閆奕霏 張思恬 劉玉穎 李海艷

關(guān)鍵詞 自動水位控制;光的折射定律;光的反射定律;生活物理

水是生命之源，人的生活離不開水，在現(xiàn)實生活中，飲水機已經(jīng)成為家庭必備的飲水設(shè)施[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國大中城市約有80 %的家庭擁有飲水機。為方便換水，市面最常見的落地式飲水機的高度為1.2～1.5m，出水口約為成年人腿部高度，大部分人需彎腰接水，尤其對于老年人極為不方便。另外，傳統(tǒng)飲水機需要使用者手動接水，手動停止飲水機出水，這存在著極大的安全隱患[2-4]。此外，交叉感染是強傳染性病毒傳播的一個重要途徑，因此非接觸性飲水機在醫(yī)院、商場等公共場所的應(yīng)用可以有效減少病毒的傳播，為人民健康和生命安全提供可靠保障。

本文利用光的折射和反射原理，在激光發(fā)射器和激光接收器位置不發(fā)生變化的情況下，通過超聲波傳感器感知水杯位置，開始注水，調(diào)節(jié)三棱鏡角度，激光傳感器檢測水杯內(nèi)水位，實現(xiàn)對多種杯型的水位控制，當(dāng)杯內(nèi)水位到達預(yù)定水位停止注入。該裝置成本低廉、操作簡單，體積小巧，可以應(yīng)用在多種場景，具有很強的推廣應(yīng)用潛力。

1 功能設(shè)計

利用光的反射和折射原理，實現(xiàn)自動檢測不同杯型的水杯，當(dāng)杯內(nèi)水位到達距離杯沿1cm 處自動停止注水。

將杯子高度和三棱鏡角度之間建立模型關(guān)系。通過調(diào)節(jié)舵機的角度，帶動三棱鏡轉(zhuǎn)動指定角度，以實現(xiàn)對光路的改變。當(dāng)超聲波傳感器感應(yīng)杯子放到指定位置，水泵開始向杯內(nèi)注水;杯中水位到達預(yù)定高度，通過三棱鏡的折射和水面的反射，使激光接收器接收激光信號后，停止注水。

2 裝置原理及模型推導(dǎo)

2.1 裝置原理

光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，而在遇到兩種均勻介質(zhì)的分界面時，一般會同時產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象[5]。通過三棱鏡1，2能夠有效改變光路，實現(xiàn)光感控制。

光遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面都會發(fā)生反射。反射光線與入射光線、法線在同一平面上;反射光線和入射光線分居法線的兩側(cè);反射角等于入射角。

本裝置利用光的反射和折射原理，以激光發(fā)射器為光源，通過調(diào)節(jié)三棱鏡1的角度改變光的入射方向，將激光光路折射至杯沿平面下1cm 處杯體中心。當(dāng)水位達到預(yù)定杯體高度（即杯沿下1cm），光通過三棱鏡1照射到水面中心，通過光的反射，激光入射至三棱鏡2。通過調(diào)節(jié)三棱鏡2角度，可將光引至固定的激光接收器處。光路圖如圖1所示。

2.2 模型推導(dǎo)

本文建立了三棱鏡從水平方向轉(zhuǎn)動角度α 和杯子高度h/cm 之間的關(guān)系，模型推導(dǎo)如下：

設(shè)杯子為基準高度a/cm 時，直角等腰三角形三棱鏡恰好位于水平位置，光線不發(fā)生折射，照射點為水面中心?，F(xiàn)計算杯子高度為h，光線照射在水面中心時，三棱鏡需旋轉(zhuǎn)的角度α（逆時針為正）。由于兩角的兩邊分別垂直的兩個角相等或互補且圖中所標三棱鏡旋轉(zhuǎn)角度α 和入射角∠1均為銳角，所以可得入射角∠1等于三棱鏡旋轉(zhuǎn)角度α。三棱鏡折射部分光路如圖2所示。

本裝置選取三棱鏡作為折射介質(zhì)片，在方便角度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上增加了折射次數(shù)，有效減小了裝置的體積。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置由箱體，2個三棱鏡，激光發(fā)射和接收器，水泵，PE 管，PG90舵機，繼電器模塊，尼龍線及5V 電池和各個連接件組成。裝置各部分名稱如圖4所示。

裝置后置區(qū)域，用來放置供水槽，其內(nèi)部放水泵，實現(xiàn)供水功能;三棱鏡一端由平開鉸鏈連接，另一端連接舵機，通過單片機控制舵機使三棱鏡繞鉸鏈轉(zhuǎn)動，兩個三棱鏡均做此處理。調(diào)節(jié)左側(cè)三棱鏡的角度以改變光的輸入方向，將激光光路折射至杯沿下1cm 平面處的杯體中心，通過調(diào)節(jié)右側(cè)三棱鏡角度，可將光路引至固定的激光接收器處，從而實現(xiàn)不同杯型的水位控制功能。裝置實物圖如圖5所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制板硬件

