一種新型智能泡茶機系統設計與實現

陳鑌

摘 要：隨著社會的進步與不斷發展，越來越多的智能技術走進我們的生活，智能化生活是未來發展的一種趨勢.現有的泡茶機在設計時沒有考慮到茶水的沖泡比例、沖泡時間、沖泡次數等因素，茶湯口感品質的不足.針對上述情況本文設計了一種新型智能泡茶機.新型智能泡茶機系統使用STM32F103單片機作為主控芯片，通過溫度傳感器，水位傳感器對茶葉沖泡溫度、比例進行監控，結合直流電機水泵等實現對于不同茶品的現沖現泡的控制.在軟件上采用RT-Thread嵌入式實時操作系統來完成泡茶的一系列動作，從而實現泡茶的智能化、精確化.實踐證明，新型的智能泡茶機系統具有很好的實用價值.

關鍵詞：STM32F103;RT-Thread嵌入式實時系統;智能控制

中圖分類號：TP273 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2020）06-0044-05

0 引言

茶是世界三大健康飲品之一[1]，在中國的歷史上有著濃厚的氛圍.茶在中國有著巨大的市場.當前越來越多的人開始喝茶、品茶.在市場上可以見到很多的泡茶器具，比如有傳統手動的功夫茶套裝.也有很多的養生壺、帶泡茶功能的咖啡機或者用電磁爐組合起來的一些自動泡茶壺.從功能上看，傳統手動泡茶壺只是將茶和水分隔開并沒能實現其他的功能，而市面上常見的泡茶壺、養生壺等又進一步地實現了溫度控制，但是對不同種類的茶需要多久需要多高水溫、沖泡時間、茶水比例等則沒有相應的解決方案[2].甚至部分咖啡機只是對茶進行簡單的研磨，然后直接沖水泡制.泡茶的過程依舊需要有人注意，泡茶的方式還是比較繁瑣的.所以，本設計將全面考慮不同的茶泡制時需要的水溫、泡茶的時間以及茶水混合的濃度之比.實現不同人對于茶濃清淡的需求，同時結合人機交互界面合RT-Thread線性實時操作系統，大大增加用戶的體驗感，讓泡茶變得更加簡單、智能.讓用戶既不會脫離傳統喝茶的習慣.又不會與時代脫節.

1 新型智能泡茶機整體結構設計

本研究設計了一種智能控制茶藝型泡茶機，它包括安裝在頂部的茶葉儲存倉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，該泡茶機的結構示意圖如圖1所示：

新型智能泡茶機的頂部是茶葉存儲倉，該存儲倉一共可以存放六種不同的茶葉，當有出茶命令傳來時.將啟動與出茶命令相對應的直線送料機將茶倉里的茶抖出.

新型智能泡茶機的中部是泡茶裝置，抖動出來的茶葉經過稱重裝置進行稱重.稱重完畢之后將移交至泡茶壺進行洗茶、泡茶.泡好的茶從出茶口流出，系統開始洗茶.茶葉的傾倒和洗茶都由傾倒裝置完成.

新型智能泡茶機的底部存放的是泡茶機的加熱裝置、配電柜和存儲水裝置.其中加熱裝置又包括溫度檢測系統和液位檢測系統，防止清水在加熱過程中發生意外溢出.

2 新型智能泡茶機硬件系統設計

2.1 硬件總體框架

新型智能泡茶機系統的控制器和通信系統由電源模塊、STM32F103最小系統、人機交互系統、溫度檢測系統、液位檢測系統、稱重系統、電機控制系統等組成.如圖2所示.STM32F103最小系統是整個硬件的核心，它接收各個傳感器傳回的數據，實現對整個泡茶過程的監控和控制.人機交互系統是與用戶溝通的橋梁，用戶在人機交互系統上可以實現茶口感的定制.溫度檢測系統和液位檢測系統控制加熱裝置溫度和液位的變化，保證清水能安全地加熱.稱重系統讀取茶葉重量，確保茶葉能有合適的混合比.最后電機控制系統是防止在茶葉傾倒和清洗的過程中，出現傾角過大而扯斷電線或者水管的現象.整個過程中電源模塊為各個系統的控制、數據采集與傳輸、電機轉動等提供電能，保證系統正常工作.

2.2 新型智能泡茶機加熱裝置系統設計

加熱系統主要由加熱環、溫度檢測系統和液位檢測系統構成，溫度檢測采用100K（25℃的環境）NTC熱敏電阻進行檢測，它與另一個100K的電阻組成分壓電路，確保單片機能夠通過ADC讀取到電壓，當溫度上升時NTC熱敏電阻值下降，NTC熱敏電阻兩端的電壓也下降.單片機讀取熱敏電阻兩端的電壓，并將該電壓在軟件中進行后續的數據處理，轉化溫度.如3所示.

液位檢測系統由水位傳感器、智能型非接觸式液位感應器構成.液位傳感器主要由兩個限位的上下浮球構成，浮球的內部是兩個感應常閉開關，當液位到達設定高度時感應開關處于斷開狀態.液位傳感器與繼電器形成自鎖電路來控制液位的高低，防止在加熱過程中發生意外，圖4是液位傳感器檢測原理圖.

2.3 新型智能泡茶機泡茶系統設計

新型智能泡茶機泡茶系統由茶葉稱重裝置、非接觸式液位感應器、電機控制裝置以及水泵和水閥構成.其中電機控制裝置由翻轉傾倒的直流減速電機和用于限制電機轉角的限位檢測裝置構成.茶葉稱重裝置用于限制茶葉的克數，稱好足夠質量的茶之后，通過電機控制裝置，將茶倒入泡茶機構，如圖5所示.抽水泵將燒開的水抽至泡茶機構內，進行洗茶和泡茶的工序.泡茶完畢之后茶湯通過另外的水泵流走，泡茶系統進行清洗.整個泡茶過程中廢水通過排水管流走.圖6是泡茶過程的流程圖.

2.4 新型智能泡茶機云服務系統設計

新型智能泡茶機云服務系統由人機交互系統、單片機、泡茶機支付系統、支付系統云服務后臺組成.人機交互系統采用了分倍率為480*272的觸控彩屏.用戶使用人機交互系統選擇茶品、茶品的濃淡以及溫度等信息.確定下單之后人機交互系統將相應的數據傳給單片機和泡茶機支付系統.隨后用戶掃碼并進行支付，支付確認之后，支付系統向單片機發送啟動泡茶指令，同時泡茶的訂單數據通過支付系統上傳至云服務保存.具體的數據傳輸如圖7所示.

3 新型智能泡茶機系統軟件設計

本系統是一個復雜的多任務系統，需要實現的功能包括溫度檢測、液位檢測、茶葉稱重、水泵控制、限位控制、人機數據交互等.為了實現系統的實時性和充分利用單片機內核CPU的性能，選用RT-Thread的內核多任務管理機制對系統各任務進行協調管理[3].系統的軟件框如圖8所示.