一種新型智能泡茶機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳鑌

摘 要：隨著社會(huì)的進(jìn)步與不斷發(fā)展，越來(lái)越多的智能技術(shù)走進(jìn)我們的生活，智能化生活是未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì).現(xiàn)有的泡茶機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到茶水的沖泡比例、沖泡時(shí)間、沖泡次數(shù)等因素，茶湯口感品質(zhì)的不足.針對(duì)上述情況本文設(shè)計(jì)了一種新型智能泡茶機(jī).新型智能泡茶機(jī)系統(tǒng)使用STM32F103單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)溫度傳感器，水位傳感器對(duì)茶葉沖泡溫度、比例進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合直流電機(jī)水泵等實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同茶品的現(xiàn)沖現(xiàn)泡的控制.在軟件上采用RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)完成泡茶的一系列動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)泡茶的智能化、精確化.實(shí)踐證明，新型的智能泡茶機(jī)系統(tǒng)具有很好的實(shí)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：STM32F103;RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng);智能控制

中圖分類號(hào)：TP273 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2020）06-0044-05

0 引言

茶是世界三大健康飲品之一[1]，在中國(guó)的歷史上有著濃厚的氛圍.茶在中國(guó)有著巨大的市場(chǎng).當(dāng)前越來(lái)越多的人開(kāi)始喝茶、品茶.在市場(chǎng)上可以見(jiàn)到很多的泡茶器具，比如有傳統(tǒng)手動(dòng)的功夫茶套裝.也有很多的養(yǎng)生壺、帶泡茶功能的咖啡機(jī)或者用電磁爐組合起來(lái)的一些自動(dòng)泡茶壺.從功能上看，傳統(tǒng)手動(dòng)泡茶壺只是將茶和水分隔開(kāi)并沒(méi)能實(shí)現(xiàn)其他的功能，而市面上常見(jiàn)的泡茶壺、養(yǎng)生壺等又進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)了溫度控制，但是對(duì)不同種類的茶需要多久需要多高水溫、沖泡時(shí)間、茶水比例等則沒(méi)有相應(yīng)的解決方案[2].甚至部分咖啡機(jī)只是對(duì)茶進(jìn)行簡(jiǎn)單的研磨，然后直接沖水泡制.泡茶的過(guò)程依舊需要有人注意，泡茶的方式還是比較繁瑣的.所以，本設(shè)計(jì)將全面考慮不同的茶泡制時(shí)需要的水溫、泡茶的時(shí)間以及茶水混合的濃度之比.實(shí)現(xiàn)不同人對(duì)于茶濃清淡的需求，同時(shí)結(jié)合人機(jī)交互界面合RT-Thread線性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，大大增加用戶的體驗(yàn)感，讓泡茶變得更加簡(jiǎn)單、智能.讓用戶既不會(huì)脫離傳統(tǒng)喝茶的習(xí)慣.又不會(huì)與時(shí)代脫節(jié).

1 新型智能泡茶機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了一種智能控制茶藝型泡茶機(jī)，它包括安裝在頂部的茶葉儲(chǔ)存?zhèn)}中部的泡茶裝置以及底部的加熱裝置、供水箱、廢水箱和配電柜，該泡茶機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

新型智能泡茶機(jī)的頂部是茶葉存儲(chǔ)倉(cāng)，該存儲(chǔ)倉(cāng)一共可以存放六種不同的茶葉，當(dāng)有出茶命令傳來(lái)時(shí).將啟動(dòng)與出茶命令相對(duì)應(yīng)的直線送料機(jī)將茶倉(cāng)里的茶抖出.

新型智能泡茶機(jī)的中部是泡茶裝置，抖動(dòng)出來(lái)的茶葉經(jīng)過(guò)稱重裝置進(jìn)行稱重.稱重完畢之后將移交至泡茶壺進(jìn)行洗茶、泡茶.泡好的茶從出茶口流出，系統(tǒng)開(kāi)始洗茶.茶葉的傾倒和洗茶都由傾倒裝置完成.

新型智能泡茶機(jī)的底部存放的是泡茶機(jī)的加熱裝置、配電柜和存儲(chǔ)水裝置.其中加熱裝置又包括溫度檢測(cè)系統(tǒng)和液位檢測(cè)系統(tǒng)，防止清水在加熱過(guò)程中發(fā)生意外溢出.

