魏国军

（惠州城市职业学院机电学院，广东惠州 516025）

0 引言

饮水是人们日常生活中一项必要的生理需求，现社会较多企业、家庭通过饮水机供应饮用水。对于身心正常的健康人士，使用市政饮水机可完成接水、饮水。但盲人患者在使用日常市政饮水机时，则会出现找不准甚至找不到接水口，不能有效控制接水量，甚至在接水时出现热水溢出被烫伤的现象，久之使得盲人患者对使用饮水机产生恐惧，导致不敢独立使用饮水机，增加患者家庭护理工作量。

目前市场上仍然有许多产品无法通过良好的人机界面来引导、帮助盲人患者适应日新月异的产品更迭，迫使盲人患者牺牲自己的使用体验去迎合那些不符合他们使用习惯的产品,使他们无法享受现代社会带来的便捷生活[1]。

随着社会对盲人患者的关注不断提升，各种有助于盲人患者的无障碍设备应运而生，如有助于盲人出行、阅读、休闲、导识等的设计应用已普遍。但研究盲人饮水机的案例及发明较少，本文针对盲人患者的饮水问题而设计了一款盲人患者无障碍饮水机，通过设置红外检测感应装置[2]，实现热、温、冷水的语音提示、延时出水、精准控制接水量等功能，能有效降低盲人患者使用饮水机接水、饮水产生的心理恐惧及饮水机的操作难度，减少盲人患者家庭护理人员，减轻家庭护理人员劳动量。同时让盲人患者享受到高科技带来的生活便利，锻炼了对生活的适应性，为今后勇敢面对生活树立了信心及勇气。

1 方案设计

盲人患者无障碍饮水机机身采用市面上通用的饮水机本体，设置有热、温、冷3个出水口，在出水口上方设置红外检测传感器、语音提示系统，并设置与饮水机配套使用的金属水杯、杯托。盲人患者无障碍饮水机在盲人患者接用饮用水时，通过红外检测传感器检测水杯放置位置，语音提示告知患者接用的是热、温、冷水，并通过延时电路延时5 s后，出水口出水。水杯及杯托压簧受重力接触，接通电路发出蜂鸣声，提示“水杯承接水量已适中，取走水杯”。当红外检测传感器检测下方水杯移开时，饮水机出水口停止出水，避免在接用热水时溢出而导致盲人患者被烫伤的情况。此时盲人患者如因故未能取走水杯，压簧、报警器、无线信号反馈器电路接通，由无线信号反馈器将信号反馈至主电路，控制切断电路停止出水，直至60 s后恢复电路。

2 机构设计

2.1 红外检测传感装置

目前市面上销售的各种饮水机，身心健康者在使用时可以通过人为观察，并通过打开控制阀门完成取水。而盲人患者在使用该饮水机时会出现如下几种状况：（1）不能精准地找到控制阀门开关；（2）水杯位置放置不对；（3）不能精准地控制出水量，导致水装不满或者溢出现象，甚至出现烫伤的情况。

本文对通用饮水机机身进行可靠性研究及分析，从保证盲人患者在使用饮水机时，能准确地判断出水口的位置以及流出的是热、温、冷水，并提示水杯中饮用水量适中等方面着手进行设计。通过在出水口上方设置红外检测传感器，感应下方有水杯，将信号反馈至处理器，同时延时电路延时控制5 s后，水杯对应的出水口阀门开启，饮用水流出。当盲人患者确认饮用水已装满并取走水杯时，红外检测装置检测到水杯移开的同时断开电路关闭阀门，出水口立即停止出水，如图1所示。

图1 红外检测装置检测示意图

2.2 语音系统

加拿大科学家的一项最新研究显示，先天性盲人或幼年失明者的脑部视觉区域能够发生某些微妙地“重组”，并因此而具有超常的辨别声音的能力[3]。

盲人患者无障碍饮水机上设置语音提示系统，如图2 所示，通过红外检测感应装置检测出水口水杯的位置并将信号反馈至处理器，触发语音系统，根据水杯放置热、温、冷出水口下方提示“热水”、“温水”、“冷水”语音信息，满足盲人患者对热水、温水、冷水的需求，从而实现良好的人机交互，进一步体现对盲人患者的人文关怀。

