家居智能泡茶器設(shè)計

張占輝，羅子龍，王洪海，藍(lán)麗雯

（1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程有限公司，廣東 廣州；3.陽江市佳順信息技術(shù)有限公司，廣東 陽江）

引言

我國有著獨特且悠久的茶文化,隨著茶文化的發(fā)展，飲茶已經(jīng)逐漸融入了人們的生活習(xí)慣中。家居智能化的的不斷實現(xiàn)和快節(jié)奏的生活方式也推動著泡茶方式向自動化、智能化的方向發(fā)展。智能化泡茶器的出現(xiàn)對人們的日常生活和推動茶文化的發(fā)展具有重要意義。

對于家居智能泡茶器的研究，國內(nèi)外也早有智能化泡茶機和帶有泡茶功能的咖啡機，電磁式泡茶機是目前市面上應(yīng)用比較廣泛的泡茶機，該泡茶機設(shè)置一個加熱壺和一個消毒鍋，能夠?qū)Σ杈叩冗M(jìn)行消毒，其核心技術(shù)是能夠自動加水，并將水加熱到指定溫度，為泡茶做好準(zhǔn)備。該產(chǎn)品雖然對真正熱愛泡茶喝茶的人來說是一款非常不錯的產(chǎn)品，但是對于那些沒有時間泡茶或者只想喝現(xiàn)成泡好的茶的人來說，這款產(chǎn)品并不能夠滿足他們對智能化的期待，也沒有實現(xiàn)他們想要的智能泡茶功能。家用多功能智能遙控溫?zé)嵝土⑹讲璋蓹C憑其智能化控制和精美的外觀深受人們的歡迎，該產(chǎn)品外觀類似于立式飲水機，不同的是在其下面的托盤上有足夠空間放置茶壺和茶杯等，其亮點在于支持遠(yuǎn)程遙控功能，坐在電視前或躺在沙發(fā)上就能一鍵啟動，無需走到茶吧機面前就能實現(xiàn)控制，是上班族和年輕人的一大福音。同時在其出水口上方還有顯示屏顯示水溫和工作狀態(tài)，讓用戶直觀的感受到產(chǎn)品的智能化。而在茶吧機下方還有足夠空間，可以將茶具放在下面的柜子中防塵，桶裝水也是直接在底部放著的，無需和飲水機一樣裝在上面，就不用費力裝上去。但是該茶吧機的功能化更偏向于可遙控的家用飲水機，并沒有側(cè)重于泡茶功能[1]的實現(xiàn)。

對于目前市面上常見的泡茶機、立式茶吧機等僅僅解決了茶水分離問題和水溫問題, 而對于飲茶過程中,不同茶葉需要沖泡還是烹煮, 需要多少水溫、沖泡時間、茶水比例等則沒有相應(yīng)的解決方案[2]；而對于智能化的泡茶機，許多人也一直在研究，如楊錦湘研究的基于用戶體驗的智能泡茶機設(shè)計[3]、張溪的基于單片機控制的智能泡茶機的研究[4]，以及張旭的智能泡茶方式的研究與應(yīng)用[5]。都是結(jié)合了現(xiàn)代科技和泡茶工序設(shè)計的智能泡茶機，利用單片機控制實現(xiàn)智能化泡茶功能。因此，本研究通過設(shè)計一款家居智能泡茶器，嘗試讓泡茶適應(yīng)當(dāng)下的生活節(jié)奏，同時能迎合年輕人對家居智能化的憧憬和對性價比的重視，推動茶文化的發(fā)展。

1 家居智能泡茶器設(shè)計

1.1 家居智能泡茶器的功能分析

該家居智能泡茶器具有自動加水、自動加熱、根據(jù)不同茶葉實現(xiàn)自動泡茶、自動提醒等功能模塊。自動加水功能的實現(xiàn)是利用泡茶器外接軟管到桶裝水中，利用小型水泵和電機控制加水，同時設(shè)置加分檔加水，通過控制加水量的方式控制茶水濃度；自動加熱模塊中使用電磁加熱的方法對泡茶用水進(jìn)行加熱，其具有加熱速度快、電能利用效率高、功率可控、壽命長和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點；自動泡茶和自動提醒模塊主要由單片機控制，以及溫度、液位傳感器，蜂鳴器等硬件的支持下實現(xiàn)。其主要功能見圖1。

圖1 家居智能泡茶器主要功能框圖

1.2 家居智能泡茶器的硬件系統(tǒng)設(shè)計

單片機作為整個泡茶器控制系統(tǒng)的大腦，它的選型是非常重要的，體積不能過大，又要滿足控制要求。隨著微電子技術(shù)的逐漸成熟，微型控制器經(jīng)過幾十年的發(fā)展使其性能越來越強大、功能越來越多、成本越來越低，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如工業(yè)、軍事、農(nóng)業(yè)、智能家具、游戲設(shè)備和門禁等。本設(shè)計的主要目的是設(shè)計一款價格親民，泡茶功能較完善的家居智能泡茶器，考慮到本產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和其能滿足用戶實際需要的功能，本家居智能泡茶器選用STM32F103RCT6 單片機作為控制中心的“大腦”。該智能泡茶器硬件系統(tǒng)主要分為電源模塊、人機交互模塊、溫度檢測模塊、水位檢測模塊、驅(qū)動模塊、加水模塊和報警模塊[6]，該控制系統(tǒng)功能框圖見圖2。

