捣鼓车间 | 学生获奖作品：戒烟帽

本作品曾获得过 2018 年杭州市第三届青少年创客大赛最佳作品奖、2018 年浙江省中小学信息技术创作大赛（智能设计项目）省三等奖等荣誉，曾被 CCTV 中央电视台、都市快报、钱江晚报、浙江新闻网、杭州市青少年活动中心、杭州拱墅区教育局等专门报道过，转载媒体更是有数十家，在戒烟这个热点话题上，有一定的社会影响力。

可以开句玩笑说：作者爸爸的戒烟行动，更是因为这个作品，成为了中国历史上除"林则徐虎门销烟"事件之外第二有名的戒烟事件。

图：戒烟帽成品图

# 创作灵感

老爸喜欢在家里抽烟，妈妈总是说“到外面去抽，房间里乌烟瘴气的，烟味特别大！”这么多年，我和妈妈在家里吸了不少“二手烟”，老爸虽然平时已经很注意，不会在我和妈妈面前吸烟。但是为了全家人的健康，我决定制作这款戒烟帽送给爸爸。

我最先想到的是设计一个机械臂，安装在帽子上，当检测到老爸吸烟的时候，就伸出机械臂把烟头夹走丢掉，但是机械臂控制较为复杂，而且会比较重。再后来通过和捣鼓车间的老师一起商量了不同的解决方案，我想到了可以通过洒水的方式来把烟熄灭，这样就不需要复杂的机械臂，只需要储水的小水壶，还有小水泵和花洒就可以实现了。最终我确定了方案：老爸一吸烟，花洒就喷水！

# 设计思路

我的想法是通过改造一个普通的帽子，加上一个可以喷水的花洒，这样的话，当爸爸带上戒烟帽再吸烟的时候，就会喷水来把烟熄灭了，这样让爸爸戒烟的方式是不是很有趣呢？

为了减少重量，我会把花洒和烟雾传感器安装在帽子上，主控板部分和小水壶挂在腰带上。花洒通过一根水管连接到挂在腰间小水壶里的小水泵上，烟雾传感器通过传感器连接线连接到主控板上。当烟雾传感器检测到烟雾时，就判断使用者在吸烟，这时继电器就会开关，小水泵就会工作抽水，这样花洒就开始喷水啦；若烟雾传感器没有检测到烟雾，那么就关闭继电器开关，不让花洒喷水。只要使用者在吸烟，那么花洒就会喷水让烟熄灭掉，这样的戒烟方式可以让戒烟的过程变得不那么严肃，用喷水的方式来让戒烟过程具有趣味性，用愉快的方式来让使用者戒烟。

图：戒烟帽草图

# 材料准备

首先根据设计思路，准备好制作戒烟帽所需的材料，清单和说明如下表和下图所示。

表：戒烟帽材料表

图：戒烟帽材料准备

# 电路设计

为了方便编写程序，先设计戒烟帽的电路连接关系，电路原理图如下图所示。

图：戒烟帽电路图

# 程序设计

## 程序流程图设计

在写程序之前，先梳理一下思路，设计程序流程图，如下图所示。

首先需要老爸佩戴这顶戒烟帽，当烟雾传感器检测到烟雾时，启动继电器打开小水泵开始抽水；当没有检测到烟雾时，则不启动继电器关掉小水泵；这样老爸一抽烟花洒就会喷水，可以提醒老爸不要抽烟。

图：戒烟帽流程图

本案例将使用两种方式进行编程，分别为 Mixly 和 Mind+。

## 程序编写（Mixly版本）

理清思路后，正式开始写程序。打开 Mixly 软件，先对继电器、烟雾传感器做初始化设置。首先将继电器管脚输出低电平，让处于继电器关闭状态。由于戒烟帽会在很多场景下使用，那么每次检测到的值是不同的，如果我们自己设置阈值，那么有可能程序会出现误判。所以，我们采用在初始化程序中，我们读取烟雾传感器的值一百次，最后除以一百得到这十秒钟内烟雾传感器的平均值，这样就可以确定环境中传感器的值。读取烟雾传感器的平均值的过程中，让 Arduino Uno 主控板上 D13 号管脚上的 LED 闪烁，作为初始化状态指示灯。接下来的主程序只需要和我们得到的平均值作比较就可以判断使用者是否吸烟了，如下图所示。

