一种全自动饮水机的制作方法

1.本实用新型涉及一种全自动饮水机，特别是具有卫生敏感的全自动饮水机。


背景技术：

2.饮水机已经是家庭和办公室以及许多公共场所的标准配备，按照水的供应来分，有桶装水的，也有连接过滤器的直饮水的，对于桶装水，绝大部分是聪明座连接水桶的方案，也有水桶下置利用水泵供水的方案；按照水的温度处理分类，无非是加热、制冷和常温三种选择及其组合；按照出水控制来分，一种是比较简单的手动机械开关的，另外就是有电磁阀的冷热水输出开关，还有利用水泵供水的选择；对于具有热水提供能力的饮水机，大部分是储水罐配加热器及温控器的方案，但也有速热的技术方案；目前就中国，大体有一亿台饮水机在使用着，每年新增的饮水机产量大体在二千万台，用于更新及新增用户，其中公共场合占了相当大的份额。
3.饮水机这个产品，由于涉及大家的饮水，其卫生问题是非常重要的，目前的产品几乎没有考虑这种局面下的对策设计。
4.中国201220414260号专利，公开了一种采用红外传感器感应水龙头下方是否放入杯子的自动饮水机装置，为开发卫生敏感考虑的全自动饮水机提供了一点指引，但研究该专利后发现该专利的技术方案存在某些明显的缺陷，包括无法区分水龙头下方的杯子和人手，特别当人手还未离开杯子或人手意外或进行清洁饮水机时进入水龙头下方时，该饮水机会自动放水造成烫伤和水资源浪费；也无法确认杯子是否对准水龙头，人手持杯子对位水龙头的过程中就有可能放水造成烫伤；也没有溢漏检测装置，若由于对位不准或水满溢出无法自动停水，有可能造成严重烫伤事故。
5.面对各种病毒，人类社会有强烈的需求，开发出非接触的产品，才能满足卫生敏感的要求，近些年，有不少这种非接触方案的专利出现在电梯这个领域，而饮水机这类涉及食物的产品，该需求本来应该更加强烈，估计应该是饮水机这类产品本身的价格就是几十元最多几百元人民币而限制了这个行业的研发冲动；而对于人体的接近，特别是操作电梯按钮的手指的接近，有很多技术方案可以采用，包括摄像头、红外或射频等技术，例如中国201480079328.5号专利；但电容感应是各种感应方案中成本最低的方案。
6.中国专利201480079328公开了一种利用手势控制电梯的技术方案，在其说明书中，提到了类似摄像等技术来记录手势，包括预先设置手势，其主要的技术构成是先记录甚至定制手势，把这些手势的数据记录在系统中形成手势库，然后在侦察到一种手势命令后，与手势库进行对比，判断出手势的含义，有点类似目前已经开始普及起来的人脸设别技术；该技术需要的硬件设备多且昂贵，另一方面，使用者的定制也是非常困难的，由于人体手势及动作方式千奇百怪，在准确判断识别和抗干扰这二个矛盾方面，该技术存在相当大的挑战，目前市面上没有出现这个产品也间接说明该技术的难度，使用在饮水机产品上更加没有性价比。
7.申请号201610551225.5的中国专利及美国专利us7498822公开了一种电容感应人
体手指接近的方案，主要考虑使用在电梯按钮的领域，尽管都有其本身的缺陷和问题，但也为卫生敏感的非接触设计开辟了电容传感器的道路。
8.电容传感器有其固有的一些特色，包括成本低廉，适用于各种场景，但容易受到环境的影响，对于可靠性要求高的应用，就需要对其误差/漂移等进行针对性的设计才能应用。
9.现有成熟技术的电容数字转换电路(cdc)，例如dai7142、adi7147，采用δ-∑调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：us patent number：5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，容易满足测量系统在安全距离下对电容测量灵敏度的要求，特别是，这些芯片的设计具有多个通道，使得电路设计简单方便，从而有效降低成本和安装难度，甚至已经开发出把控制器mcu与cdc集成在一起的芯片，例如，cypress的psoc4100s plus系列芯片。
10.中国专利201420023352号和201520594897号，公开了利用麦克风等采集水流向杯子里的音频信号，再借助dsp芯片等对这些信号进行处理，最后控制电磁阀来水满停水，其中也指出现有技术的红外感应控制不灵敏等问题。这二件专利公开了使用声音传感器检测杯子盛水过程中的音频信号、并控制饮水机自动停水的装置，采用流水声判断杯中水满的原理是随着水位的升高，水面到杯口形成的共鸣腔越来越短，其谐振频率波长与水面到杯口的距离成正比，通过快速傅里叶变换可以从频谱中找到幅值最大的频率就对应共鸣腔的谐振频率，从而计算出水面到杯口的距离，但此种装置的缺陷是，第一、快速实时傅里叶变换需要具有并行处理能力的高性能处理器例如dsp，其成本太高，不适合造价敏感而且应用广阔的饮水机行业；第二、公共饮水机使用场景通常存在较大的环境噪音，会对声音传感器造成严重干扰，容易导致水位的误判。
11.中国201220088648号专利和201320076523号专利系中国家电巨头之一的九阳电器公司的饮水机专利，它们公开了设置一种电容传感器来控制水量的技术方案，也未见利用电容传感器来直接控制饮水机无人手直接接触的卫生敏感型的思路。这二个专利公开了利用人手指滑过多个电容传感器表面的高度模拟向饮水机输入需要的水位高度从而实现自动停水的技术方案，该方案存在的缺陷是，第一、操作难度大，不适合公共饮水机使用场景不同年龄和教育背景的使用者，依据使用者主观判断用手指滑动的高度输入需要的水位高度是模糊不准确的，容易早停水达不到用户需要或晚停水造成浪费甚至烫伤；第二、该技术方案需要多个电极配合复杂的结构；最重要的是该技术方案无法实现非接触式操作，实现卫生敏感的防病毒传染的效果。


