基于STC單片機環保型藏式奶茶沖泡裝置的設計

趙展文，葛浩威，張繁，蔣維，李琦

（青海民族大學，青海西寧，810000）

21世紀初期，是智能信息技術快速發展的時代，物聯網技術與人工智能技術成為當下時代人們的生活環境和現代科學技術發展中的一個重要組成部分，在我們的生活中得到了更多的的研究與應用。隨著西方快餐飲品文化在國內的不斷發展，年輕人對奶茶有著不一般的偏愛，在借助我國龐大的人口基數影響下，奶茶行業在國內迎來了發展最快的階段；同時傳統的民族特色飲食文化由于其制作過程的繁雜逐漸走出了大眾視野。如今，在全球文化互相交流學習的背景下，傳統的民族特色飲食文化正確對外傳播顯得尤為重要。利用奶茶行業快速發展的影響，融入民族特色飲食文化，促使青年人們對民族文化的深入了解，加速國內外文化交流；因此，也必將帶動傳統民族飲食文化的傳播。

1 藏式奶茶沖泡裝置的研究現狀

當下正是實現中華民族偉大復興的關鍵時期，也是踐行可持續發展和環保理念的時代，我們利用物聯網技術和人工智能技術，將其繁雜的制作流程利用機器完成，提高奶茶的制作效率，在相關技術的支持下實現對奶茶廢料的回收重復利用；如今人們的生活節奏很快對時間的利用率很重視，借助人工智能技術編寫相關算法實現奶茶預約制作的功能，符合了當下時代人們對智能設備的需求，同時，在國內奶茶自制裝置的基礎上實現了人物互聯，在步入二十一世紀這一關頭，設計不僅要注重滿足用戶的需求，更加注重設計理念符合當下時代的發展，未來人們將會選擇更加智能、便捷、環保的全自動產品。

2 系統整體設計

該裝置以STC89C52RC單片機作為核心控制系統，功能是主要實現對奶茶溫度、濃度、輔料選擇的遠程控制，系統由控制單元，遠程通信單元和云端數據分析構成；控制單元是通過控制器和硬件外設組成，并且包括單片機；遠程通信單元是通過ESP8266WIFI模塊和移動控制終端組成，云端數據分析是將收集的數據和發送的數據利用WIFI模塊連接物聯網平臺阿里云，傳輸到云端儲存數據并且制作數據實時圖形模型，使用移動終端手機APP將數據進行顯示，實現對奶茶各項數據的監測和控制。

2.1 STC89C52RC最小系統

在本系統中采用STC89C52RC作為單片機最小系統的核心控制芯片，此單片機是與英特爾公司的8051指令系統相兼容，它具有低功耗、短周期、運行快和成本低等諸多優點；在本裝置的設計中該款單片機擁有足夠的I/O口，可以滿足該裝置的設計需要，在多個方面得到了廣泛應用，并且擁有簡單的開發方式，技術成熟。

2.2 報警模塊的硬件設計

在此裝置中當奶茶相關工序完成時，需要向用戶發出提示，報警提示模塊采用了蜂鳴器和LED燈的設計以及通過物聯網在移動終端提示，當完成系統在不同的報警需求環境中時，蜂鳴器和LED燈同時也組成不同的提示模式。

圖1 系統設計框圖

圖2 STC89C52RC單片機最小系統

圖3 報警模塊的電路設計

2.3 按鍵電路設計

為滿足用戶的個人需求多樣性和便捷性，我們在設備本機上也采取了按鍵設置，它們分別對應不同的模式和功能。

圖4 按鍵電路設計

2.4 LCD顯示模塊

在顯示部分我們選擇使用了LCD12864液晶顯示屏，它是具有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64；同時也便于人們對相關內部顯示內容的理解，并且連接方式簡單，STC89C52RC單片機的P0口接上拉電阻作為數據輸出端連接到LCD12864顯示屏的D0~D7數據口，PSB、RS、R/W、EN端分別接在單片機的P2^3、P2^5、P2^6、P2^7端口。