图：戒烟帽初始化程序

然后编写两个函数，分别用来控制继电器的打开与关闭情况。当需要打开继电器时，则让继电器管脚输出高电平并延时 1 秒；若需要关闭继电器时，则让继电器管脚输出低电平，如下图所示。

图：控制继电器函数

然后根据程序流程图，利用读取到的传感器数值与程序初始化检测的环境值做相减，若两值的差大于 100，那么则认为传感器检测到了烟雾，开始执行打开继电器函数，打开继电器开关后会延时 1 秒，确保小水壶里的水可以顺利被抽到花洒处；如果没有大于 100，则执行关闭继电器函数，让水泵停止工作，如下图所示。

图：戒烟帽主程序

最后完整的程序如下图所示。上传程序，看看效果吧。

图：戒烟帽完整程序

## 程序编写（Mind+版本）

理清思路后，正式开始写程序。打开 Mind+ 软件，先对继电器、烟雾传感器做初始化设置。首先将继电器管脚输出低电平，让处于继电器关闭状态。由于戒烟帽会在很多场景下使用，那么每次检测到的值是不同的，如果我们自己设置阈值，那么有可能程序会出现误判。所以，我们采用在初始化程序中，我们读取烟雾传感器的值一百次，最后除以一百得到这十秒钟内烟雾传感器的平均值，这样就可以确定环境中传感器的值。读取烟雾传感器的平均值的过程中，让 Arduino Uno 主控板上 D13 号管脚上的 LED 闪烁，作为初始化状态指示灯。接下来的主程序只需要和我们得到的平均值作比较就可以判断使用者是否吸烟了，如下图所示。

图：戒烟帽初始化程序

然后编写两个函数，分别用来控制继电器的打开与关闭情况。当需要打开继电器时，则让继电器管脚输出高电平并延时 1 秒；若需要关闭继电器时，则让继电器管脚输出低电平，如下图所示。

图：控制继电器函数

然后根据程序流程图，利用读取到的传感器数值与程序初始化检测的环境值做相减，若两值的差大于100，那么则认为传感器检测到了烟雾，开始执行打开继电器函数，打开继电器开关后会延时1秒，确保小水壶里的水可以顺利被抽到花洒处；如果没有大于100，则执行关闭继电器函数，让水泵停止工作，如下图所示。

图：戒烟帽主程序

最后完整的程序如下图所示。上传程序，看看效果吧。

图：戒烟帽完整程序

# 制作过程

设计完电路和程序之后，就正式开始制作啦。我们需要安装帽子上的花洒、烟雾传感器和挂在腰间的主控部分。

## 切割外壳

首先，我们通过测量实物以及计算，确定了戒烟帽挂在腰间主控部分的尺寸，通过老师上课时教我们的Boxes.py激光切割绘图工具（https://www.festi.info/boxes.py/），设计了戒烟帽的外壳切割图纸，并在老师的帮助下使用激光切割机切割了戒烟帽外壳的零件，如图 1‑13所示。

图：切割戒烟帽外壳

切割完成后就需要开始组装啦。主控板部分主体由两部分构成，一部分是有八面的圆柱形，用来存放水瓶；另一部分是带有插板的盒子，用来安装主控板、继电器和电池，如下图所示。

图：组装戒烟帽外壳

## 安装水泵

然后开始安装水泵。我们首先需要准备一个水瓶，按照如下图所示的虚线位置使用剪刀剪开一个小口，剪开可以放进水泵的大小，我们将水管与水泵出水口插好以后从切开的小口放入瓶底的位置。

图：安装水泵

## 电路连接

开始连接电路啦，根据电路原理图，将各个元器件连接到 Arduino 对应的引脚上。电路连接完成后如下图所示，接好电路以后将元器件固定在我们激光切割的外壳中。

图：电路连接

## 安装主控部分

将主控板、继电器、开关和锂电池安装在带插板的盒子内；将水泵放入水瓶中。需要注意的是，我们需要将烟雾传感器的接线从缺口处穿过，如下图所示。

图：安装主控

## 加工帽子

我们接下来需要将准备好的帽子进行一定的加工，方便我们安装烟雾传感器与花洒。首先我们使用铅笔画出大概轮廓，再使用小刀切出适合固定的孔，就可以将烟雾传感器和花洒固定在帽檐上了，如下图所示。

图：加工帽子

## 整理固定

接下来，我们就可以将准备好的帽子与主控部分连接起来，戒烟帽就制作完成啦！

图：戒烟帽成品