技术实现要素：

12.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，在饮水机这样面向大众使用量很大的产品上，设计出一种全自动地控制/操作的饮水机，避免手动接触操作带来的病毒传染问题，同时，除了常规的感应灵敏、可靠性高的要求外，还要充分考虑由此控制产生的安全问题，例如，不能烫到使用者的手，最后，成本造价也是对于这种社会大量普及产品非常重要的衡量指标。本实用新型的全自动饮水机，包括机体，电源，水源供应装置，水的冷热处理装置，出水供应装置，在接水杯子置放位置附近的机体上安装感应人手的第一传感器，第一传感器由电容电极构成，在杯子置放垫上设置判断杯子的第二传感器，控制器连接第一传感
器和第二传感器。出水供应装置可以为出水控制电磁阀或水泵。
13.在接水杯子置放位置附近的机体上安装感应人手的第一传感器，该传感器由电容电极构成，也可以称为第一电极，防止人手被热水烫伤；还可以在杯子置放垫上设置判断杯子位子是否正确及判断杯子材质的第二电极，同样也称为第二传感器，第二电极也可以检测是否存在溢流情况，当然可以把判断溢流的检测电极设置在杯子置放位子的下部的第三电极来承担此任务，使得饮水机使用起来安全可靠，这些电极均可能同时接入电容数字转换电路，均由控制器进行检测判断后进行安全操作。
14.进一步，所述机体上装有悬停开关，悬停开关包括电容传感器，电容数字转换电路，控制器，声光反馈控制电路，其中的电容传感器包括一个中心电极、一个围绕中心电极设置的外围电极，中心电极凸出外围电极1.1-8.8mm的高度；中心电极和外围电极连接电容数字转换电路，电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；电容数字转换电路检测中心电极、外围电极感应人体手指接近后的自电容和/或互电容；控制器连接电容数字转换电路、声光反馈控制电路、出水供应装置。进一步，上述的控制器连接声光反馈控制电路，所述声光反馈控制电路呈现无触发、预触发和触发三个状态，上述的出水供应装置为电磁阀或水泵。
15.进一步，第二传感器为主动红外传感器或者超声传感器或称重传感器。
16.进一步，第二传感器为电容传感器；第二传感器由1-6个电极构成。
17.进一步，在接水杯子置放垫的下方安有第三电极的电容传感器；第三电极由至少2条极板构成。
18.进一步，第一传感器的电极和第二传感器的电极均连接至电容数字转换电路，电容数字转换电路连接第二控制器，第二控制器通过通讯接口与控制器相连。
19.进一步，为了满足各种使用场景，例如用热水瓶去饮水机那里接水的场景，同时满足无接触的防病毒要求，本实用新型还可以在机体上安装一个非接触的悬停开关，该开关感应人体手指的接近，用来控制电磁阀，使饮水机向使用者供应水，该悬停开关包括电容传感器，电容数字转换电路，控制器，声光反馈控制电路，其中的电容传感器包括一个中心电极、一个围绕中心电极设置的外围电极，中心电极凸出外围电极1.1-8.8mm的高度；中心电极和外围电极连接电容数字转换电路，电容数字转换电路cdc 包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；上述中心电极、外围电极均连接电容数字转换电路，检测中心电极、外围电极感应人体手指接近后的自电容和/或互电容；控制器连接并且接受电容数字转换电路的信号，最后连接至出水供应装置电磁阀，通过控制电磁阀的动作响应使用者的需求，也可以连接控制水泵来达成水的供应。
20.本实用新型开发出了特别适合悬停按钮特点的电容传感器，再配合成熟的电容数字转换技术，充分利用了cdc电路对杂散分布电容免疫的特长，采用了自电容和互电容相结合的测量方法，加上无触发，预触发和触发三态声光反馈控制电路，考虑人体手指接近的特点，避免各种不同的干扰，精确判断手指的接近动作来触发按钮，不但为饮水机开发了卫生敏感的非接触控制方案，而且充分利用电容电极成本非常低、安装也非常容易的特点，更利用了现在数字转换电路cdc本身就具有很多通道的特点，在极少成本增加下，为饮水机产品提供完善体验的配套技术解决方案，本产品感应灵敏准确，并且能够防止误触发，使用安全，防止接触带来的病毒传播的同时，防止人手被热水烫伤的事件发生，整体成本容易被商
业化所接受。
21.事实上，公共饮水机通常会提供标准规格的一次性纸杯，而公用咖啡及饮料机一般会提供可重复使用的标准陶瓷或玻璃杯，本实用新型采用的第二组电容电极可以低成本实现区分杯子的材质和规格，并依据杯子的规格容量定量放水，无需实时检测杯子的水位即可实现自动停水的功能，对于使用自行携带的非标准杯子，使用者只需观察到合适水位，本实用新型的第一组电极检测到使用者伸手取杯的动作，即可自动停水。
22.同时，在上述的传感器单元基础上，本实用新型的按钮触发方法是通过电容传感器检测和计算人体手指进入某个中心电极上部有效悬停触发区域，通过声光反馈控制电路提供人体手指进入所述有效悬停触发区域的预触发响应；
23.如果人体手指进入比有效悬停触发区域更接近中心电极的快速触发区域，则直接输出人体手指所指按钮的触发逻辑信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；否则，持续检测人体手指是否停留在所述有效悬停触发区域，如果是并且超过设定的悬停时间，和/或检测到人体手指在有效悬停触发区域内有点击动作，输出人体手指所指按钮的触发信号并且同时声光反馈控制电路给予触发状态响应；如果在设定的悬停时间内检测到手指离开了所述有效悬停触发区域，则返回无触发状态。