2.5 奶茶溫度和濃度控制模塊

溫度數據和液位數據的收集，我們通過DS18B20溫度傳感器和HC-SR04超聲波傳感器實現；DS18B20的溫度方面的測量方式，由受溫度影響的內部計數器——脈沖計數振蕩器，DS18B20的可測量的溫度范圍則是在零下五十五攝氏度至一百二十五攝氏度之間更加滿足我們裝置的設置需求。HC-SR04超聲波模塊可以發出聲波并且當被物體反射后接受，通過單片機定時器計算發送和接受的時間，利用聲速判斷出當下距離，其具有精度高、速度快和成本低的優點。

圖5 LCD12864顯示模塊

圖6 DS18B20溫度傳感器

圖7 HC-SR04超聲波傳感器

3 系統各部分設計

3.1 主程序設計

用戶對奶茶的口味、溫度、濃度和廢料回收，對于每個需求，本裝置以設置多個控制級來滿足用戶的需求，奶茶的濃度和液體體積通過杯型容積的固定可實現，在藏式奶茶中可根據用戶個人口味選擇不同的口味（甜或咸），將奶料、茶料、輔料和甜/咸的口感度分成了多個等級，選擇等級的不同可以控制加入原料的百分比，滿足用戶個人對奶茶的各項需求，每種原料所加入的多少在程序中都對應一個數字標志位，在邏輯上實現了一一對應。在裝置開啟后對系統所有變量進行初始化，隨后系統進入循環判斷狀態，檢測用戶通過按鍵或者終端設置的各項數據，單片機將其賦給有關程序參數，各模塊再根據程序設計的先后順序依次完成奶茶的沖泡。

圖8 主程序流程框圖

圖 9 藏式奶茶制作流程框圖

3.2 廢料回收單元設計

藏式奶茶制作流程結束后會產生一些廢料，為了與當下時代發展相契合，踐行國家的重要決策“可持續發展理念”，力求較好的實行可持續發展理念的中心思想；在當下對未來較高標準的憧憬下，很有必要完成對廢物的重復利用。環保裝置主要采用吸泵和步進電機控制廢料進入收集容器（廢料桶），廢料桶底部采用網狀結構，通過垂直升降的壓力幫輔裝置，將奶茶廢渣中的多余水分全部擠壓至最底部容器，由于奶茶廢料的主要成分是茶葉，我們還可以用廢水進行植被灌溉，廢渣取出干燥后，可用作干燥劑、除臭劑、飼料等使用。

就我國而言，各個方面都得飛快的發展之中，這樣的結果當然是每個國人都殷切希望的，國家的強盛，無論是個人還是社會甚至是國家的安全都得到了應有的保障。因此貫行這一正確理念，便顯得尤為重要了。不僅如此，依據我國的經濟以及科技上的快速發展和偉大進步，以及升級換代的加快，更多的高端商品都將面臨著使用價值的丟失，最終將變成待淘汰的廢品，被回收的同時在進行重復利用的系統化階段。建設較高標準的規范性的回收廢品體系和有著可重復利用的資源也就顯得尤為重要了，妥善解決有害物質，預防和凈化環境，具有十分重要的意義；垃圾回收利用可以節約能源，保護環境，防止地球上的過度消費負擔；所以我們每個人都有責任回收。共同努力，讓我們的地球更綠，空氣更清新。

