紅外感應(yīng)智能筷子的設(shè)計(jì)

□李嘉欣

一、引言

紅外感應(yīng)智能筷子是一種通過利用紅外傳感器感應(yīng)進(jìn)食者在使用筷子運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)光線折射感應(yīng)不同來感應(yīng)使用者的進(jìn)食速度的智能餐具，目前在國(guó)內(nèi)并未出現(xiàn)同類產(chǎn)品，存在智能餐具的空白市場(chǎng)。由于城市生活節(jié)奏快、壓力大，為了提高工作效率，人們通常在吃飯上節(jié)約時(shí)間，使用最多的餐具就是筷子。但是傳統(tǒng)筷子只能作為餐具，對(duì)于控制人們狼吞虎咽的情況、減慢進(jìn)食速度來達(dá)到健康養(yǎng)生的目的并沒有任何幫助。

紅外感應(yīng)智能筷子在控制使用者進(jìn)食速度方面有明顯的效果。以色列本古里安大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，胃口不好的人易早死亡。中醫(yī)有“人以胃氣為本”的說法。胃不僅是消化系統(tǒng)的重要器官，還參與調(diào)解幾乎全身所有器官的活動(dòng)。因此建議人們吃飯要細(xì)嚼慢咽，每口咀嚼不低于20 次，以減輕腸胃負(fù)擔(dān)。但是現(xiàn)代人在吃飯時(shí)很難做到控制進(jìn)食速度，紅外感應(yīng)智能筷子在這時(shí)便會(huì)通過頂端的LED 警示燈提示使用者進(jìn)食過快，使生活方式更加健康。

圖1

紅外感應(yīng)智能筷子分為手持部和夾持部?jī)刹糠?，是通過手持部?jī)?nèi)部的紅外傳感器、計(jì)數(shù)器以及數(shù)值比較器采集到使用者是否進(jìn)食過快的信號(hào)，再將信息傳遞到夾持部的LED 燈來提示使用者是否進(jìn)食速度過快。相比之下，紅外感應(yīng)智能筷子更具以下優(yōu)勢(shì):一是設(shè)計(jì)為可拆分外形，避免清洗時(shí)電子產(chǎn)品進(jìn)水影響使用。二是通過USB 接口充電，節(jié)省放置電池的空間，使產(chǎn)品輕便，便于使用。三是符合中國(guó)人飲食習(xí)慣，將電路同筷子本體設(shè)計(jì)在一起。

二、智能筷子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外感應(yīng)智能筷子分為通過卡槽連接可拆分的手持部和夾持部?jī)刹糠帧Ｊ殖植繛榭曜邮褂脮r(shí)的主要部分，內(nèi)置紅外感應(yīng)器、計(jì)數(shù)器和數(shù)值比較器。夾持部為智能筷子整體供電部分，具有USB 充電電池和USB 充電插口以及LED 燈，起到警示使用者進(jìn)食速度過快的作用。產(chǎn)品整體外形如圖1所示。

三、手持部硬件電路設(shè)計(jì)

手持部外形與傳統(tǒng)筷子相同，為逐漸變細(xì)的長(zhǎng)圓柱形。內(nèi)部不同于傳統(tǒng)筷子，紅外感應(yīng)智能筷子手持部?jī)?nèi)置感應(yīng)裝置，主要元件為紅外感應(yīng)器，計(jì)數(shù)器和數(shù)值比較器。手持部為筷子主要的使用部分，在距筷子最底端40 毫米處筷子內(nèi)部為紅外傳感器，通過運(yùn)動(dòng)時(shí)筷子的角度變化引起的紅外光線反射變化，利用紅外傳感器將該信號(hào)傳遞到計(jì)數(shù)器中，對(duì)進(jìn)食者的進(jìn)食頻率開始計(jì)數(shù)。通過光敏電阻將計(jì)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)、利用放大電路將該電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)與計(jì)數(shù)器輸入端子連接，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖(CLK)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行定時(shí)。

(一)紅外感應(yīng)器收集數(shù)據(jù)分析。物聯(lián)網(wǎng)改變了我們的生活方式，不僅在于網(wǎng)上購(gòu)物，更是能通過二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)向連接進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開傳感設(shè)備的發(fā)展。目前，幾乎沒有人愿意花幾百元去買一個(gè)煙盒大小的傳感器來把家里的家具整合到他們的智能家居中。然而，如果這一傳感器變得只有紐扣大小，而且僅花一美元時(shí)，情況就不同了，傳感器正變得越來越小，越來越低廉，也越來越穩(wěn)定。隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，即使是看似平凡的日常用品如桌椅等也將可能有傳感器的應(yīng)用。傳感器將變得更加智能化，可通過對(duì)溫度，光，距離，壓力等參數(shù)的監(jiān)測(cè)告知我們周圍環(huán)境的變化。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，其將對(duì)我們的生活產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。

紅外感應(yīng)智能筷子通過距筷子底端40mm 處的內(nèi)置紅外感應(yīng)器感應(yīng)使用者在進(jìn)食過程中筷子的運(yùn)動(dòng)過程對(duì)光線折射感應(yīng)不同來感應(yīng)使用者的進(jìn)食速度。紅外傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度(高于絕對(duì)零度)，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化(這種變化可能是變大也可能是變小，因?yàn)闊崦綦娮杩煞譃檎郎囟认禂?shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)，通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。

在此紅外感應(yīng)智能筷子中應(yīng)用的是光敏元件，通過光敏元件與差分放大電路共同作用，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞到筷子手持部?jī)?nèi)部下一元件中。