24.特别是，本实用新型的悬停开关按钮的电极布置，还有以下优点：第一、从根本上避免了手指接触饮水机任何侧壁的风险；第二、无需考虑侧壁安全距离，从而有效的缩小了悬停按钮的直径，可以将整个按钮外径控制在3cm以下，可以轻易满足饮水机按钮的空间布局要求；第三、避免了饮水机，特别是公共场所的饮水机可能的病毒传染；第四、配合杯子安放位子附近的第一电极和第二电极，可以完成全自动的饮水供应，防止烫伤；第五，充分利用了电容传感器价格低廉的特点，适合于饮水机这种普及型的产品。
附图说明
25.图1为完成本实用新型目的的各个传感器电极安装在饮水机上的位置示意图。
26.图2为本实用新型的使用状态示意图，也表示了手指相对于按钮的接近状态，图中实线和虚线分别表示了一种人体手指指向按钮的不同角度状态。
27.图3为本实用新型的传感器立体图，包括图3-1是人体手指水平方向接近电容电极的示意图；图3-2 是人体手指45
°
方向接近电容电极的示意图；图3-3人体手指垂直方向接近电容电极的示意图；图3-4 是人体整个手掌接近电容电极的示意图。
28.图4，包括图4-1和图4-2，为本实用新型的人体手指及手掌在工作时与电容电极的位置关系以及所体现出的电容等效原理图，其中图4-2比图4-1更清晰表示出感应范围的示意图。
29.图5为本实用新型的单个电容电极单元下电容传感器结构图，其中图5-1俯视地表达几个电容电极的相互关系，图5-2，5-3剖视地反映电容电极的布置示意图。
30.图6为本实用新型涉及一组以上电极单元的电极布置示意图。
31.图7为本实用新型检测电容的时序安排示意图。
32.图8为包含图8-1，图8-2，图8-3分别为第2电极在杯托上的布置示意图，杯托也称为杯垫或者杯子置放垫。
33.图9第三电极布置图，包括图9-1俯视图和图9-2侧视图。
34.图10为悬停按钮为电容电极测量及控制等原理图框图。
35.图11系本实用新型判断手指接近与否的系统流程图。
36.图12是自动出水控制系统流程图。
37.图13，包括图13-1反映了手指对电极自电容的影响示意图及图13-2给出了此时的等效电路。
38.图14，包括图14-1反映了手指对二个电极间互电容的影响示意图及图14-2给出了此时的等效电路。
39.图15是手指在有效悬停触发区域内做出虚拟点击动作后中心电容的电容值变化的曲线。
40.图16是饮水机系统框图。
41.图17是错层布置的第2电极示意图。
42.图18是本方案实施例的饮水机示意图。
43.图19杯子摆放后在第二电极上形成的投影示意图。
44.图20人手接近第一电极示意图。
45.图21遮水檐及第三电极局部泡面，水滴滑落第三电极示意图。
具体实施方式
46.本实用新型适用于卫生敏感场合按钮的手指接近来感应控制饮水机，特别是公共场所提供的饮水机，大家使用过程中存在病毒传染的风险，为此，开发出的非接触式按钮，必须考虑大家使用过程中的习惯和防止误触发带来的烫伤等事故，本实用新型采用的悬停按钮主要考虑采用手指触发并且避免手掌等身体其它部位的触发。
47.对于采用电容测量来计算判断手指接近电极的情况，有必要对电极的自电容和互电容的情况加以说明，结合图13和图14；电容检测人体接近的原理可以分为自电容检测和互电容检测两种方式，互电容的检测原理参见图13-1，当人体接近时，两个电极之间形成的互电容cm的电场线被人体扰动导致互电容 cm电容值会发生变化，且该变化与人体接近两个电极的平均距离成正比，在其中一个电极施加激励信号，在另一电极接测量电路，即可检测互电容的变化值，其等效测量电路如图13-2所示，一般互电容测量距离较小，但抗干扰能力较强；自电容的检测原理参见图14-1，人体接近单个电极时，单个电极与人体之间会形成自电容cs，该自电容cs通过人体对大地的等效电容ca接地，cs与人体接近所述单个电极的距离成正比，人体对大地的等效电容ca约为200pf，而自电容cs的变化范围通常小于1pf，图14-2 是测量自电容的等效电路，可以看出ca和cs是串联关系，依据串联电容公式，串联电容等效电容 cx＝ca＊cs/(ca cs)，因为ca远大于cf，所以份子ca cs≈ca，于是有cx≈ca＊cs/ca＝cs，即可以将互电容cs近似为所述单个电极对地的电容，因此测量自电容就等同于测量单个电极对地的电容，互电容与人体距单个电极的距离成正比关系；与互电容的激励信号和测量电路分别连接两个电极不同，自电容的激励信号与测量电路连接在同一个电极上，一般自电容测量距离较远，但抗干扰能力较弱；相反，互电容的测量距离相对受到电极布置的影响，相对小一点，但其抗干扰能力强。
48.对于饮水机的使用者，利用手指从上下左右各个不同角度去触发某个按钮都是可能的，在接触式按钮开关的应用场景中，平行于按钮的方向，在360度范围内，人的手指无论
从任何方向角接触按钮都应该触发开关，而在垂直于按钮的方向，手指从0至90度以任何角度接触按钮都应该触发开关，同样悬停按钮也应该满足与接触式按钮同样的方向和角度范围内可以有效触发开关的要求。图2中显示了人体手指接近按钮电极的三种状态，包括实线所示的平行进入，虚线所示的45
°
角度进入和垂直90
°
角度进入，图中141为按钮面板，101为中心电极，102为外围电极。本实用新型就是要让这三种手指的接近方式都能够得到响应。
49.非接触按钮需要有效防止人体大面积接近悬停按钮时造成的误触发，包括人多时臂部或背部靠近或紧贴悬停按钮、清洁时手掌或拳头贴近悬停按钮等各种误触发的情形。要充分利用人体手掌伸出一个手指这种指向动作下，需要设计的电容电极有相当大的冗余量来加以区分。