圖10 廢料轉置電路

3.3 無線控制程序設計

3.3.1 單片機串口通信設計

在單片機串口通信的使用上，要依據對命令有關數據的傳輸方式的規范要求，使得所需的特有命令通過特殊的譯碼方式保存在對應的二維數組里，從而使得主功能函數更加方便的使用此命令。在串口中斷接收程序函數中，要將特有的RI端置零，這是因為在不同的單片機的串口接收有用數據并且存儲時的過程中，不同的單片機的RI端都會置一，因此在每次利用串口中斷這一功能的時候要先把RI置零，緊接著再對RI進行判斷，判斷它是否為一，這是為了間接的確定有效數據是否已經接收完成了，然后等待著該單片機獲取存儲器里的有效數據，從而更加進一步的執行著該單片機的操控指令。在串口中斷傳輸程序函數里，起初也要將RI置零，接著就是等候有效數據的傳送。待有效數據傳送完成之后，接著將TI置零，此處的原因與前面所述的RI置零是相同的。在該單片機為了發送有效數據，一樣的是該單片機不能夠獨自的傳送和接收有效數據，傳送有效數據前，都需要把數據先保存在特定的寄存器里，傳送有效的數據時，則在特有的存儲器中進行有效的讀取有效數據。接著要進行判定TI是否為一，其目的是為了確定傳送的完成與否，這與之前敘述的確定RI是否為一是同樣的原理。傳送完成了之后，需將TI置零，為了方便下一次的傳送有效數據。有效數據傳送完成了之后，需要將特有的中斷源的允許位打開，從而完成串口中斷接收無線控制模塊傳送的有效數據。然后要關閉串口中斷，以防串口中斷促使有效數據間的相互干擾，接著將TI置零，再將有效數據保存在特有的串口寄存器里，待有效數據傳送完成之后，再把TI置零，最后便可以將串口中斷打開，也就可以進行串口中斷有效數據的接收過程。

圖11 系統輔助裝置開關電路端口

3.3.2 ESP8266模塊的應用

為了完成并實現云端數據的檢測和可控化。利用單片機串口通信系統，實現單片機和ESP8266模塊數據雙向收發。程序設計中先要對ESP8266模塊的相關參數進行初始化，在模塊使用前對其使用上位機（串口調試助手）完成調試，在調試階段將ESP8266WIFI模塊的工作模式設置為透傳工作模式。首先將通信模塊的比特率與單片機串口通信的比特率設置相同為9600（指令AT+UART=9600,8,1,0,0）；然后ESP8266WIFI模塊的通信模式對應設置為AP模式（指令AT+CWMODE=2），設置為多連接模式，允許多個設備連接，ESP8266WIFI通信模塊的設備連接數上限為5個，同時依據連接的先后順序給每一個設備依次分配IP地址；隨后為ESP8266WIFI通信模塊配網，使模塊連接到無線局域網通過互聯網連接物聯網云平臺。

圖12 ESP8266WIFI模塊

3.3.3 物聯網平臺阿里云的應用

Alink協議的數據是阿里云平臺和云下設備通信的保障，因此需要將ESP8266WIFI通信模塊發送的數據利用MQTT協議進行嵌套，嵌套完成之后再發送至云端；并且在阿里云平臺訂閱了相應主題后，還要將訂閱主題相應的數據解析處理，以此方便阿里云對核心數據的下發。利用阿里云平臺lot Studio開發工具開發APP實現無人操作下，可制作一杯符合個人對相關數據設定的藏式奶茶，當裝置作為家用或者自助使用時，可以進行藏式奶茶制作預約，通過云端數據存儲功能，匯總以往相關需求的一杯奶茶制作時間，計算出本次制作所需時間，使得可以充分規劃時間。

圖13 云端數據處理流程框圖

4 結束語

藏式奶茶沖泡裝置的設計包括了溫度、濃度實時監測和控制，奶茶制作所產生的廢料回收重復利用和相關數據上傳至物聯網云平臺創建可視化控制界面等，利用物聯網技術更好的進行人機交互操作，并且優化裝置內部電路使設備結構簡單便攜，通過用戶對可視化控制界面的反饋不斷完善，沖泡后奶茶廢料也能夠得到有價值的回收利用。

在利用奶茶行業發展的優勢，將物聯網技術和人工智能技術帶入到奶茶的制作流程中去，可以很好的提高奶茶的制作效率，也符合當前時代人們對智能奶茶機的需求，并且融入了傳統的民族特色飲食文化，將繁雜的傳統工藝由機械完成，也可以更好的傳播我們的民族文化，促進當代年輕人對民族文化的了解，弘揚傳統的民族特色飲食文化。