基本信息
- 项目名称：
- 利用太阳能的倾倒时可自动封闭的新型智能容器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 生活中，瓶罐打翻而造成重要物品污损的情况时常困扰着我们，同样在生产中化学试剂的倾倒泄露也会造成严重的危害。为此，本队独立设计一款“倾倒时可自动封闭防止溶液流失或危害的新型智能容器”(以下简称智能防倾杯)，力求以简而优的技术方案来克服这类常见问题。为具体推广理念，我们仅以生活中常见的水杯作为模型代替笼统的容器概念，但其功能和应用不局限于此，可成为构建生活、生产物联网的基础设备。
- 详细介绍：
- 利用太阳能的倾倒时可自动封闭的新型智能容器 设计方案 1、 硬件设计 硬件方面主要是由电路和机械两部分组成。电路是整个产品的核心，能够实时监测判断瓶盖的状态并及时做出控制，对装置能否正常使用起着至关重要的作用。机械结构为整个产品发挥作用提供一个平台，是实现其功能的基础和前提。 1.1电路设计 该装置用于检测水杯倾角的变化并对超过阈值的情况做出相应的处理：蜂鸣器报警，启动舵机。其主要由以下部分构成：微处理器模块、电源模块、传感器模块、报警及舵机模块。装置整机系统的原理框图如图1 所示： 图1 整机系统的原理框图 1.1.1微处理器模块 ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，有效地缓解了系统在功耗和处理速度之间的矛盾。本装置使用的是TQFP封装的ATmega8单片机。 1.1.2电源模块 本装置采用可充电的镍氢电池进行供电。镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。本装置使用的电源是将4节1.2V的镍氢电池串联使用，以提供足够的电压。 由于传感器需要的是2.7V-3.6V的电压，因此还需要进行电压转换。在此装置中采用的是集成芯片LM1117。其输出电压范围为1.25V-13.8V， 5种确定的输出电压值如下：1.8V,2.5V,2.85V,3.3V和5V。LM1117使用简单，体积小（特别是SOT-223型的LM1117，可以节省很大的空间），仅需要很少的外围电子元器件即可。它的一种典型应用如图2所示： 图2 LM1117的典型应用 在本装置中的电源模块如图3所示： 图3 本装置中使用的电源模块 其中JP1为连接电源的两个插针，S4为电源开关，同时小电容C13起去耦除噪作用。 图 图4 太阳能电池示意图 而充电部分我们选择7块串联的太阳能电池进行。经过试验测试，在良好的日照条件下（正常条件下上午10点至下午4点），太阳能电池的开路电压为7.2V,短路电流为1.7mA,充电电压为5.0V,充电电流为20.0mA，虽然在考虑充电效率的条件下实际充电功率并不能达到理论值，但是由于正常情况下的耗电量极低，所以这样在中午时刻将水杯在阳台上放置半个小时，就可提供一天工作的电量。太阳能电池的连接方式如上图所示。 1.1.3传感器模块 本装置中使用的MXC62020M加速度计是美新公司推出的一款低成本、双轴加速度计，其具有混合信号处理功能和集成式IIC总线，允许该设备直接连接到微处理器。同时，其外围电路也很简单。 1.1.4报警及舵机模块 在正常情况下，装置实时检测水杯的倾角并根据一阶差分值判断水杯所处的状态，并对特殊条件下的意外情况及时作出相应的处理：启动舵机，迅速封住出水口，防止容器内部的液体流出；同时使能蜂鸣器，使有关人员能及时发现危险情况并排除之。对于舵机转动位置的控制，主要是靠微控制器输出不同占空比的方波，从而控制舵机轴转动不同的角度，带动与之相连的金属挡片卡死出水口或者打开出水口。 