图2 语音系统示意图

2.3 水杯和杯托

水杯是一种具有水量监测功能的新型水杯，包含水杯本体和杯托两部分[4]，水杯及杯托底部各设计有一片受重力可接触的压簧。当水杯中水量达到设定值时，水杯压簧受重力与杯托压簧呈接触状态，并与电源、蜂鸣器、无线信号反馈装置串联成接通的电路，触发蜂鸣器发生报警声音，以提示盲人患者取走水杯。当红外检测传感装置检测到水杯被移走且下方无物体时，将信号反馈至处理器，切断电路，停止供水。如盲人患者因故未取走水杯时，无线信号反馈装置将信号反馈至主电路处理器[5]，切断供水电路停止供水60 s 后恢复。该水杯的工作原理如图3所示。

当水杯里没有水或水的重量没有达到要求时，压簧脱离接触，未接通触发电路，蜂鸣器不触发提示“饮用水已满”的报警音，如图4所示。

图3 水杯工作原理图

图4 杯托设计原理图

图5 杯子水满示意图

当水杯里水的重量达到设定要求时，水杯底压簧受重力下移与杯托压簧接触，接通电路并触发蜂鸣声音，提示“水杯水量已达到要求”。此时饮水者将水杯移开，出水口上方红外感应器工作，自动切断供水。如盲人患者因故未能取走水杯，为防止溢出，无线反馈装置将信号传至主电路处理器，控制切断电路停止供水，60 s后恢复电路，如图5所示。

3 控制系统设计

3.1 控制板硬件

控制板主要由主芯片STM32F030K6T6[6]、 红 外检测电路、压簧信号检测电路、语音提示模块、蓝牙无线模块组成，控制板硬件设计框图如图6所示。

STM32F030K6T 是基于STMicroelectronics ARM Cortex-M0的STM32F0 系列微控制器，其包括入门级ARM Cortex™M0 32 位RISC 内核。STM32F030 超值型提供高速嵌入式存储器，具有各种增强型外设和I/O。有如I2C、SPI和USART等通信接口，以及12位ADC、16位计时器和1个高级控制PWM计时器。

红外检测电路为开关量输入信号，为了提高抗干扰能力，采用光耦隔离电路，并在光耦输出端设计成低电平有效，进入主芯片输入引脚，并设计成低电平有效，当该信号为低电平时，提示水杯已放置到饮机上[7]。

压簧信号为开关量输入信号，为了提高抗干扰能力，采用光耦隔离电路，并在光耦输出端设计成低电平有效，进入主芯片输入引脚，该信号为低电平时，提示“水杯水已满”。

语音提示电路采用普通输出口控制，并在语音模块内部设定好，IO口置低后播报相应的语音，达到提醒的功能[8]。

蓝牙模块通过UART 接口与STM32F030 进行通讯，将水杯水满信号发送至饮水机，控制水阀的通断。

图6 控制板硬件设计框图

3.2 软件设计

软件设计主要包括压簧信号检测模块、语音提示控制模块、蓝牙通讯模块、逻辑控制模块组成。软件流程图如图7所示。系统上电后，进行初始化设置，然后进行红外信号检测，当该信号有效时，表示水杯已放置到饮水机，此时立刻通过蓝牙模块发送打开水阀命令，并开始等待杯子水满。当水杯水满后，通过蓝牙发送关闭水阀命令，停止加水，同时控制语音播报，提示相应的语音提示。

图7 程序流程图

4 结束语

本文设计的盲人患者无障碍饮水机利用简单的检测感应电路，触发语音系统提示接用的饮用水为何种类型，以满足不同时刻对热、温、冷水的需求。同时通过水杯及杯托实现对水量的控制，消除了盲人患者使用饮水机接水时担心出现因找不到出水口、无法确定冷、热水、水量多少或者溢出的恐惧心理，降低了盲人患者独自使用饮水机的难度，减轻了家庭护理人员的劳动量。