50.图3表示了人体手指三个状态去触发按钮的示意图以及手掌接近按钮的示意图，本实用新型要求触发悬停按钮的方法是：用食指伸出，其余4指握拳，这种动作也是人体手指正常的指向动作；如图2所示，在垂直于悬停按钮的方向，可以在0到90度范围内以的任意角度接近中心电极，在平行于悬停按钮的方向上，可以在360度范围内以任何角度接近中心电极。图3-1，3-2和3-3分别示出手指在垂直于悬停按钮方向以0度(水)平、45度和90度角接近悬停按钮的情况，其中手指到中心电极的投影面积 s1在0到90度范围内基本保持不变，而手指到外围电极的投影s2在0到45度角范围内基本保持不变，约为外围电极面积s21的1/2πr2，其中r2是外围电极的半径。由于受握拳的其余4指的影响，在45度到90度范围内投影面积s2逐渐增大，到90度角时达到最大值，约为外围电极面积s21的1/4。在手指之间到中心电极距离d1保持在最小安全距离(2cm)不变的前提下，手指到外围电极的距离d2随手指与悬停按钮的垂直角度从0度到90度，从最小d2＝d1 δd到最大d2＝d1 手指长度范围内变化。图 3-4以手掌为代表示出了人体大面积部位接近悬停按钮的情况，由于手掌可以完全覆盖悬停按钮，所以手掌到中心电极的投影面积等于中心电极本身的面积s11，手掌到外围电极的投影面积等于外围电极本身的面积s21，手掌到中心电极的距离d1同样保持在最小安全距离的条件下，手掌到外围电极的距离 d2＝d1 δd。本公司在研发试验时选择中心电极半径r1为1.25cm，外围电极内环半径为1.25cm，外环半径r2为1.75cm，凸电极结构中心电极与外围电极的高度差δd为0.5cm，下表给出了大体直径 1cm的手指从不同角度接近悬停按钮和手掌接近悬停按钮时c1/c2的理论计算值：
[0051][0052]
从表中可以看出，水平手掌的c1/c2＝1.3而手指各个角度的c1/c2＞＝7,15表明以手掌为代表的大面积身体部位于与小面积的手指有明显的区别，我们按3倍的冗余量选取c1/c2的阈值为3＊1.30＝3.9 就可以非常可靠的区分手指和手掌的接近，我们公司实验
室对此进行的大量实验数据也证明了上述结论。
[0053]
分时测量
[0054]
如图7所示，本实用新型采用电容数字转换电路cdc电路内的模拟开关周期性的分时检测中心电极 101与人体构成的自电容c1和外围电极102与人体构成的自电容c2以及中心电极101与外围电极102 构成的互电容c3，将一个测量周期t分为3个时间片段t1、t2和t3。如图7所示，t1时间段，模拟开关133和135闭合，模拟开关134和136断开，此时方波激励信号施加于中心电极101上，而电容测量信号也从中心电极101取出；t2时间段，模拟开关133和135断开，模拟开关134和136闭合，此时方波激励信号施加于外围电极102上，而电容测量信号也从中心电极102取出；t3时间段，模拟开关133和136闭合，134和135断开。此时方波激励信号施加于外围电极102，而电容测量信号从中心电极取出。采用上述分时测量的方法，一方面可以将电容检测灵敏度提高到ff极，以满足最小安全距离的要求，另一方面不需要采用patent no：us 7,498,822 b2提出的保持中心电极和外围电极的等电位以消除c3的影响，相反利用分时测量不受c1、c2影响的c3，可以使悬停按钮保留接触式快速触发的功能。
[0055]
有效悬停触发区域
[0056]
如图4-2所示，本实用新型利用测量c1，c2和c3的电容值，通过计算设定了位于中心电极101 上部虚线圆柱体表示的本实用新型悬停按钮的有效悬停触发区域129，当手指进入该区域，并在该区域悬停时间超过规定的悬停时间阈值(例如1秒钟)时，悬停按钮即被触发。本实施例将有效悬停触发区域的底面到中心电极101的距离dmin设定0.5cm，一旦手指与中心电极的距离小于0.5cm，到中心电极的距离dmax设定在4cm，手指到悬停按钮的最小安全距离dsaf设定为2cm，这样可以保证在最小安全距离以上有2cm的垂直抖动区间，提高触发的可靠性，有效悬停触发区域的半径r约等于中心电极的半径r1。如图4-1所示。在δd确定的条件下，上述垂直距离dmax、dsaf、dmin均与电容比c1/c2 成单调函数关系，可以通过计算c1/c2的值来确定，δd越大垂直距离分辨率越高，但δd太大会降低悬停按钮的灵敏度，因此一般应选择在0.1cm至1cm之间，通过反复的实验，发现二个电极间距(高度差)1.1-8.8mm是比较合适的，兼顾了测量的灵敏度，电极设计以及适用于广大用户，本实施例优选δ d＝0.5cm。有效悬停触发区域的设定计算原理如图3图4-1和图4-2所示，其中δd是凸结构中心电极 101与外围电极102之间的高度差，d1是中心电极到手指的距离，d2是外围电极到手指的距离，s1是手指在中心电极上的投影面积，s2是手指在外围电极上的投影面积，由电容基本公式可得
[0057]
c1/c2＝ε1＊s1＊d2/ε2＊s2＊d1＝ε1＊s1＊(d1 δd)/ε2＊s2＊d1，
‑‑‑
(1)
[0058]
其中ε1和ε2分别是电容c1和c2的介电常数，在同样的测量环境下，ε1＝ε2，因此约分后(1)式变为：
[0059]
c1/c2＝s1＊(d1 δd)/s2＊d1
‑‑‑‑‑
(2)
[0060]
(2)式表明c1/c2与介电常数无关。(2)式整理后可得：
[0061]
d1＝δd/((s2/s1)＊(c1/c2)-1)
‑‑‑
(3)
[0062]
由于手指在垂直于中心电极101方向上从0到90度变化时其投影面积s1和s2基本不变即s2/s1 是常量，因此(3)式表明手指接近距离与两个电容的比值c1/c2成一一对应的反比关系，即用c1/c2 可以计算出手指接近的距离d1，因比，如图4-2所示的近似圆柱体的
