基于光的反射和折射原理的自动水位控制.pdf
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1、物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 3基于光的反射和折射原理的自动水位控制闫奕霏1 张思恬1 刘玉颖2 李海艳2(中国农业大学1工学院;2理学院,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要 本文设计了一种基于光的反射和折射原理的自动水位控制饮水机。该装置以光的反射和折射为基础,利用A r d u i n o UNO单片机作为控制中枢,实现自动识别不同高度的杯型,自动开始注水,并当水面到达距离杯沿1 c m处自动停止注水的控制。该装置创新地利用了光的折射原理,在激光发射器和激光接收器位置不变的情况下,通过改变两个三棱镜的角度,实现对不同杯型水位的非接触性精确控制;该装置体积小巧并且
2、简单易于操作,可以实现自动注水和自动停止注水的完全非接触性操作,减少传统饮水机由于接触性带来的交叉感染,并且该装置成本低廉,具有较强的应用潜力。关键词 自动水位控制;光的折射定律;光的反射定律;生活物理A U T OMA T I C WA T E R L E V E L C O N T R O L WA T E R D I S P E N S E R B A S E D O N T H E P R I N C I P L E O F L I G H T R E F R A C T I O N A N D R E F L E C T I O NY A N Y i f e i1 Z H A N G
3、 S i t i a n1 L I U Y u y i n g2 L I H a i y a n2(1 C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g;2 C o l l e g e o f S c i e n c e,C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3)A b s t r a c t I n t h i s p a p e r,w e d e s i g n a n a u t o m a t i c w a t e r l e v e
4、l c o n t r o l d r i n k i n g m a c h i n e b a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f l i g h t r e f r a c t i o n a n d r e f l e c t i o n.B a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f l i g h t r e f r a c t i o n a n d r e-f l e c t i o n,t h e d e v i c e u s e s A r d u i n o UNO a s t h e c o
5、n t r o l c e n t e r t o r e a l i z e t h e a u t o m a t i c i d e n t i f i c a-t i o n o f c u p s h a p e s a t d i f f e r e n t h e i g h t s a n d t h e c o n t r o l o f a u t o m a t i c w a t e r i n j e c t i o n u n t i l t h e w a t e r l e v e l r e a c h e s t h e p l a c e 1 c m f
6、r o m t h e c u p e d g e.T h e a d v a n t a g e o f t h e d e v i c e l i e s i n t h e i n n o v a t i v e u s e o f t h e r e f r a c t i o n p r i n c i p l e o f l i g h t.U n d e r t h e c o n d i t i o n t h a t t h e p o s i t i o n s o f t h e l a s e r t r a n s m i t t e r a n d t h e l
7、a s e r r e c e i v e r d o n o t c h a n g e,t h e n o n-c o n t a c t a c c u r a t e c o n t r o l o f t h e w a t e r l e v e l o f d i f f e r e n t c u p s c a n b e a c h i e v e d b y c h a n g i n g t h e a n g l e s o f t h e t w o p r i s m s.T h i s d e v i c e i s c o m p a c t i n s i
8、z e,s i m p l e a n d e a s y t o o p e r a t e.I t c a n r e a l i z e t h e c o m p l e t e n o n-c o n t a c t o p e r a t i o n o f a u t o m a t i c w a t e r i n j e c t i o n a n d a u t o m a t i c w a t e r i n j e c t i o n s t o p,a n d r e d u c e t h e c r o s s i n f e c t i o n c a u
9、s e d b y c o n t a c t o f t r a d i t i o n a l d r i n k i n g f o u n t a i n s.F u r t h e r m o r e,t h i s d e v i c e h a s l o w c o s t a n d s t r o n g a p p l i c a t i o n p o t e n t i a l.K e y w o r d s a u t o m a t i c w a t e r l e v e l c o n t r o l;t h e l a w o f r e f r a c
10、t i o n o f l i g h t;t h e r e f l e c t i o n l a w o f l i g h t;l i f e p h y s i c s收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 7基金项目:北京高等教育本科教学改革创新项目(2 0 2 0 1 0 0 1 9 0 0 4);农林专业理科强基3+1核心能力体系研究。作者简介:李海艳,女,讲师,主要从事物理教学和科研工作,研究方向为中高层大气动力学,l i h a i y a n c a u.e d u.c n。引文格式:闫奕霏,张思恬,刘玉颖,等.基于光的反射和折射原理的自动水位控制J.物理与工程,2 0 2
