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1、(10)授权公告号 CN 101966051 B (45)授权公告日 2012.05.23 CN 101966051 B *CN101966051B* (21)申请号 201010259494.7 (22)申请日 2010.08.19 A47G 19/22(2006.01) A47G 23/16(2006.01) G01F 23/18(2006.01) (73)专利权人 华南理工大学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381 号 (72)发明人 徐向民 许杏 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人 裘晖 (54) 发明名称 可无线充电的智能水位指。
2、示玻璃杯 (57) 摘要 本发明公开一种可无线充电的智能水位指示 玻璃杯， 包括杯座和杯子， 杯身内侧壁设有压力传 感器 ； 杯底内部设有 A/D 转换器、 微控制芯片、 电 能接收模块和 3 5 个 LED 灯 ； 杯座内部设有电 能发射模块、 充电指示灯和电池 ； 压力传感器将 水压产生的电信号， 传输至 A/D 转换器， A/D 转换 器将电信号转换成数字信号传输给微控制芯片， 微控制芯片测量出相应的水位高度 ； 杯子有35 个水位等级， 当测量出的水位高度处于相应等级 时， 对应的 LED 灯发光 ； 具备饮水量统计和提醒功 能 ； 微控制芯片对电能接收模块进行检测控制， 电量不足时，。
3、 电能发射模块将电能传输给电能接 收模块， 再将电能存储于电池内。 本发明能直观地 指示水位， 同时还能实现无线充电。 (51)Int.Cl. 审查员 杜正国 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/2 页 2 1. 一种可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 包括杯座及由杯身和杯底连为一体的杯 子， 其特征在于， 所述杯身内侧壁设有压力传感器 ； 杯底内部设有 A/D 转换器、 微控制芯片、 电能接收模块和35个LED灯 ； 所述杯座内部设有电能发射模块和电池 ； 所述压力传感器。
4、 将杯子内的水压产生的电信号， 传输至杯底内的 A/D 转换器中， A/D 转换器将电信号转换成 数字信号， 传输给微控制芯片， 微控制芯片根据压力传感器的线性特性测量出相应的水位 高度 ； 将杯子的水位分成 3 5 个等级， 每个等级对应一个 LED 灯， 当测量出的水位高度处 于相应的等级时， 则微控制芯片触发相应的 LED 灯发光 ； 微控制芯片对电能接收模块进行 检测控制， 当电量不足时， 微控制芯片控制电能发射模块将电能传输给电能接收模块， 电能 接收模块再将电能存储于电池内 ； 所述电能发射模块包括电源管理模块、 振荡器、 功率放大 器和发射谐振模块， 当系统需要充电时， 微控制芯。
5、片控制电源管理模块将工频交流电变换 成直流电， 然后通过振荡器逆变转换成高频交流电， 通过功率放大器供给发射谐振模块 ； 所 述电能接收模块包括接收线圈模块、 能量转换模块、 控制电路和电池 ； 所述接收线圈模块为 相应的次级端口， 其输出的电流为高频电流， 高频电流再经过能量转换模块变换成直流电 存储于电池内 ； 所述能量转换模块由控制电路控制， 控制电路由微控制芯片控制完成。 2. 根据权利要求 1 所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 所述测量 出相应的水位高度是根据微控制芯片接收到的电压值 Px、 水到达最高水位线时的电压值 Pmax、 空杯时的电压值 Pmin， 以及。
6、设置空杯时水位高度为 0， 水到达最高水位线时的高度 hmax， 求得当前水位的高度 hx， 设计水杯为圆柱形， 计算公式如下 ： hx/(hmax-0) Px/(Pmax-Pmin)。 3. 根据权利要求 2 所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 将杯子的 水位分成 4 个等级， 当 hx 处于相应的区间时， 则微控制芯片计算当前 hx 属于下列哪一个等 级， 并触发相应的 LED 发光 ； 等级 1 ： (3/4)hmax hx hmax ； 触发第一个 LED 发光 ； 等级 2 ： (2/4)hmax hx (3/4)hmax ； 触发第二个 LED 发光 ； 等级 3。