有效悬停触发区域129的最大高度dmax、最小高度dmin和最小安全距离dsaf均可通过c1/c2的对应比值设定，而有效悬停触发区域129 的半径r可以利用中心电极101和外围电极102之间的互电容c3的电容值限定约等于中心电极101的半径r1的范围内。注意在(3)式中已经没有介电常数ε的影响，从而消除了测量环境的温度、湿度和不同介质对距离测量精度的影响。
[0063]
对于中心电极101，中心电极101上部的有效悬停触发区域为一个柱体，其剖面形状为中心电极的外周投影，其底部为离开中心电极的距离dmin，其上面到中心电极的距离dmax，上述的dmin为0.5cm， dmax为4cm。对于dmin，主要考虑互电容检测判断非常准确，不太受到环境影响，而且设定这个数值是判断使用者是否想快速触发的考虑，而对于dmax的设置，有效平衡了测量的分辨率、准确度，还平衡了使用者手指在悬停触发过程中必要的抖动带来的问题。
[0064]
悬停时间
[0065]
在饮水机设置二个悬停按钮应用于冷水和热水控制的情形下，当手指寻找目标悬停按钮的有效悬停触发区域时，可能会途经相邻布置的另外一个悬停按钮的有效悬停触发区域而造成相邻悬停按钮的误触发，以避免将相邻的悬停按钮误触发，本实用新型采用规定手指在悬停按钮有效悬停触发区域悬停时间的方法，以避免途径按钮的误触发。依据不同的应用场景，悬停时间可以规定在0.3s到5s之间，原则上，悬停时间越长，防误触发效果越好，但悬停时间太长会延长触发响应时间，影响用户的操作体验，对于饮水机冷水和热水触发按钮有效分隔的情况下，也可以不设置悬停时间，即悬停时间等于0，本实用新型的实施例的悬停按钮规定悬浮时间为0.5s-1s，此时间兼顾了误触发和用户操作体验。
[0066]
快速触发区域
[0067]
如上所述，悬停按钮需要有悬停时间(例如0.5s-1s)，为了满足人们多样化的需求，悬停式按钮必可以提供类似机械开关动作似的快速触发的功能，即手指接触到悬停按钮表面时无需等待悬停时间结束，立即触发按钮开关的功能，参见图4-2当人体手指比上述有效悬停触发区域范围更接近中心电极，即手指距中心电极的距离小于dmin时，就进入快速触发区域121，此时无需等待悬停时间结束，悬停按钮将立即被触发。
[0068]
点击触发
[0069]
参见图15，手指进入有效触发区后，在空中做一个虚拟点击按钮的动作，该动作定义为手指指尖进行一次先向下再向上的快速摆动，中心电极101的电容值c的变化会形成一个尖峰曲线如图15所示，其中δc表示手指虚拟点击引起的电容变化幅度(一般大于500ff)，δt表示手指虚拟点击动作引起的电容曲线尖峰的时间宽度(一般在300ms-1s以内)，我们只要规定δc的阈值(比如200ff)和δt的范围(例如：200ms＜δt＜1000ms)即可依据检测到的δc和δt判定是否有手指虚拟点击动作发生。虚拟点击的一种应用方法是，若判定有虚拟点击动作发生可以不必延时等待达到有效触发时间阈值，直接进入触发状态，以加快触发按钮的速度，有了点击出的设置，就可以把以上提到的悬停时间设置等比较长，有效防止误触发，而需要快速触发，用户可以虚拟点击一下；另一种应用方法是即便检测到手指虚拟点击动作，也要等待延时等待达到有效触发时间阈值，必须同时满足即虚拟点击和达到有效触发时间阈值两个条件，才触发非接触按钮键，此种方法可以进一步提高非接触按钮的抗干扰能力。当手指在有效悬停触发区域内做出点击的动作后，中心电极
101，会产生电容变化的一个尖峰波形，对此，还可以借助微分计算其变化率等数学方法，很容易发现电容值斜率变化的拐点，并且由此判断手指有了点击的动作。那么系统就可以以此做出响应，输出使用者需要的控制信号，即让电磁阀打开防水开关，达到非接触点击按钮的目的；这个点击动作的判断方案可以复合上面的悬停的判断方案，即二者是和/或关系。在本文中，有提及
″
悬停
″
方案时，都可以替换
″
点击
″
方案，也可以二个方案同时具备。
[0070]
声光反馈
[0071]
接触式按钮通常可以通过机械开关的位移动作或声光反馈电路给操作人员提供两个状态的触觉反馈，即触发状态和无触发状态，以便操作人员确认已经成功触发了按钮开关，可以让手离开按钮。参见图10，本实用新型的悬停按钮也包含声光反馈控制电路153和多色led指示灯154，与上述接触式按钮的两个状态的触觉反馈不同，为了避免手指途经有效悬停触发区域造成的无触发，需要手指在有效悬停触发区域内悬停规定的时间，悬停按钮需要至少3个状态的非接触触觉反馈(借助灯光或声音实现)。第一个状态是无触发状态，表示手指未进入有效悬停触发区域，可以用灯灭或无声表示；第二个状态是预触发状态，表示手指进入了有效触发范围，可以用单色灯闪烁或点亮多色灯的某一特定颜色(例如：黄色) 表示，或用某种提示音表示，以提醒操作人员已经进入悬停按钮有效悬停触发区域，第三种状态是触发状态，表示手指在有效触发区内已经悬停了规定的悬停时间，悬停按钮被触发，可以用单色指示灯从闪烁变换到常亮或多色指示灯变化另一种颜色表示，或用另外一种提示音表示。
[0072]
原理框图说明
[0073]