圖2 家居智能泡茶器控制系統(tǒng)功能框圖

在本設(shè)計的控制系統(tǒng)框圖中電源模塊為整個智能泡茶器的運作提供電力，而人機交互模塊主要分為兩大部分：顯示器和按鍵，顯示器是用于顯示茶水當(dāng)前溫度和水位，及所選的泡茶程序和泡茶所需時間等；按鍵是方便用戶控制水泵實現(xiàn)一鍵加水、選擇泡茶種類等功能。整個人機交互模塊在用戶使用時可以快捷選擇功能和清楚的知道當(dāng)前智能泡茶器的工作狀態(tài)。溫度檢測模塊和水位檢測模塊主要是通過溫度、水位傳感器收集泡茶器內(nèi)部工作狀態(tài)，并傳給控制系統(tǒng)做出下一步動作，例如加熱、加水等功能。驅(qū)動模塊用于驅(qū)動水泵和電機工作，實現(xiàn)對水泵和電機的控制。加水模塊用于控制智能泡茶器的加水功能，為泡茶做好準(zhǔn)備。報警模塊用于智能泡茶器工作狀態(tài)異常報警，如水位異常報警、干燒報警等。

（1） 人機交互模塊設(shè)計。人機交互功能的主要目的提升消費者對產(chǎn)品的喜好程度，設(shè)計出來的產(chǎn)品能夠滿足人們對智能家居產(chǎn)品設(shè)計的要求，同時還可以為使用者提供良好的使用體驗，在用戶泡茶時感到操作簡單、便捷、滿足用戶使用需求。本人機交互模塊設(shè)計主要分為顯示屏和按鍵兩個部分。

（2） 溫度檢測模塊設(shè)計。在泡茶器工作時為了實時監(jiān)測加熱茶壺內(nèi)部的液體溫度，需要由溫度傳感器來傳輸信號，本設(shè)計選用DS18B20 溫度傳感器，該傳感器是溫度檢測領(lǐng)域內(nèi)常用的傳感器，因為其輸出的信號是數(shù)字信號，所以它屬于數(shù)字傳感器，具有使用壽命長、小而輕、安裝方便、抗干擾能力非常強，測溫誤差小等優(yōu)點。DS18B20 只需要連接一個接口就可以讓單片機與DS18B20 達(dá)到雙向信號傳輸；其工作電壓為3 V 到5.5 V，可以使用USB 數(shù)據(jù)線供電；可測量-55 ℃到+125 ℃之間的溫度，在-10 ℃至+85 ℃溫度范圍內(nèi)偏差不超過±0.5 ℃。

（3） 水位檢測模塊設(shè)計。在泡茶器中液位檢測選擇用ineless 多高品牌的水位探頭傳感器，探頭體積小、耐高溫，適用于熱水器中、探頭感應(yīng)靈敏、誤差小、安裝方便等優(yōu)點，滿足本設(shè)計的需求。把該液位傳感器的幾個探頭分別安裝在泡茶器內(nèi)壁，對水位進(jìn)行把控，保證用戶在加熱時泡茶器內(nèi)水位處于安全工作狀態(tài)。

（4） 系統(tǒng)報警模塊設(shè)計。當(dāng)加熱壺中可能由于桶裝水沒水，導(dǎo)致加水異常，水位低于最低水位或加水異常使水位高于最高水位時，容易發(fā)生設(shè)備干燒或者水溢出漏電危險，因此必須要有系統(tǒng)報警模塊在檢測到水位異常時發(fā)出聲音提醒用戶，保證用戶的安全。因此，該系統(tǒng)報警模塊主要采用蜂鳴器和三極管等元器件通過震動發(fā)出聲音。

（5） 加水模塊設(shè)計。加水模塊中主要依靠步進(jìn)電機和微型水泵實現(xiàn)定量加水。步進(jìn)電機工作實現(xiàn)軟管出水口旋轉(zhuǎn)到指定位置，到泡茶器上方進(jìn)水口實現(xiàn)準(zhǔn)確定位；微型水泵配合小軟管實現(xiàn)從桶裝水中抽取水加到泡茶器中。步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易控制、維修方便,而且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,其驅(qū)動控制除功率放大電路外，都可以由軟件實現(xiàn)。

（6） 驅(qū)動模塊設(shè)計。設(shè)計本產(chǎn)品需要使用步進(jìn)電機、和各類傳感器等器件，由于單片機輸出功率不能滿足其驅(qū)動條件，所以還需要各類器件專用的驅(qū)動芯片來驅(qū)動器件。由于步進(jìn)電機必須加驅(qū)動才能啟動，且驅(qū)動發(fā)出的信號一定是脈沖信號，如果步進(jìn)電機沒有接收到脈沖信號，它就不會運轉(zhuǎn)，無法正常工作，故需要選用合適的驅(qū)動器，最終選用這款uln2003 步進(jìn)電機驅(qū)動芯片來驅(qū)動電機，其價格實惠、在電機帶齒輪減速時噪音極低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