7、 ： (1/4)hmax hx (2/4)hmax ； 触发第三个 LED 发光 ； 等级 4 ： 0 hx (1/4)hmax ； 触发第四个 LED 发光。 4.根据权利要求2或3所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 还包括 智能控制饮水量的控制系统， 该系统包括微控制芯片对一次饮水量进行测量， 公式如下 ： hx1 Px1/(Pmax-Pmin)*hmax hx2 Px2/(Pmax-Pmin)*hmax hx hx2-hx1 当 100ml hx 200ml， 则喝水量适中， 微控制芯片触发所有 LED 发光， 提醒不要再 喝了， 持续亮 5 10 秒钟后断开电源 ； 。
8、当 hx 200ml， 则喝水量过多， 微控制芯片触发所有 LED 灯每隔 0.5 秒闪一次， 提醒 不要喝撑， 持续亮 5 10 秒钟后断开电源。 5. 根据权利要求 4 所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 所述微控 制芯片自断开电源时开始计时， 半小时内不再触发 LED 发光。 6. 根据权利要求 4 所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 所述智能 控制饮水量的控制系统的触发机制为 ： 当喝水的时候或者在水到达最高水位线时， 微控制 权 利 要 求 书 CN 101966051 B 2 2/2 页 3 芯片接收到的电压值 Px 大于 Pmax， 此时微控制。
9、芯片触发一个 LED 灯发光。 7. 根据权利要求 1 所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 所述能量 转换模块为全桥整流电路。 8. 根据权利要求 1 所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 所述微控 制芯片采用 6 引脚闪存的 PIC 单片机 PIC10F220 芯片。 9. 根据权利要求 1 所述的可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 其特征在于， 所述压力 传感器是陶瓷压力传感器。 权 利 要 求 书 CN 101966051 B 3 1/5 页 4 可无线充电的智能水位指示玻璃杯 技术领域 0001 本发明涉及一种基于压电传感器、 LED 阵列、 无线充电模。
10、块和微控制芯片的玻璃 杯， 尤其是能直观地指示水位、 智能地控制饮水量、 可实现无线充电的玻璃杯。 背景技术 0002 目前， 生活中常用的杯子有多种方面的改进。在结构上， 专利 02246146 公开了一 种自控双杯恒温器， 主要由保温杯、 杯套加热装置、 恒温控制装置等组成， 可长时间使保温 杯中饮料保持预先设定的恒温。专利 99251376 公开了一种电子冷热杯， 由杯体、 杯座、 衔接 杯体与杯座的具有定位销的外套组成， 包括 T 型传热块、 半导体致冷器、 散热器、 风扇， 使杯 体与杯座可方便脱卸并实现冷热保温功能。在功能上， 专利 96235575 公开了一种适用于卧 床病人使用。
11、的饮水杯， 大大方便了病人和护理人员。专利 02808488 公开了一种可在装有饮 料的瓶子上调节的饮杯， 包括饮料入口、 空气入口和嘴用开口穿透的中空体， 特别适合品尝 香槟酒。在外观上， 专利 200420096374 公开一种闪光杯， 包括杯身， 所述的杯身为双层杯 身， 双层杯身的外层为透明层， 在双层杯身的夹层内有印有图案的透光膜片等， 整个杯子还 具有结构美观、 新颖的特点， 适合作礼品杯使用。 0003 现有专利多数从杯子的结构和外观进行改进， 但是玻璃杯作为生活中的常用物 品， 缺少能在水位指示和饮水提醒等方面更为智能和直观的功能， 以使人们在使用时能够 更加方便。 发明内容 。
12、0004 本发明为了解决上述技术问题， 提供一种基于压电传感器、 LED 阵列、 无线充电模 块和微控制芯片的玻璃杯， 尤其是能直观地指示水位、 可实现无线充电的玻璃杯。 0005 此外， 该玻璃杯还可以计算液体水位的变化量， 且液体中可以出现七彩光线， 彩色 光线随着液体的减少而发生相应的变化， 每一次光线的变化是随机的。针对正常人每次喝 水量的标准， 对饮水量进行提示， 具有防止喝过量的提醒功能。本发明还具有定时功能， 当 喝水过多时， 关掉界面后短时间内不触发。 0006 本发明通过以下技术方案实现 ： 0007 一种可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 包括杯座及由杯身和杯底连为一体的杯 。