参见图10，中心电极101，外围电极102和主动屏蔽电极103都接入cdc，cdc周期性分时测量中心电极101与人体之间形成的自电容c1、外围电极与人体之间形成的自电容c2、中心电极101和外围电极102之间形成的互电容c3，为了提高c1或c2的灵敏度，利用cdc内的运算放大器构成电压跟随器，使电极103与102形成等电位达到主动屏蔽的效果(再参见图5-2，5-3)。cdc将测量到的c1、 c2和c3的电容值输入给mcu，mcu计算c1/c2的值，并依据c1/c2和c3的值通过计算判手指是否进入或离开了有效悬停触发区域129(参见图4-2)，同时通过通讯电路接收传感器ecu发回的传感器ecu信号，依据各个信号的综合判断的结果通过声光反馈控制电路提供三态声光反馈，并控制冷热水电磁阀。
[0074]
电极布置形式
[0075]
为了满足手指平行于悬停按钮不同方向触发开关的一致性要求，中心电极最好采用圆形、外部电极采用环形最好，当然也可以采用多边形，中心电极可以采用多个电极布置，利用多个电极之间的互电容进一步提高快速触发区域的可靠性，而外围电极也可以采用多电极布置，这样有利于更精确的确定有效出触发区域近似圆柱体的半径。
[0076]
参照图5图6，图5-1，5-2，5-3单个电极单元及图6相邻二个电极单元的示意图，悬停按钮中心电极101，外围电极102设置成同心环错层的的方式，设置了防串扰电极104，但防串扰电极104的设置，会带来中心电极101、外围电极102测量灵敏度下降的问题，为了提高其测量的灵敏度，在外围电极102 与防串扰电极104间，设置主动屏蔽电极103，而主动屏蔽电极103是依靠电容数字转换电路cdc中成熟的技术，即依靠cdc中的运算放大器构成与中心电极或者外围电极相连而成的电压跟随器，使得中心电极101或外围电极102与大面积金属地或接地电极104之间的主动屏蔽电极103保持等电位，从而避免或减少测量电极电场
能量对地旁路的损失，以提高电容c1和c2的测量灵敏度，从而满足最小安全距离的要求。
[0077]
操作方法
[0078]
本实用新型的悬停按钮操作方法如图11所示，悬停按钮上电启动时先输出无触发逻辑信号，然后进入无触发周期性循环检测和计算阶段，此阶段判断手指是否进入有效悬停触发区域，若否，声光反馈控制电路输出无触发状态，并继续循环进行检测和计算，直到检测和计算出手指已经进入有效悬停触发区域后，声光反馈控制电路输出预触发状态，同时悬停计时器开始计时，进入预触发循环检测和计算阶段。在所述预触发循环检测计算阶段内，若手指离开了有效悬停触发区域，则悬停计时器清零，声光反馈控制电路输出无触发状态，并返回无触发循环检测和计算阶段；若手指进一步进入了快速触发区或悬停计时器超过预定的悬停时间和/或判断出现了手指虚拟点击动作，则声光反馈控制电路输出触发状态，同时输出逻辑触发信号，并进入触发后循环检测和计算阶段。在所述触发后循环检测和计算阶段内，若手指离开有效悬停触发区域，则输出无触发状态信号，悬停计数器清零，同时声光反馈无触发状态，并返回无触发循环检测和计算阶段。本实用新型的悬停按钮操作方法可以满足以下三种操作模式的要求：第一是单次触发模式，即触发后手指可以立即离开有效悬停触发区域，且不需要再次触发；第二是持续触发模式，即触发后手指可以立即离开有效悬停触发区域，同时持续输出触发逻辑信号，直到手指第二次触发悬停开关才输出无触发信号；第三是悬停保持触发方式，即触发后手指继续保持在有效悬停触发区域内，期间持续输出触发逻辑信号，直到手指离开有效悬停触发区域才输出无触发逻辑信号。饮水机最好采用第三种方式。
[0079]
结构及传感器布置
[0080]
以上悬停按钮的安装位置可参照图1，对于已经具备全自动功能的饮水机，加上悬停按钮的目的是应对需要动手的场景，此时，是为了防止病毒传播的目的。
[0081]
图16，图18分别给出了悬停按钮和第一电极第二电极第三电极的可安装位置示意图，及饮水机的系统框图。参照图1悬停按钮100可安装在饮水机顶部1000的位置，通讯电路、声光反馈电路、电源电路、加热控制、制冷控制均可包含在悬停按钮电路中，冷热水电磁阀可安装饮水机内部高于出水口6000 的饮水机内部。
[0082]
对于全自动功能的饮水机，我们的考虑是检测到接水杯杯子的存在为第一要求，杯子是否在接水杯垫的位子，依靠第二传感器来实现，它可以包括现有技术的主动红外传感器或者超声传感器或称重传感器，安装在杯垫的周围，也可以采用电容电极作为第二传感器，第二传感器的电极可安装在杯托4000处；在杯子存在的情况下，如果有人手在杯子周围，饮水机不会放水，待人手离开杯子不会发生烫伤情况下，饮水机控制电磁阀或者水泵放水，待人手回去拿杯子时，第一传感器检测到人手的接近，控制器停止放水，所述的第一传感器采用电容电极，该电极可安装在侧壁2000或饮水机前面板3000后部；
[0083]
第二传感器采用电容电极后，本身可以用来检测水满后的泄漏，也可以在杯垫下方安装第三电极，用来配合各种第二传感器，用以检测杯中水满后的泄漏或者杯子没有放正等异常情况下的泄漏，其中第三电极可安装在杯托下部遮水檐5000处。
[0084]
杯子有无检测
[0085]
参照图8，当第二传感器采用电容电极时，一方面可以充分使用必须采用电容电极的第一传感器已经存在的硬件资源，包括电容数字转换电路cdc等芯片，另一方面，电容电
极也在结构及成本上具备优势，检测准确度也非常高；第二电极可安装在杯托300上，可采用图8-1的六电极310、311、312、313、 314、315的星形结构，当杯子被摆放到杯托上后会造成6个电极的自电容变化，通过此变化可识别是否摆放了杯子。参照图19的电极布置与图18一致，阴影部分表示杯子摆放位置的投影，从图中可看出当杯子放到杯托上后，杯底压到电极极板，如杯子没有摆放正则在6个电极上的投影面积会发生变化，从而极板310、311、312、313、314、315的自电容变化不同，图中阴影部分完全覆盖了310，311极板，312，313极板被覆盖了2/3，而314，315极板只被覆盖了1/3，根据电容计算公式可知电容值与极板面积成正比，故310、311极板的电容值与312，313极板的电容值的比为3/2，与314，315极板的电容值比为3/1，故可推断出杯子的摆放位置。
