生的所有杯子傾倒的狀態(tài)并觸發(fā)危險情況響應(yīng)。 2.3危險情況的響應(yīng) 對于突發(fā)的危險情況，由單片機從傳感器接收到的數(shù)據(jù)判別類型后，單片機輸出電壓驅(qū)動后續(xù)電路，以保證對危險情況的響應(yīng)。 2.3.1 危險情況動作 對于非正常情況的處理有兩部分：指示燈報警和轉(zhuǎn)動舵機。 對于舵機的控制，首先須清楚方波占空比與舵機轉(zhuǎn)角的關(guān)系，詳見圖9所示。 在軟件的設(shè)計中采用的是ATmega8單片機的快速PWM功能。這其中需要設(shè)置寄存器TCCR1A和TCCCR1B，用以確定PWM輸出引腳、比較匹配時輸出時高電平還是低電平、分頻系數(shù)以及工作模式（此處為快速PWM模式）。需要賦值寄存器OCR1A，以決定單片機產(chǎn)生的方波周期；同時需賦值OCR1B，以決定輸出方波的占空比。在此處，由于方波由單片機的14腳（即PB2/OCIB）輸出，故在程序的開始部分將PB2腳設(shè)置為輸出。 若要產(chǎn)生其他占空比的方波,控制舵機轉(zhuǎn)至其他位置，僅需根據(jù)需要修改寄存器OCR1B中的值即可。 2.3.2 危險情況的解除 當(dāng)杯子姿勢恢復(fù)水平直立的正常狀態(tài)時，系統(tǒng)會判斷恢復(fù)的時間。當(dāng)超過一定時長后，系統(tǒng)恢復(fù)安全模式，杯蓋打開。 杯體外觀圖 杯蓋內(nèi)部圖 電路連接圖 機械結(jié)構(gòu)圖 電源技術(shù)參數(shù)表 參數(shù) 典型值 單位 備注 電源 太陽能充電電池 工作電壓 5.0 V 光照750lx 工作電流 20 mA 光照750lx 開路電壓 7.2 V 光照750lx 短路電流 1.7 A 光照750lx 鎳氫電池 工作電壓 4.8 V 最大電流 1 A 容量 800 mAh 裝置技術(shù)參數(shù)表 參數(shù) 典型值 單位 備注 典型工作電流 50 mA 無動作狀態(tài) 最大工作電流 300 mA 傾倒瞬時 典型功耗 0.24 W 平均值 典型工作溫度 0~55 ℃ 傳感器總線頻率 200 kHz 傳感器分辨力 0.5 mg 舵機最大扭力 0.8 kg?cm 舵機反應(yīng)速度 0.17 sec/60degree 舵機關(guān)閘時間 0.23 s 算法對典型傾倒的響應(yīng)時間 0.5 ms 解除危險狀態(tài)等待時間 5 s 微控制器工作頻率 8 MHz 內(nèi)部時鐘
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 電源技術(shù)參數(shù)表 參數(shù) 典型值 單位 備注 電源 太陽能充電電池 工作電壓 5.4 V 標(biāo)準(zhǔn)光源100mW/cm2 工作電流 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)光源100mW/cm2 開路電壓 7.2 V 標(biāo)準(zhǔn)光源100mW/cm2 短路電流 0.17 A 標(biāo)準(zhǔn)光源100mW/cm2 峰值電壓 7.5 V 鎳氫電池 工作電壓 4.8 V 最大電流 1 A 容量 800 mAh 裝置技術(shù)參數(shù)表 參數(shù) 典型值 單位 備注 典型工作電流 50 mA 無動作狀態(tài) 最大工作電流 300 mA 傾倒瞬時 典型功耗 0.24 W 平均值 典型工作溫度 0~55 ℃ 傳感器總線頻率 200 kHz 傳感器分辨力 0.5 mg 舵機最大扭力 0.8 kg?cm 舵機反應(yīng)速度 0.17 sec/60degree 舵機關(guān)閘時間 0.23 s 算法對典型傾倒的響應(yīng)時間 0.5 ms 解除危險狀態(tài)等待時間 1.2 s 微控制器工作頻率 8 MHz 內(nèi)部時鐘
科學(xué)性、先進性
- 1.利用太陽能電池作為主要能源，無需插電，環(huán)保節(jié)能。 2.設(shè)計了一種全新的瓶蓋，頂部內(nèi)嵌太陽能電池板，中部采用雙層拼合結(jié)構(gòu)，確保電路和機械裝置的安全穩(wěn)定，底部與橡膠圈壓合，防止?jié)B漏。 3.本裝置采用MXC6202xGHMN加速度傳感器，分辨率高，量程滿足要求（±2g），與微控制器的通信簡單易行，為滿足使用要求的最佳器件。若采用陀螺儀或光纖陀螺等調(diào)試復(fù)雜且體積較大、成本較高。 4.通過實驗建立了水杯不同運動情況下的加速度變化模型，從數(shù)值的變化規(guī)律判斷運動情況，簡化了相應(yīng)的硬件設(shè)計，同時降低了制作成本。 5．ATmega8單片機高性能低功耗，采用RISC結(jié)構(gòu)。同時其具備一個兩線串行接口TWI，可以直接通過設(shè)定相關(guān)的寄存器實現(xiàn)和IIC器件的通信。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲天津大學(xué)第八屆挑戰(zhàn)杯學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽特等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；模型；圖紙；磁盤；現(xiàn)場演示；圖片；錄像；樣品；