报警主要是通过单片机的PD0口输出一个高电平来使一个NPN 型的三极管导通，使蜂鸣器工作，发出报警声。此部分需要在三极管的基极上加上一个约100Ω的电阻进行限流。 舵机的控制无需使用特定的驱动电路或者驱动芯片，直接将单片机输出信号的I/O口连至舵机的控制信号线即可。舵机的转动角度与方波的占空比直接相关，在一个方波周期为20ms前提下，其关系如下图所示： 图5 舵机转动角度与PWM占空比的关系 1.2 机械结构设计 1.2.1上盖 上盖是瓶盖的核心组成零件，其为一剖面H形圆柱孔，但中间存在一平台，主要用来配合安装长孔和短孔，固定舵机、电路板。如图6所示： 图6 上盖 1.2.2上盖片 上盖片配合安装在上盖的上层，与上盖的中间层会隔出一个密封的空间来固定电路板、舵机和所需电源。 1.2.3下底 下底配合安装在上盖的底层，与上盖的中间层同样会隔出一个空间来安装挡片。其上有个小凸台，可以用来配合固定从上层空间伸出的舵机轴。 1.2.3长孔和短孔 长孔和短孔共同构成瓶盖的出水口，其中长孔穿过上盖片和上盖，短孔穿过下底和上盖。长孔和短孔在安装时中间会留有空隙，留给挡片适当的旋转空间。如图7和图8所示： 图7 长孔 图8 短孔 1.2.4挡片 挡片为一扇形薄金属片。其一端的小圆孔用以固定在舵机轴上，另一端的大圆孔用以在转动至一定角度时打开出水口，与长孔、短孔配合使用。如图9所示： 图9 挡片 1.2.5杯体 杯体与杯盖配合使用，是盛装液体的部分，如图10所示： 图10 杯体 2、 软件设计 软件方面主要要完成加速度计数据的读取与处理，判断不同模式的区别，对超阈值情况的响应等。整体软件设计思路如图11所示： 图11 整体软件设计思路 2.1加速度计数据的读取与处理 装置中使用的MXC62020M加速度计具有混合信号处理功能和集成式IIC总线。IIC的数据传输时的时序图如图12所示： 图12 IIC数据传输时序图 ATmega8具有两线串行接口TWI功能，因此不需要使用I/O进行时序模拟，仅通过设置相应的寄存器就可以实现ATmega8和加速度计的通信，从而读取其中的数值。AT mega8实现TWI功能主要有5个寄存器：TWI比特率寄存器TWBR, TWI控制寄存器TWCR, TWI状态寄存器TWSR,TWI数据寄存器TWDR, TWI从机地址寄存器TWAR。当TWDR中的数据进行一阶差分运算所得的结果不为恒定值时，单片机就会自主判断水杯所处的状态并执行相应的响应程序。 2.2不同模式的区分 程序初始化完成后，首先利用微控制器首先对传感器的读数进行滑动窗口均值滤波以消除传感器数值漂移给系统带来的不良影响。然后建立状态机机制以区分杯子所处的不同姿势，同时对连续的读数差分分析，侦测杯子的一阶运动状态。 2.2.1 杯子倾倒的不同种类 在先期调试中，电路板保留了微控制器的UART通讯接口，通过蓝牙转接串口通讯模块把传感器读出的数值发送到电脑。对不同情况下采集的数进行了分类分析。 杯子水平放置时被轻轻碰倒 在这种情况下，杯子的角速度很小，加速度呈近似单调减小的趋势。其典型的加速度曲线如下图（图13）： 图13 杯子缓倒时加速度读数 杯子被重击而倒 在这种情况下，加速度计读数反应出剧烈的变化，典型数据如图14所示。 图14 杯子猛倒时加速度读数 杯子从使用者手中脱落 此情况下，杯子突然处于失重状态，如图15. 图15 杯子从使用者手中脱落 2.2.2 杯子模式判别算法的实现 滤波后，在每个程序周期里通过传感器的数值监视杯子姿势的状态，通过一阶差分值来监视杯子的运动状态。根据杯子姿势的改变和一阶差分值的改变共同判断杯子的模式，即是危险的倾倒还是使用者正常喝水操作。算法经测试可以识别日常生活中可发生的所有杯子倾倒的状态并触发危险情况响应。 2.3危险情况的响应 对于突发的危险情况，由单片机从传感器接收到的数据判别类型后，单片机输出电压驱动后续电路，以保证对危险情况的响应。 