[0086]
为降低成本可采用图8-2的2电极310，311布置的同心圆形状。于图8-1的6电极星型结构一样，当杯子放置到电极上时，由于杯子在电极上的位置不同，对电极310，311的影响也不同，同样可以通过电容值的比例计算出杯子的摆放位置。
[0087]
为适应杯子不同尺寸可采用图8-3的三电极310，311，312的同心圆形状。其检测原理与图8-1， 8-2一致在此不再详细叙述。
[0088]
采用电容方式检测杯子有无及摆放位置的第二传感器布置的电极越多检测的精度越高，适应性越强但成本也随之增高。同样也可采用在杯托或内壁上布置主动红外传感器/超声传感器/称重传感器，或同时布置电容、红外、超声、称重传感器以实现对杯子有无进行检测。
[0089]
人手有无检测
[0090]
在存在人手的情况下，都应该关闭出水，包括人手置放杯子后，必须检测到人手离开才可以放水以及人手回来拿杯子时，必须检测到人手的回来，合理提前关闭电磁阀，防止烫伤。
[0091]
参照图1在饮水机侧壁2000处或背板3000处或杯托4000边缘可布置第一电极做为人手检测电极。电极可采用如图17的双电极901，902错层布置方式，电极901与电极902可布置成具有高度差 d900的形式，高度差d900范围0.5-10mm，也可以布置成不具备高度差急d900＝0的形式，电极901 与电极902水平方向有距离差l900，l900为30mm-100mm。电极901，902布置成具有高度差的优势是不仅可以检测出人手的运动方向也可以检测出人手距离电极的精确距离。电极材质可直接使用2根普通电线布置即可。当然采用单电极也可以检测到人手，但由于单电极无法判断人手的动作方向，而采用双电极错层布置方式可以更好的检测人手的运动方向从而准确的判断出人手的接近和离开。
[0092]
溢流检测
[0093]
可以利用本身检测杯托上有无杯子的第二检测电极来检测水的溢流，也可以在杯托下方利用第三电极来检测。参照图8可采用第二电极作为漏水检测电极，当水流过电极之间时会造成两个电极间的互电容变化从而可判断出溢水。参照图9，图18是布置在遮水檐421内壁上的两条电极411，412形成的互电容作为溢水检测的第三电极。参照图9-1顶视图，图9-2侧视图所示电极411和电极412成如图形状的两条平行电极环布置，且在高度上有错层高度d400，遮水檐421四周成斜面设计以保证水能沿着遮水檐滑落至下部的废水盒，411，412电极紧贴遮水檐421内壁安装，当水滴滑过遮水檐外壁时会造成411 电极，412电极形成的互电容的电容值会有巨大的变化，检测到此变化后如图16的工作框图所示，传感器ecu通
过通讯电路将溢水消息通知给位于悬停按钮内部的ecu控制模块，ecu控制模块发出指令关闭冷/热水电磁阀停止出水。
[0094]
拨位开关
[0095]
由于第一传感器与第二传感器配合就可以实现全自动供水，即放置杯子在杯托上，同时检测到人手离开，饮水机就可以往杯子里注水，待人手回来拿符合其水量要求的杯子时，饮水机检测到人手回来，就会关闭放水；但对于必须人手拿住才能接水的场景，例如拿一个热水壶去接水的时候，可以使用悬停开关进行操作，也使得本实用新型的饮水机完全可以做到防止病毒传染的非接触操作，最好的方案是在饮水机背部或顶部设置有实体拨位开关，开关为三档开关，通过拨位开关可实现全自动出水、半自动出水、关闭饮水机的选择以应对不同应用场景。
[0096]
工作模式
[0097]
悬停开关的存在，就可以完成非接触的目的，但本实用新型上面提到的人手检测和杯子检测相结合，都可以不用悬停开关即可完成非接触接水的目的。
[0098]
全自动出水流程参照图12，饮水机拨位开关处于全自动出水档位时，饮水机处于待机状态，当检测到有手进入检测区后开始判断手是否离开检测区，检测到手离开后，开始检测杯托上是否有杯子如无杯子返回待机状态，否则开始检测杯子是否放正，如杯子没有放正发出声光报警提示将杯子摆正并返回手进入检测。杯子放正后且手离开检测为手离开状态即开始放水，并继续开始检测手是否进入检测区、是否漏水、水是否接满，任意一个条件满足了即停止出水。
[0099]
实施例
[0100]
参照图1，图9，图16，图18，本实施例饮水机包括接入传感器ecu标号750的第一电极900，第二传感器300，第三电极410，及包含在悬停按钮100上的通讯电路710，ecu控制720，声光反馈730，电源负责给饮水机加热模块、制冷模块、冷热水电磁阀及传感器ecu标号750，悬停按钮100供电。参照图1、图18饮水机悬停按钮100安装在饮水机上部1000内部，悬停按钮包括中心电极101，外围电极102、ecu控制720，ecu控制720包括通讯电路710、声光反馈电路730、电源电路740、加热控制、制冷控制，冷、热水电磁820阀安装在饮水机内部高于出水口840的饮水机内部。第一电极 900安装在侧壁2000后部，第二电极300安装在杯托4000下部，第三电极410安装在杯托下部遮水檐5000内部。第1电极900，第2传感器300，第三电极410均接入传感器ecu标号750，传感器 ecu标号750通过导线接入位于悬停按钮100上的通讯电路710上，通讯线路710将传感器ecu标号 750反馈的第一电极900、第2传感器300、第3电极410检测到的结果反馈给位于悬停按钮100上的 ecu控制720，ecu控制720汇总所有消息并判断，根据判断结果控制位于饮水机内部的电磁阀820 打开或关闭。