13、子， 其特征在于， 所述杯身内侧壁设有压力传感器 ； 杯底内部设有 A/D 转换器、 微控制芯片、 电能接收模块和 3 5 个 LED 灯 ； 所述杯座内部设有电能发射模块、 充电指示灯和电池 ； 所 述压力传感器将杯子内的水压产生的电信号， 传输至杯底内的 A/D 转换器中， A/D 转换器将 电信号转换成数字信号， 传输给微控制芯片， 微控制芯片根据压力传感器的线性特性测量 出相应的水位高度 ； 将杯子的水位分成 3 5 个等级， 每个等级对应一个 LED 灯， 当测量出 的水的高度处于相应的等级时， 则微控制芯片触发相应的 LED 灯发光， 具备饮水量统计和 提醒功能 ； 微控制芯片对电。
14、能接收模块进行检测控制， 当电量不足时， 微控制芯片控制电能 发射模块将电能传输给电能接收模块， 电能接收模块再将电能存储于电池内， 从而实现对 说 明 书 CN 101966051 B 4 2/5 页 5 杯子的无线充电。 0008 所述测量出相应的水位高度是根据微控制芯片接收到的电压值 Px、 水到达最高水 位线时的电压值 Pmax、 空杯时的电压值 Pmin， 以及设置空杯时水位高度为 0， 水到达最高水 位线时的高度 hmax， 求得当前水位的高度 hx， 计算公式如下 ： 0009 hx/(hmax-0) Px/(Pmax-Pmin)。 0010 优选地， 将杯子的水位分成4个等级，。
15、 当hx处于相应的区间时， 则微控制芯片计算 当前 hx 属于下列哪一个等级， 并触发相应的 LED 发光 ； 0011 等级 1 ： (3/4)hmax hx hmax 触发第一个 LED 发光 ； 0012 等级 2 ： (2/4)hmax hx (3/4)hmax ； 触发第二个 LED 发光 ； 0013 等级 3 ： (1/4)hmax hx (2/4)hmax ； 触发第三个 LED 发光 ； 0014 等级 4 ： 0 hx (1/4)hmax ； 触发第四个 LED 发光。 0015 优选地， 该玻璃杯还包括智能控制饮水量的控制系统， 该系统包括微控制芯片对 一次饮水量进行测量。
16、， 公式如下 ： 0016 hx1 Px1/(Pmax-Pmin)*hmax 0017 hx2 Px2/(Pmax-Pmin)*hmax 0018 hx hx2-hx1 0019 当 100ml hx 200ml， 则喝水量适中， 微控制芯片触发所有 LED 发光， 提醒不 要再喝了， 持续亮 5 10 秒钟后断开电源 ； 0020 当 hx 200ml， 则喝水量过多， 微控制芯片触发所有 LED 灯每隔 0.5 秒闪一次， 提醒不要喝撑， 持续亮 5 10 秒钟后断开电源。 0021 所述微控制芯片自断开电源时开始计时， 半小时内不会再触发 LED 发光。 0022 所述智能控制饮水量的控。
17、制系统的触发机制为 ： 当喝水的时候或者在水到达最高 水位线时， 微控制芯片接收到的电压值Px大于Pmax， 此时微控制芯片触发一个LED灯发光。 0023 所述电能发射模块包括电源管理模块、 振荡器、 功率放大器和发射谐振模块， 当系 统需要充电时， 微控制芯片控制电源管理模块将工频交流电变换成直流电， 然后通过振荡 器逆变转换成高频交流电， 通过功率放大器供给发射谐振模块 ； 所述电能接收模块包括接 收线圈模块、 能量转换模块、 控制电路和电池 ； 所述接收线圈模块为相应的次级端口， 其输 出的电流为高频电流， 高频电流再经过能量转换模块变换成直流电存储于电池内， 从而实 现对电池的无线充。
18、电 ； 所述能量转换模块由控制电路控制， 控制电路由微控制芯片控制完 成。 0024 所述能量转换模块为全桥整流电路。 0025 所述微控制芯片采用 6 引脚闪存的 PIC 单片机 PIC10F220 芯片。 0026 所述压力传感器是陶瓷压力传感器。 0027 本发明相对于现有技术具有以下优点 ： 0028 (1) 本发明的玻璃杯能直观地指示水位 ； 同时还能实现无线充电， 使充电更为简 单便捷。 0029 (2) 该玻璃杯还可以计算液体水位的变化量， 且液体中可以发光 ( 七彩光线 )， 彩 色光线随着液体的减少而发生相应的变化， 每一次光线的变化是随机的。 0030 (3) 针对正常人每。
19、次喝水量的标准， 该玻璃杯可以对饮水量进行提示， 具有防止喝 说 明 书 CN 101966051 B 5 3/5 页 6 过量的提醒功能。 0031 (4) 本发明玻璃杯还具有定时功能， 当喝水过多时， 关掉界面后短时间内不触发。 附图说明 0032 图 1 是本发明玻璃杯的结构示意图 ； 0033 图 2 是本发明玻璃杯的系统框图 ； 0034 图 3 是水位指示及智能提示的流程图 ； 0035 图 4 是无线充电模块框图， 即图 1 中电能接收模块 107 和电能发射模块 108 的框 图。 具体实施方式 0036 下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述， 但本发明的实施方式不限。