2.3.1 危险情况动作 对于非正常情况的处理有两部分：指示灯报警和转动舵机。 对于舵机的控制，首先须清楚方波占空比与舵机转角的关系，详见图9所示。 在软件的设计中采用的是ATmega8单片机的快速PWM功能。这其中需要设置寄存器TCCR1A和TCCCR1B，用以确定PWM输出引脚、比较匹配时输出时高电平还是低电平、分频系数以及工作模式（此处为快速PWM模式）。需要赋值寄存器OCR1A，以决定单片机产生的方波周期；同时需赋值OCR1B，以决定输出方波的占空比。在此处，由于方波由单片机的14脚（即PB2/OCIB）输出，故在程序的开始部分将PB2脚设置为输出。 若要产生其他占空比的方波,控制舵机转至其他位置，仅需根据需要修改寄存器OCR1B中的值即可。 2.3.2 危险情况的解除 当杯子姿势恢复水平直立的正常状态时，系统会判断恢复的时间。当超过一定时长后，系统恢复安全模式，杯盖打开。 杯体外观图 杯盖内部图 电路连接图 机械结构图 电源技术参数表 参数 典型值 单位 备注 电源 太阳能充电电池 工作电压 5.0 V 光照750lx 工作电流 20 mA 光照750lx 开路电压 7.2 V 光照750lx 短路电流 1.7 A 光照750lx 镍氢电池 工作电压 4.8 V 最大电流 1 A 容量 800 mAh 装置技术参数表 参数 典型值 单位 备注 典型工作电流 50 mA 无动作状态 最大工作电流 300 mA 倾倒瞬时 典型功耗 0.24 W 平均值 典型工作温度 0~55 ℃ 传感器总线频率 200 kHz 传感器分辨力 0.5 mg 舵机最大扭力 0.8 kg•cm 舵机反应速度 0.17 sec/60degree 舵机关闸时间 0.23 s 算法对典型倾倒的响应时间 0.5 ms 解除危险状态等待时间 5 s 微控制器工作频率 8 MHz 内部时钟
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 电源技术参数表 参数 典型值 单位 备注 电源 太阳能充电电池 工作电压 5.4 V 标准光源100mW/cm2 工作电流 20 mA 标准光源100mW/cm2 开路电压 7.2 V 标准光源100mW/cm2 短路电流 0.17 A 标准光源100mW/cm2 峰值电压 7.5 V 镍氢电池 工作电压 4.8 V 最大电流 1 A 容量 800 mAh 装置技术参数表 参数 典型值 单位 备注 典型工作电流 50 mA 无动作状态 最大工作电流 300 mA 倾倒瞬时 典型功耗 0.24 W 平均值 典型工作温度 0~55 ℃ 传感器总线频率 200 kHz 传感器分辨力 0.5 mg 舵机最大扭力 0.8 kg•cm 舵机反应速度 0.17 sec/60degree 舵机关闸时间 0.23 s 算法对典型倾倒的响应时间 0.5 ms 解除危险状态等待时间 1.2 s 微控制器工作频率 8 MHz 内部时钟
科学性、先进性
- 1.利用太阳能电池作为主要能源，无需插电，环保节能。 2.设计了一种全新的瓶盖，顶部内嵌太阳能电池板，中部采用双层拼合结构，确保电路和机械装置的安全稳定，底部与橡胶圈压合，防止渗漏。 3.本装置采用MXC6202xGHMN加速度传感器，分辨率高，量程满足要求（±2g），与微控制器的通信简单易行，为满足使用要求的最佳器件。若采用陀螺仪或光纤陀螺等调试复杂且体积较大、成本较高。 4.通过实验建立了水杯不同运动情况下的加速度变化模型，从数值的变化规律判断运动情况，简化了相应的硬件设计，同时降低了制作成本。 5．ATmega8单片机高性能低功耗，采用RISC结构。同时其具备一个两线串行接口TWI，可以直接通过设定相关的寄存器实现和IIC器件的通信。