2 新型智能泡茶機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體框架

新型智能泡茶機(jī)系統(tǒng)的控制器和通信系統(tǒng)由電源模塊、STM32F103最小系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、溫度檢測(cè)系統(tǒng)、液位檢測(cè)系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)等組成.如圖2所示.STM32F103最小系統(tǒng)是整個(gè)硬件的核心，它接收各個(gè)傳感器傳回的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)泡茶過(guò)程的監(jiān)控和控制.人機(jī)交互系統(tǒng)是與用戶溝通的橋梁，用戶在人機(jī)交互系統(tǒng)上可以實(shí)現(xiàn)茶口感的定制.溫度檢測(cè)系統(tǒng)和液位檢測(cè)系統(tǒng)控制加熱裝置溫度和液位的變化，保證清水能安全地加熱.稱重系統(tǒng)讀取茶葉重量，確保茶葉能有合適的混合比.最后電機(jī)控制系統(tǒng)是防止在茶葉傾倒和清洗的過(guò)程中，出現(xiàn)傾角過(guò)大而扯斷電線或者水管的現(xiàn)象.整個(gè)過(guò)程中電源模塊為各個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等提供電能，保證系統(tǒng)正常工作.

2.2 新型智能泡茶機(jī)加熱裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加熱系統(tǒng)主要由加熱環(huán)、溫度檢測(cè)系統(tǒng)和液位檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，溫度檢測(cè)采用100K（25℃的環(huán)境）NTC熱敏電阻進(jìn)行檢測(cè)，它與另一個(gè)100K的電阻組成分壓電路，確保單片機(jī)能夠通過(guò)ADC讀取到電壓，當(dāng)溫度上升時(shí)NTC熱敏電阻值下降，NTC熱敏電阻兩端的電壓也下降.單片機(jī)讀取熱敏電阻兩端的電壓，并將該電壓在軟件中進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化溫度.如3所示.

液位檢測(cè)系統(tǒng)由水位傳感器、智能型非接觸式液位感應(yīng)器構(gòu)成.液位傳感器主要由兩個(gè)限位的上下浮球構(gòu)成，浮球的內(nèi)部是兩個(gè)感應(yīng)常閉開(kāi)關(guān)，當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定高度時(shí)感應(yīng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài).液位傳感器與繼電器形成自鎖電路來(lái)控制液位的高低，防止在加熱過(guò)程中發(fā)生意外，圖4是液位傳感器檢測(cè)原理圖.

2.3 新型智能泡茶機(jī)泡茶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型智能泡茶機(jī)泡茶系統(tǒng)由茶葉稱重裝置、非接觸式液位感應(yīng)器、電機(jī)控制裝置以及水泵和水閥構(gòu)成.其中電機(jī)控制裝置由翻轉(zhuǎn)傾倒的直流減速電機(jī)和用于限制電機(jī)轉(zhuǎn)角的限位檢測(cè)裝置構(gòu)成.茶葉稱重裝置用于限制茶葉的克數(shù)，稱好足夠質(zhì)量的茶之后，通過(guò)電機(jī)控制裝置，將茶倒入泡茶機(jī)構(gòu)，如圖5所示.抽水泵將燒開(kāi)的水抽至泡茶機(jī)構(gòu)內(nèi)，進(jìn)行洗茶和泡茶的工序.泡茶完畢之后茶湯通過(guò)另外的水泵流走，泡茶系統(tǒng)進(jìn)行清洗.整個(gè)泡茶過(guò)程中廢水通過(guò)排水管流走.圖6是泡茶過(guò)程的流程圖.

2.4 新型智能泡茶機(jī)云服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型智能泡茶機(jī)云服務(wù)系統(tǒng)由人機(jī)交互系統(tǒng)、單片機(jī)、泡茶機(jī)支付系統(tǒng)、支付系統(tǒng)云服務(wù)后臺(tái)組成.人機(jī)交互系統(tǒng)采用了分倍率為480*272的觸控彩屏.用戶使用人機(jī)交互系統(tǒng)選擇茶品、茶品的濃淡以及溫度等信息.確定下單之后人機(jī)交互系統(tǒng)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)和泡茶機(jī)支付系統(tǒng).隨后用戶掃碼并進(jìn)行支付，支付確認(rèn)之后，支付系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送啟動(dòng)泡茶指令，同時(shí)泡茶的訂單數(shù)據(jù)通過(guò)支付系統(tǒng)上傳至云服務(wù)保存.具體的數(shù)據(jù)傳輸如圖7所示.

3 新型智能泡茶機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)的功能包括溫度檢測(cè)、液位檢測(cè)、茶葉稱重、水泵控制、限位控制、人機(jī)數(shù)據(jù)交互等.為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和充分利用單片機(jī)內(nèi)核CPU的性能，選用RT-Thread的內(nèi)核多任務(wù)管理機(jī)制對(duì)系統(tǒng)各任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理[3].系統(tǒng)的軟件框如圖8所示.