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本作品可用于防止生活中杯體傾倒引起的液體噴濺、物品污損和人員燙傷等問題，特別適用于老人和小孩等需要防傾灑容器的人群，也是咖啡、茶葉愛好者的好伴侶。智能防傾杯在生活中有廣闊的應(yīng)用范圍。本作品也適用于工業(yè)生產(chǎn)中的藥品和試劑等有毒有害的液體、粉末的存放，可以實現(xiàn)大批量實時監(jiān)控和檢測，方便管理人員迅速做出回應(yīng)，可成為構(gòu)建工業(yè)IOT（物聯(lián)網(wǎng)）的基礎(chǔ)設(shè)備。防傾杯的概念還可在交通運輸及海船等社會生產(chǎn)生活的各個方面有所發(fā)揮。如在去年發(fā)生的大連海上漏油事故中，倘若應(yīng)用本作品的思路，可在第一個油艙泄露后通過檢測倉壓的方法迅速識別并切斷其與其他儲油倉的連通管道，使漏油量大大減小，甚至達到零污染，在事故發(fā)生后把事故的損失減到最低。目前國內(nèi)外市場未出現(xiàn)同類產(chǎn)品，因此我們的產(chǎn)品將遇到較小的競爭壓力。同時這樣一款價格合理，對生活、生產(chǎn)中的頑疾有根治作用的針對性較強的產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)具有較大的市場需求以及盈利能力。本作品的市場分析及營銷策略，我們專門書寫了35頁的商業(yè)計劃書，因篇幅有限，難以全文呈現(xiàn)。
同類課題研究水平概述
- 我們的靈感源于生活中的實際問題，面對打翻水杯造成損失的問題，我們發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外并沒有有效的解決方法，因此自主研制了具有防傾功能的水杯。我們制定了如下的技術(shù)目標(biāo)： 1.水杯具有智能模式判別能力，判斷水杯所處的狀態(tài)并做出相應(yīng)的響應(yīng)。2.有良好的制動系統(tǒng)配合電路模塊，實現(xiàn)防止水杯傾倒后液體外流或噴灑的功能。3.利用太陽能做驅(qū)動能源，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。我們利用智能水杯，防傾，太陽能水杯，一階差分運算等關(guān)鍵字對國內(nèi)外的若干期刊文獻和專利庫進行查找，現(xiàn)將部分搜索結(jié)果列于下表：（一）搜索范圍：國內(nèi)數(shù)據(jù)庫及部分網(wǎng)上資源Google學(xué)術(shù)檢索，萬方數(shù)據(jù)庫，維普數(shù)據(jù)庫，中國期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，超星數(shù)字圖書館。（二）搜索結(jié)果：經(jīng)過搜索，并未發(fā)現(xiàn)有符合全部關(guān)鍵字的產(chǎn)品，因此僅列出符合部分關(guān)鍵字的結(jié)果。【篇名】鐵路起重機防傾翻裝置【作者】劉志，徐家森【摘要】針對NS1252型125t鐵路起重機吊裝工況狹窄,無法利用支腳支撐車體的情況,研發(fā)制作防傾翻安全裝置,以快捷、可靠地使車體和鋼軌緊固,提高了起重機作業(yè)的安全性.【篇名】汽車式起重機防傾翻檢測方法的研究【作者】張敏，程曉鳴【摘要】通過對汽車式起重機防傾翻裝置的研究,提出了"測液壓缸支承力-測傾角"結(jié)合的防傾翻檢測新方法,該方法可以解決傳統(tǒng)防傾翻檢測技術(shù)的技術(shù)難題,簡化防傾翻檢測技術(shù)。【篇名】傳感器在日常生活中的應(yīng)用——盲人報警水杯【作者】巫明銳【摘要】將傳感器技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)知識應(yīng)用干日常生活中,引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)物理知識應(yīng)用于創(chuàng)新實踐?！酒坎罘诌\算在數(shù)字調(diào)制制式識別中的應(yīng)用【作者】陶海平，楊翠娥【摘要】隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號調(diào)制制式的識別成為近年來的研究熱點，本文將差分運算應(yīng)用到數(shù)字調(diào)制制式的自動識別當(dāng)中，設(shè)計了一種新的算法，能夠成功識別2ASK，4ASK，2FSK，4FSK及2PSK五種信號。仿真結(jié)果表明，該算法具有較高的識別率。針對搜索到的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)實際生活中確有防傾倒功能的產(chǎn)品，但多用于大型工程中，如車輛建筑機械等，像我們這樣運用簡單的控制芯片解決生活中實際問題的產(chǎn)品并不多見，如果把范圍精確到水杯上，便找不到相同或功能相似的產(chǎn)品。綜上所述，國內(nèi)目前尚無實現(xiàn)相同或類似功能的產(chǎn)品問世，也沒有相關(guān)方向研究的論文或?qū)＠l(fā)布。