获奖情况及鉴定结果
- 获天津大学第八届挑战杯学生课外学术作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；图纸；磁盘；现场演示；图片；录像；样品；
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品可用于防止生活中杯体倾倒引起的液体喷溅、物品污损和人员烫伤等问题，特别适用于老人和小孩等需要防倾洒容器的人群，也是咖啡、茶叶爱好者的好伴侣。智能防倾杯在生活中有广阔的应用范围。本作品也适用于工业生产中的药品和试剂等有毒有害的液体、粉末的存放，可以实现大批量实时监控和检测，方便管理人员迅速做出回应，可成为构建工业IOT（物联网）的基础设备。防倾杯的概念还可在交通运输及海船等社会生产生活的各个方面有所发挥。如在去年发生的大连海上漏油事故中，倘若应用本作品的思路，可在第一个油舱泄露后通过检测仓压的方法迅速识别并切断其与其他储油仓的连通管道，使漏油量大大减小，甚至达到零污染，在事故发生后把事故的损失减到最低。目前国内外市场未出现同类产品，因此我们的产品将遇到较小的竞争压力。同时这样一款价格合理，对生活、生产中的顽疾有根治作用的针对性较强的产品，应当具有较大的市场需求以及盈利能力。本作品的市场分析及营销策略，我们专门书写了35页的商业计划书，因篇幅有限，难以全文呈现。
同类课题研究水平概述
- 我们的灵感源于生活中的实际问题，面对打翻水杯造成损失的问题，我们发现目前国内外并没有有效的解决方法，因此自主研制了具有防倾功能的水杯。我们制定了如下的技术目标： 1.水杯具有智能模式判别能力，判断水杯所处的状态并做出相应的响应。2.有良好的制动系统配合电路模块，实现防止水杯倾倒后液体外流或喷洒的功能。3.利用太阳能做驱动能源，实现节能环保和可持续发展。我们利用智能水杯，防倾，太阳能水杯，一阶差分运算等关键字对国内外的若干期刊文献和专利库进行查找，现将部分搜索结果列于下表：（一）搜索范围：国内数据库及部分网上资源Google学术检索，万方数据库，维普数据库，中国期刊网数据库，超星数字图书馆。（二）搜索结果：经过搜索，并未发现有符合全部关键字的产品，因此仅列出符合部分关键字的结果。【篇名】铁路起重机防倾翻装置【作者】刘志，徐家森【摘要】针对NS1252型125t铁路起重机吊装工况狭窄,无法利用支脚支撑车体的情况,研发制作防倾翻安全装置,以快捷、可靠地使车体和钢轨紧固,提高了起重机作业的安全性.【篇名】汽车式起重机防倾翻检测方法的研究【作者】张敏，程晓鸣【摘要】通过对汽车式起重机防倾翻装置的研究,提出了"测液压缸支承力-测倾角"结合的防倾翻检测新方法,该方法可以解决传统防倾翻检测技术的技术难题,简化防倾翻检测技术。【篇名】传感器在日常生活中的应用——盲人报警水杯【作者】巫明锐【摘要】将传感器技术、数字电路技术知识应用干日常生活中,引导学生将所学物理知识应用于创新实践。【篇名】差分运算在数字调制制式识别中的应用【作者】陶海平，杨翠娥【摘要】随着数字通信技术的发展，数字信号调制制式的识别成为近年来的研究热点，本文将差分运算应用到数字调制制式的自动识别当中，设计了一种新的算法，能够成功识别2ASK，4ASK，2FSK，4FSK及2PSK五种信号。仿真结果表明，该算法具有较高的识别率。针对搜索到的结果，我们发现实际生活中确有防倾倒功能的产品，但多用于大型工程中，如车辆建筑机械等，像我们这样运用简单的控制芯片解决生活中实际问题的产品并不多见，如果把范围精确到水杯上，便找不到相同或功能相似的产品。综上所述，国内目前尚无实现相同或类似功能的产品问世，也没有相关方向研究的论文或专利发布。