20、 于此， 对于未特别注明的工艺， 可参照常规技术进行。 0037 一种可无线充电的智能水位指示玻璃杯， 包括杯座 103 及由杯身 101 和杯底 102 连为一体的杯子， 所述杯身 101 内侧壁设有压力传感器 104 ； 杯底 102 内部设有 A/D 转换器 106、 微控制芯片 105、 电能接收模块 107 和 4 个 LED 灯 109、 1010、 1011、 1012 ； 所述杯座 103 内部设有电能发射模块 108、 充电状态指示灯 1013 和电池 1014。 0038 (1) 杯身 101 有一个压力传感器 104， 当喝水的时候， 或者杯中水量到达最高水位 线时进行触。
21、发。 0039 在杯身 101 安装压力传感器 104。本系统可选择陶瓷压力传感器。陶瓷是一种公 认的高弹性、 抗腐蚀、 抗磨损、 抗冲击和振动的材料， 而且具有测量的高精度、 高稳定性。电 气绝缘程度 2kV， 输出信号强， 长期稳定性好。回路里电流随着压力的变化而变化。电流 和压力是成线性而且成正比的。压力直接作用在陶瓷膜片的前表面， 使膜片产生微小的形 变， 厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面， 连接成一个惠斯通电桥 ( 闭桥 )， 由于压敏电阻的压 阻效应， 使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、 与激励电压也成正比的电压信号。 具体 公式为 ： 0040 Pa/R (Ax-Amin)/(A。
22、max-Amin) 0041 参数含义为 ： 0042 Pa ： 实测压力 0043 R ： 传感器量程 0044 Ax ： 当前压力相对应的电流 0045 Amax ： 输出最大电流 0046 Amin ： 输出最小电流 0047 陶瓷压力传感器 104 在受力时产生的阻值变化通常较小， 模拟信号由后续的放 大器进行放大， 再通过 A/D 转换器 106 将反映水的高度的数字信号传输给微控制芯片 (MCU)105， MCU 根据压力传感器的线性特性计算得出水位的高度 hx。在此之前， MCU 通过实 验得到反映水的高度的电压值 ： Pmax 表示水到达最高水位线时的电压值， Pmin 表示水。
23、杯空 时的电压值。 0048 (2) 触发后， 微控制芯片 MCU105 控制 LED 灯阵列一 109 发光， 表示欢迎使用。 说 明 书 CN 101966051 B 6 4/5 页 7 0049 触发方式有两种， 一种是加水到达最高水位线时， 另一种是喝水时。 由于喝水时嘴 唇会碰到杯口， 给杯口一定的压力， 此时得到的反映压力大小的值 Px 必然大于表示水到达 最高水位线时的电压值 Pmax。由此得到触发表达式为 ： 0050 Px Pmax 0051 当 Px 满足上述条件时， 说明系统处于触发状态。则微控制芯片 MCU105 控制 LED 灯阵列一 109 发光， 表示欢迎使用。 。
24、0052 微控制芯片 105 采用微芯科技 (Microchip Technology) 公司推出的 6 引脚闪存 的 PIC 单片机 PIC10F220， 适合各种空间及成本受限的应用， 如电池驱动。PIC10F220 具有 体积小、 高性能及低成本等三大优势， 非常适用于本系统。 0053 (3) 将杯子的水位分成 4 个等级， 每一个等级点亮不同的 LED 阵列。 0054 微控制芯片 MCU105 接收到通过 A/D 转换器 106 传送的数据 Px。根据 Px、 Pmax、 Pmin， 以及水杯底高为 0， 水到达最高水位线时的高度 hmax 等数据， 求得当前水位的高度 hx。设计。
25、水杯为圆柱形， 则有以下对应关系 ： 0055 hx/(hmax-0) Px/(Pmax-Pmin) 0056 将杯子的水位分成 4 个等级， 当 hx 处于相应的区间时， 则微控制芯片 MCU 计算当 前 hx 处于哪一个等级， 并点亮相应的 LED 阵列。 0057 等级 1 ： (3/4)hmax hx hmax ； 点亮七彩 LED 阵列一 109 ； 0058 等级 2 ： (2/4)hmax hx (3/4)hmax ； 点亮七彩 LED 阵列二 1010 ； 0059 等级 3 ： (1/4)hmax hx (2/4)hmax ； 点亮七彩 LED 阵列三 1011 ； 0060。