控制板主要由Arduino UNO 單片機[6]、舵機控制電路、超聲波檢測和水泵控制電路[7]和激光感應(yīng)電路組成，控制板硬件設(shè)計框圖如圖6所示，利用Proteus 8 Professional軟件[8]對控制部分進行仿真，單片機連接圖如圖7 所示。ArduinoUNO 是基于ATMEGA328P微處理器的微控制器，其具有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，6個模擬輸入，16MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。

舵機控制電路利用單片機控制舵機，實現(xiàn)舵機的固定角度轉(zhuǎn)動。

超聲波檢測和水泵控制電路由HYSRF05超聲波模塊，光耦隔離繼電器驅(qū)動模塊組成。當(dāng)超聲波傳感器檢測到物體距離≤17cm 時（即杯子放到指定位置），單片機連接超聲波傳感器Echo引腳的pin引腳轉(zhuǎn)化為高電平，控制繼電器開關(guān)打開，水泵開始注水，實現(xiàn)注水自動化。

激光感應(yīng)電路由激光接收器，光耦隔離繼電器驅(qū)動模塊組成。當(dāng)激光接收器接收信號輸出高電平時，繼電器驅(qū)動模塊將該電平轉(zhuǎn)化為單片機可以響應(yīng)的電壓，單片機對應(yīng)引腳轉(zhuǎn)化為高電平，水泵停止注水且之后超聲波檢測電路不再工作。

需要說明的是當(dāng)超聲波檢測和水泵控制電路工作（即水杯放到指定位置）時，激光感應(yīng)電路才可以工作。

4.2 軟件設(shè)計

本裝置利用Arduino IDE軟件進行編程。該軟件可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)[9，10]。

4.2.1 舵機控制部分

舵機固連在三棱鏡上，利用串口驅(qū)動單片機使舵機帶動三棱鏡轉(zhuǎn)動固定角度，實現(xiàn)光路變化。轉(zhuǎn)動角度和杯子高度關(guān)系如2.2 節(jié)模型推導(dǎo)所示。

4.2.2 水泵控制部分

水泵控制部分程序流程圖如圖8所示。水杯放到指定位置，超聲波傳感器感知物體（<17cm），開始注水（繼電器2打開，水泵轉(zhuǎn)動）;裝置通過兩個三棱鏡的折射和水面反射光路，當(dāng)水位增加到指定高度時，激光接收器接收信號，停止注水。

5 實驗結(jié)果與討論

我們利用實際高度分別為15cm、12cm 和10cm 的三個杯子對裝置可行性進行了測試。

5.1 理論計算結(jié)果

利用2.2節(jié)中的模型，三棱鏡折射率n=1.5，三棱鏡30°角對應(yīng)邊長e=2cm，L =5cm，大、中、小三種杯型分別為15cm，12cm，10cm，其中大杯杯高為基準高度，故高度差h₁=3cm， h₂=5cm。

得：α₁=68.29°，α₂=78.62°。

5.2 實驗結(jié)果與討論

對每種杯型進行了6次測試，測試結(jié)果如表1所示。

從表1中我們可以看出，測量結(jié)果相對測量誤差在5%范圍內(nèi)，測量數(shù)據(jù)準確，該裝置可以實現(xiàn)功能。

我們最初實驗采用亞克力板作為介質(zhì)片1和2，所調(diào)杯型的高度12～16cm，且需疊加5個介質(zhì)片;對裝置進行優(yōu)化使用三棱鏡，杯型的可調(diào)范圍為4.5003～14.656cm（理論分析結(jié)果如圖9所示），顯著增加了可調(diào)節(jié)范圍。由于三棱鏡體積略大，后續(xù)實驗可以通過選取折射率更大的材料做折射介質(zhì)片，增大折射率從而減小介質(zhì)片厚度，使調(diào)節(jié)更加方便;或者是在介質(zhì)1和介質(zhì)2中鍍增反膜或者增透膜等方式，增加折射光光強，即可以減小入射光光強，減小裝置功率。

6 結(jié)語

本文利用光的反射和折射原理實現(xiàn)了自動注水和不同杯型的水位控制。裝置以Arduino為控制中樞，利用舵機控制電路、超聲波檢測和水泵控制電路組成了控制部分;以激光發(fā)射器、三棱鏡、激光接收器組成了光路部分。經(jīng)過不同杯型的測試，裝置可以精確識別水杯中的水位到達指定位置，并可以對不同杯型實現(xiàn)自動注水和停止注水，實驗中注入杯內(nèi)的水位與設(shè)定的理論水位誤差在5%范圍內(nèi);杯型可調(diào)范圍在4.5003～14.656cm。該裝置有針對性地解決了接水不便，安全隱患等問題，具有成本低、體積小、操作便捷等優(yōu)點。并且包容性高，與其他功能的控制系統(tǒng)并行，互不干擾，應(yīng)用市場大，有望大規(guī)模投入生產(chǎn)。