11、 3,3 3(3):9 3-9 8.C i t e t h i s a r t i c l e:YAN Y F,Z HAN G S T,L I U Y Y,e t a l.A u t o m a t i c w a t e r l e v e l c o n t r o l w a t e r d i s p e n s e r b a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f l i g h t r e-f r a c t i o n a n d r e f l e c t i o nJ.P h y s i c s a n d E n g i n e e r
12、 i n g,2 0 2 3,3 3(3):9 3-9 8.(i n C h i n e s e)39物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 3 水是生命之源,人的生活离不开水,在现实生活中,饮水机已经成为家庭必备的饮水设施1。据不完全统计,全国大中城市约有8 0%的家庭拥有饮水机。为方便换水,市面最常见的落地式饮水机的高度为1.21.5 m,出水口约为成年人腿部高度,大部分人需弯腰接水,尤其对于老年人极为不方便。另外,传统饮水机需要使用者手动接水,手动停止饮水机出水,这存在着极大的安全隐患2-4。此外,交叉感染是强传染性病毒传播的一个重要途径,因此非接触性饮水机在医院、商场等
13、公共场所的应用可以有效减少病毒的传播,为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,在激光发射器和激光接收器位置不发生变化的情况下,通过超声波传感器感知水杯位置,开始注水,调节三棱镜角度,激光传感器检测水杯内水位,实现对多种杯型的水位控制,当杯内水位到达预定水位停止注入。该装置成本低廉、操作简单,体积小巧,可以应用在多种场景,具有很强的推广应用潜力。1 功能设计利用光的反射和折射原理,实现自动检测不同杯型的水杯,当杯内水位到达距离杯沿1 c m处自动停止注水。将杯子高度和三棱镜角度之间建立模型关系。通过调节舵机的角度,带动三棱镜转动指定角度,以实现对光路的改变。当超声波传感器感
14、应杯子放到指定位置,水泵开始向杯内注水;杯中水位到达预定高度,通过三棱镜的折射和水面的反射,使激光接收器接收激光信号后,停止注水。2 装置原理及模型推导2.1 装置原理光在均匀介质中沿直线传播,而在遇到两种均匀介质的分界面时,一般会同时产生反射和折射现象5。通过三棱镜1,2能够有效改变光路,实现光感控制。光遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面都会发生反射。反射光线与入射光线、法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居法线的两侧;反射角等于入射角。本装置利用光的反射和折射原理,以激光发射器为光源,通过调节三棱镜1的角度改变光的入射方向,将激光光路折射至杯沿平面下1 c m处杯体中心。当水位达到预定
15、杯体高度(即杯沿下1 c m),光通过三棱镜1照射到水面中心,通过光的反射,激光入射至三棱镜2。通过调节三棱镜2角度,可将光引至固定的激光接收器处。光路图如图1所示。图1 装置光路图2.2 模型推导本文建立了三棱镜从水平方向转动角度和杯子高度h/c m之间的关系,模型推导如下:设杯子为基准高度a/c m时,直角等腰三角形三棱镜恰好位于水平位置,光线不发生折射,照射点为水面中心。现计算杯子高度为h,光线照射在水面中心时,三棱镜需旋转的角度(逆时针为正)。由于两角的两边分别垂直的两个角相等或互补且图中所标三棱镜旋转角度和入射角1均为锐角,所以可得入射角1等于三棱镜旋转角度。三棱镜折射部分光路如图2
16、所示。图2 折射光光路图49物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 3根据折射率定义,入射角与折射角,入射角与折射角满足下列关系s i ns i n=n(1)s i ns i n=n(2)其中,n为三棱镜的折射率。由上述的结论得+=4 5(3)因为三棱镜宽度较小,因此可认为从三棱镜折射出的基准光线和实际光线与三棱镜的交点在同一竖直线上,如图3所示。图中深色线为过基准光线从三棱镜射出点的铅垂线,浅色线为实际光线从三棱镜射出点的铅垂线,因两条铅垂线距离极小,因此可认为两条铅垂线重合。图3 光线局部放大图根据三角形边长间的关系有Lt a n+-Lt a n=h(4)其中,L为三棱镜到
17、水面中心的水平距离,h为基准水面与实际水面的高度差,即h=a-b。联立式(1)、(2)、(3)可得与的关系为2 s i nn2-s i n2-s i n=1(5)利用MAT L A B的v p a s o l v e函数可对式(4)和式(5)求解,得到。本装置选取三棱镜作为折射介质片,在方便角度调节的基础上增加了折射次数,有效减小了装置的体积。3 结构设计本装置由箱体,2个三棱镜,激光发射和接收器,水泵,P E管,P G 9 0舵机,继电器模块,尼龙线及5 V电池和各个连接件组成。装置各部分名称如图4所示。图4 装置整体模型图装置后置区域,用来放置供水槽,其内部放水泵,实现供水功能;三棱镜一端
18、由平开铰链连接,另一端连接舵机,通过单片机控制舵机使三棱镜绕铰链转动,两个三棱镜均做此处理。调节左侧三棱镜的角度以改变光的输入方向,将激光光路折射至杯沿下1 c m平面处的杯体中心,通过调节右侧三棱镜角度,可将光路引至固定的激光接收器处,从而实现不同杯型的水位控制功能。装置实物图如图5所示。图5 装置实物图(a)主视图;(b)侧视图59物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 34 控制系统设计图7 单片机连接图4.1 控制板硬件控制板主要由A r d u i n o UNO单片机6、舵机控制电路、超声波检测和水泵控制电路7和激光感应电路组成,控制板硬件设计框图如图6所示,利用P
19、 r o t e u s 8 P r o f e s s i o n a l软件8对控制部分进行仿 真,单 片 机 连 接 图 如 图7所 示。A r d u i n o UNO 是基于ATME GA 3 2 8 P微处理器的微控制器,其具有1 4个数字输入/输出引脚,6个模拟输入,1 6 MH z晶振时钟,U S B连接,电源插孔,I C S P接头和复位按钮。图6 控制板硬件设计框图舵机控制电路利用单片机控制舵机,实现舵机的固定角度转动。超声波检测和水泵控制电路由HY S R F 0 5超声波模块,光耦隔离继电器驱动模块组成。当超声波传感器检测到物体距离1 7 c m时(即杯子放到指定位置
20、),单片机连接超声波传感器E c h o引脚的p i n引脚转化为高电平,控制继电器开关打开,水泵开始注水,实现注水自动化。激光感应电路由激光接收器,光耦隔离继电器驱动模块组成。当激光接收器接收信号输出高电平时,继电器驱动模块将该电平转化为单片机可以响应的电压,单片机对应引脚转化为高电平,水泵停止注水且之后超声波检测电路不再工作。需要说明的是当超声波检测和水泵控制电路工作(即水杯放到指定位置)时,激光感应电路才可以工作。4.2 软件设计本装置利用A r d u i n o I D E软件进行编程。该软件可以在W i n d o w s、M a c i n t o s h O S X、L i n
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