26、 等级 4 ： 0 hx (1/4)hmax ； 点亮七彩 LED 阵列四 1012。 0061 (4) 对所喝的水量进行统计， 并提供防止喝撑的功能。 0062 本实施例从防止孩童一次性喝水太多而进行设计， 对两次喝水的量进行测量 ( 即 液体的减少程度 )。 0063 hx1 Px1/(Pmax-Pmin)*hmax 0064 hx2 Px2/(Pmax-Pmin)*hmax 0065 hx hx2-hx1 0066 通过查阅相应资料， 得知婴儿一次喝水量为 50ml， 2 岁小孩一次喝水量为 100 150ml。因此， 本系统预设孩童一次喝水量为 100ml， 会导致孩童喝过量的限制喝水。
27、量为 200ml。 0067 如果100mlhx200ml， ， 微控制芯片MCU105控制七彩LED阵列一、 二、 三、 四 点亮， 表示喝水量适中。七彩 LED 阵列一、 二、 三、 四持续亮 10 秒钟， 然后断开电源。为防止 小孩贪玩而再次喝水， 微控制芯片 MCU105 开始进行计时， 半小时内不会再触发。 0068 如果hx200ml， 则说明喝水量过多， 微控制芯片MCU105控制七彩LED阵列一、 二、 三、 四每隔 0.5 秒闪一次， 提醒孩童不要过多喝水。持续 10 秒钟后断开电源。为防止孩 童贪玩而再次喝水， 微控制芯片 MCU105 开始进行计时， 半小时内不会再触发。。
28、 0069 (5) 无线充电模块 ： 0070 无线充电模块包括电能接收模块 107 和电能发射模块 108。 0071 无线充电系统主要采用电磁感应原理， 在电源与电池之间不需要物理连接而实现 能量耦合。如图 4 所示， 电能发射模块 108 包括电源管理、 振荡器、 功率放大器、 发射谐振等 说 明 书 CN 101966051 B 7 5/5 页 8 子模块 ； 电能接收模块 107 包括接收线圈、 能量转换、 电池 1014、 控制电路等子模块。其中， 控制电路由 MCU105 完成控制。 0072 当系统需要充电时， 在电能发射模块 108， 电源管理模块将工频交流电变换成直流 电，。
29、 然后通过振荡器逆变转换成高频交流电， 通过功率放大器供给初级绕组， 即发射谐振模 块。 在电能接收模块107， 接收线圈模块为相应的次级端口， 其输出的电流为高频电流， 再经 过能量转换模块(本实施例采用全桥整流电路)进行能量转换， 变换成直流电， 存储于电池 1014 内， 从而实现对玻璃杯的无线充电功能。 0073 谐振电路中 ( 即发射谐振模块和接收线圈模块 )， 电容 C1与 PCB 绕组线圈的漏磁 电感 Llk构成串联谐振电路， 根据谐振时， 有 ： 0074 0075 得到谐振频率 ： 0076 0077 只要调整发射端线圈的谐振频率与接收端线圈的谐振频率一致， 就可以实现电能 。
30、的无线传输。 0078 无线充电模块的具体工作流程如下 ： 0079 (1) 启动充电后， 电能发射模块 108 接入到 AC 电源， 微控制芯片 MCU105 控制电源 管理模块先不工作， 电源电路处于最小耗电状态。 0080 (2) 电能发射模块 108 开始探寻电能接收模块 107 中的电池 1014， 如探寻成功， 则 微控制芯片 MCU105 检测电池 1014 的电池容量、 电量状态等。 0081 (3)电能发射模块108给电能接收模块107充电， 充电状态指示灯1013闪烁， 说明 发射谐振与接收线圈达到了最佳耦合状态， 电能接收模块 107 正在给电池 1014 充电， 充电 。
31、效率比较高。充电状态指示灯 1013 为非闪烁状态， 说明电池已经充满。 0082 (4)在充电过程中， 微控制芯片MCU105实时监测电能接收模块107中电池1014的 充电状态。通过充电状态指示灯 1013 显示充电状态， 如 (3) 所述， 指示灯为绿色闪烁说明 正在进行充电， 充电状态指示灯 1013 为绿色则说明充电完毕。充电过程中产生异常或是电 池处于充满状态， 则停止充电 ； 电池未充满且无异常发生， 则继续充电， 直到充满为止。 0083 上述实施例为本发明较佳的实施方式， 但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制， 其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、 修饰、 替代、 组合、 简化， 均应为等效的置换方式， 都包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 101966051 B 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 101966051 B 9 2/3 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 101966051 B 10 3/3 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 101966051 B 11 。