[0101]
参照图1、图18饮水机悬停按钮100安装在饮水机上部1000内部，悬停按钮包括突出的中心圆形电极101，外围电极102、ecu控制720，ecu控制720包括通讯电路710、声光反馈电路730、电源电路740、加热控制、制冷控制，冷、热水电磁820阀安装在饮水机内部高于出水口840的饮水机内部。如图11所示，悬停按钮上电启动时先输出无触发逻辑信号，然后进入无触发周期性循环检测和计算阶段，此阶段判断手指是否进入有效悬停触发区域，若否，声光反馈控制电路输出无触发状态，并继续循环进行检测和计算，直到检测和计算出手指已经进入有效悬停触发区域后，声光反馈控制电路输出预触发状态，同时悬停计时器开始
计时，进入预触发循环检测和计算阶段。在所述预触发循环检测计算阶段内，若手指离开了有效悬停触发区域，则悬停计时器清零，声光反馈控制电路输出无触发状态，并返回无触发循环检测和计算阶段；若手指进一步进入了快速触发区或悬停计时器超过预定的悬停时间和/或判断出现了手指虚拟点击动作，则声光反馈控制电路输出触发状态，同时输出逻辑触发信号，并进入触发后循环检测和计算阶段。在所述触发后循环检测和计算阶段内，若手指离开有效悬停触发区域，则输出无触发状态信号，悬停计数器清零，同时声光反馈无触发状态，并返回无触发循环检测和计算阶段。为保证安全悬停按钮采用悬停保持触发方式，即悬停按钮100触发后电磁阀820开始出水，手指继续保持在有效悬停触发区域内，悬停按钮100期间持续输出触发逻辑信号控制电磁阀出水，直到手指离开有效悬停触发区域才输出无触发逻辑信号关闭电磁阀820停止出水。
[0102]
本实施例杯子检测电极第二电极300采用如图8-1的6电极方式制作。当杯子被摆放到杯托上后会造成6个电极的自电容变化，通过此变化可识别是否摆放了杯子。参照图19的电极布置与图18一致，阴影部分表示杯子摆放位置的投影，从图中可看出当杯子放到杯托上后，杯底压到电极极板，如杯子没有摆放正则在6个电极上的投影面积会发生变化，从而极板310、311、312、313、314、315的自电容变化不同，图中阴影部分完全覆盖了310，311极板，312，313极板被覆盖了2/3，而314，315极板只被覆盖了1/3，根据电容计算公式可知电容值与极板面积成正比，故310、311极板的电容值与312， 313极板的电容值的比为3/2，与314，315极板的电容值比为3/1，故可推断出杯子的摆放位置。
[0103]
如图18所示本实施例的人手接近检测第一电极900布置在饮水机侧壁，在饮水机侧壁外延布置电极 901，侧壁内沿布置电极902。参照图20所示图中虚线箭头表示人手运动方向，当人手接近出水口位置时，由于极板901与极板902之间存在10cm的距离差。所以人手接近时首先会对外侧电极901产生影响引起901电极的电容量变化，之后随着人手的接近会对内侧电极902产生影响引起902的电容变化。通过901电极的电容和902电极的电容变化的时间差可以很清晰的判断人手的运动方向。
[0104]
参照图18，图9本实施例溢水检测第三电极410采用双线电极布置在第三电极410安装在杯托下部遮水板421内壁上位于杯托4000下的废水盒5000内部。如图21所示当溢水后由于杯托及遮水檐421 表面均涂有淹水图层，且溢水檐设计成斜面，故水滴200会沿着遮水檐421的表面向下滑落，虚线箭头表示水滴滑落方向。第三电极设计成有间距的双极板411，412，水滴滑落时会引起411，412形成的互电容的剧烈变化从而可判断已经溢水，并通过传感器ecu750通知ecu控制器720关闭电磁阀820。
[0105]
由于服务于悬停开关的控制器与服务于第一电极、第二电极、甚至第三电极的控制器(一般是采用带电容数字转换电路的集成芯片)在饮水机产品上安装位置尚有一定的安装距离，而电容电极容易受到环境的干扰，为了更好地通过测量各电极的电容来进行判断，本实用新型采用而两个控制器的方案，服务于第一电极和第二电极的为第二控制器750，二个控制器750、720间通过通讯接口电路710相连。
[0106]
本实用新型饮水机可通过的电容检测的低成本和成熟的cdc芯片技术采用悬停按钮/第一电极/第二传感器/第三电极组合判断方式实现了分辨率高，有效抵御各种干扰的非接触饮水机，为卫生敏感提供了可以普及推广的商业化非接触解决方案。
[0107]
而本实用新型采用的电容数字转换电路，如基于δ-∑原理的cdc芯片，可以周期
性分时分别测量二个电极的自电容c1、c2和二个电极之间的互电容c3值，三个电容测量互不影响，不需要两个电极之间等电位的限制即可得到c1、c2和c3准确的电容值。悬停按钮的这种电极设置避免由于环境温度、湿度变化对电容测量的影响；本实用新型采用中心电极电容与外围电极电容的比作为主要出发判断依据，而电容比与温度、湿度主要影响的介电常数无关。
[0108]
本实用新型设置的第一电极和第二传感器复合判断，可以提供社会一个全自动的饮水机，解决防疫问题。
[0109]
本实用新型的悬停按钮可以有效防止人体大面积接近悬停按钮时造成的误触发，例如人多时臂部或背部靠近或紧贴悬停按钮、清洁时手掌或拳头贴近悬停按钮等。它充分利用人体手掌伸出一个手指这种指向动作下，手指大体的长度大小与整个手掌对于本实用新型所设计的二个电极的作用有着显著的区别，所以，符合大多数人习惯用食指操作按钮开关的人体工学。
[0110]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。