(二)計(jì)數(shù)器與數(shù)值比較器分析。從光信號(hào)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)通過差分放大電路進(jìn)行放大處理，放大后的信號(hào)與計(jì)數(shù)器輸入端子連接，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖(CLK)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行定時(shí)。

計(jì)數(shù)器是一種能夠記錄脈沖數(shù)目的裝置，是數(shù)字電路中最常用的邏輯部件。在紅外感應(yīng)智能筷子當(dāng)中，使用的是十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中主要是對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、計(jì)數(shù)和控制的功能，同時(shí)兼有分頻功能。在這里我們主要利用計(jì)數(shù)器對(duì)紅外線傳感器傳遞的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。獲得使用者在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)食速度的數(shù)據(jù)。

圖2 計(jì)數(shù)器電路

與計(jì)數(shù)器相連接的數(shù)值比較器作用是將接收到的電信號(hào)同數(shù)值比價(jià)器中的存儲(chǔ)信號(hào)相比較。若計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)大于比較器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，則在數(shù)據(jù)比較器的輸出端有輸出信號(hào)。反之，若計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)小于比較器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，則在數(shù)據(jù)比較器的輸出端沒有輸出信號(hào)。

四、夾持部硬件電路設(shè)計(jì)分析

夾持部是紅外感應(yīng)智能筷子的頂端部分，主要作用是通過對(duì)內(nèi)置USB充電器充電對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行供電。在手持部和夾持部連接部位有卡槽，在使用時(shí)將卡槽對(duì)準(zhǔn)將上下兩部分連接，此時(shí)手持部頂端和夾持部底端的觸點(diǎn)接觸，使電能傳輸?shù)较虏渴殖植績(jī)?nèi)部電路，紅外感應(yīng)智能筷子即可使用。

夾持部包括LED 小燈泡和USB 接口充電器，紅外感應(yīng)智能筷子的手持部和夾持部為可拆分結(jié)構(gòu)，使用時(shí)通過連接處的卡槽固定，同時(shí)卡槽處有觸點(diǎn)，當(dāng)紅外感應(yīng)智能筷子正常使用時(shí)，上下兩部分的觸點(diǎn)相接觸，若手持部有電信號(hào)輸出，則通過觸點(diǎn)傳遞到夾持部，使LED 燈發(fā)光，達(dá)到警示使用者食速過快的作用。反之，若使用者的進(jìn)食速度在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，手持部則沒有電信號(hào)的輸出，夾持部的LED 燈不發(fā)光。紅外感應(yīng)智能筷子采用USB 接口充電的方式為產(chǎn)品整體提供5V 電壓。生活中最常使用的供電裝置就是電池，然而電池作為一次性產(chǎn)品，若經(jīng)常更換價(jià)格高。而紅外感應(yīng)智能筷子充電時(shí)僅需將夾持部連接USB 接口即可充電，也可連接標(biāo)準(zhǔn)充電器使用數(shù)據(jù)線連接，在家用插座上進(jìn)行充電。

五、電路接口設(shè)計(jì)

如圖3所示為紅外感應(yīng)智能筷子的電路結(jié)構(gòu)連接圖。從手持部末端到夾持部末端包括紅外傳感器、計(jì)數(shù)器、數(shù)值比較器、LED 報(bào)警燈、USB 充電電源和USB 接口，各元件依次連接。

圖3 數(shù)值比較器

六、結(jié)語

第一，紅外感應(yīng)智能筷子可以幫助在日常生活中進(jìn)食過快的人群保持健康的進(jìn)食速度，并且預(yù)防肥胖和意外嗆食的發(fā)生。該產(chǎn)品對(duì)于想控制飲食速度自控力卻不強(qiáng)的人群，對(duì)進(jìn)食過快易發(fā)生危險(xiǎn)的兒童及老年人都有很大幫助。第二，紅外感應(yīng)智能筷子不拘泥于傳統(tǒng)餐具的形式，將電子元件置于傳統(tǒng)筷子腔體內(nèi)，借助LED 燈提示使用者注意進(jìn)食速度。并且設(shè)計(jì)成手持部和夾持部?jī)刹糠?，使用時(shí)通過卡槽固定。第三，紅外感應(yīng)智能筷子通過USB 接口充電，在夾持部?jī)?nèi)置USB 電源，可通過夾持部頂端的USB 接口傳輸電能，為整體提供5V 電壓，并通過卡槽連接處觸點(diǎn)將電能傳送到手持部電子元件處。使用充電電源既節(jié)省了更換一次性電池的費(fèi)用，也為產(chǎn)品外形的設(shè)計(jì)提供了便利，給使用者帶來更舒適的使用過程。

［1］清華大學(xué)電子學(xué)教研組編，閆石主編．?dāng)?shù)字電子技術(shù)［M］．北京:高等教育出版社，2006

［2］孟立凡，藍(lán)金輝．傳感器原理與應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011

［3］馮博琴，吳寧．微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2013

［4］吳詩(shī)錦．?dāng)?shù)值比較器的工作原理及其擴(kuò)展使用方法［J］． 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003

［5］王躍進(jìn)，應(yīng)洪琰，丁彧，宗?。り柺修r(nóng)村高血壓個(gè)性化健康管理效果評(píng)價(jià)［J］．江蘇預(yù)防醫(yī)學(xué)，2014

［6］余成波．傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)［M］．北京:高等教育出版社，2009

［7］潘慧．健康從細(xì)嚼慢咽開始［J］．家庭醫(yī)學(xué):新健康，2012

［8］何乾偉，張鈺，趙瑩． 光敏電阻頻率特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)及分析［J］．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015

［9］華成英，童詩(shī)白． 模擬電子技術(shù)［M］． 北京:高等教育出版社，2006