（7） 電源模塊設(shè)計。本設(shè)計的硬件系統(tǒng)中包含電磁加熱、步進(jìn)電機、微型水泵、傳感器和STM32 單片機，所以需要不同的電源，才能使各部分元器件進(jìn)行正常的運作，主要包括家用電磁加熱需要的220 V、步進(jìn)電機和水泵需要的12 V、液位和溫度傳感器需要的5 V 和單片機運作需要的3.3 V這4 種電壓。所以在電源模塊中主要包括3 種降壓電路，分別為：220 V 電壓降為12 V、12 V電壓降為5 V、5 V電壓降為3.3 V。

1.3 家居智能泡茶器的軟件系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合本智能泡茶器的功能設(shè)計和硬件設(shè)計，該泡茶器的軟件系統(tǒng)的泡茶主程序流程：選擇泡茶種類- 選擇茶水濃度- 檢測茶葉量- 自動加水- 液位檢測是否滿足要求- 滿足- 開始泡茶- 泡茶完成- 提醒用戶（其中液位檢測時，如不滿足要求，則發(fā)出水位過低報警信號）。在泡茶器啟動后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后用戶通過人機交互系統(tǒng)中的按鍵和顯示屏自行選擇泡茶種類。茶葉發(fā)展至今主要分6 大類，分別是紅茶、黑茶、綠茶、白茶、黃茶和烏龍茶，而這6 大類茶葉對沖泡水溫和時間都有些差異，只有用對沖泡方法，才能讓茶的茶香和茶湯充分發(fā)揮出來，因此針對市面上常見的6 大類茶葉按其泡制時間和水溫的不同編寫好不同的泡茶子程序，然后根據(jù)用戶實際泡茶種類和口味的不同進(jìn)行程序選擇。如紅茶、綠茶、黃茶，對于不同種類的茶葉有不同的泡茶程序，再根據(jù)用戶喜愛的泡茶濃度選擇茶水濃度，主要分為3檔：低濃度、中濃度和高濃度。接下來泡茶器會通過程序控制微型水泵和電機進(jìn)行自動加水，通過水位傳感器檢測，在水位正常的情況下開始泡茶，泡茶完成后會提醒用戶茶已泡好。

本設(shè)計中所研究的智能泡茶器系統(tǒng)的人機交互主要是人工控制泡茶器的功能，即按鍵與顯示屏兩大部分，用戶可以根據(jù)顯示屏獲得泡茶器的當(dāng)前狀態(tài)，然后通過按鍵輸入命令讓泡茶器工作，實現(xiàn)讓泡茶器隨著用戶的實際需求進(jìn)行泡茶。在單片機的按鍵控制功能中，根據(jù)按鍵進(jìn)行輸入指令部分識別方式通常分為中斷和掃描兩種方式。其中中斷方式響應(yīng)較快，但實際使用時易出現(xiàn)波形顯示時抖動較小，以致程序編寫時，還要分別去抖，這就加大了泡茶程序的復(fù)雜性，所以本設(shè)計系統(tǒng)選擇掃描方式識別按鍵。

1.4 家居智能泡茶器溫度控制模塊

由于不同的茶葉的泡制需要不同的泡茶水溫，只有在合適的水溫中沖泡合適的時間才能讓茶的茶香和茶湯充分突出。因為水在加熱的過程中具有熱慣性,即供熱系統(tǒng)受其介質(zhì)的比熱容和質(zhì)量影響，受熱介質(zhì)的溫度變化在時間上滯后于傳熱介質(zhì)[7]，容易出現(xiàn)水溫過高的情況，導(dǎo)致水溫不符合泡茶要求，因此必須在水加熱的過程中達(dá)到對加熱水溫的準(zhǔn)確控制。通過學(xué)習(xí)和了解各種溫度控制系統(tǒng)，本設(shè)計最終選用PID 控溫法對加熱水溫進(jìn)行控制。PID 控溫法是通過調(diào)節(jié)偏差的比例（P—Proportion）、積分（I—Integral）和微分（D—Derivative）3個參數(shù)線性組合進(jìn)行控制的方式來實現(xiàn)對水溫的精確控制[8]。PID 算法是一種非常典型的、實用性強的控制算法，廣泛運用與各個過程控制領(lǐng)域中，其主要以線性控制器為主。PID算法的主要邏輯是根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差e(t)，將此偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量, 對受控對象進(jìn)行控制，通過計算初始設(shè)定值與反饋環(huán)節(jié)獲取的實際輸出值的偏差e(t)，PID控制算法原理見圖3。

圖3 PID 控制算法的原理

泡茶過程中對于水溫的加熱控制如下：市面上常見的茶葉主要有6 大類，由于制作工藝、茶性的不同，沖泡水溫也存在差異，綠茶的沖泡水溫為85 ℃，紅茶為90℃，黃茶為85 ℃，烏龍茶為100 ℃，白茶為95 ℃，黑茶為100 ℃。這些茶葉的泡茶水溫均高于80 ℃，所以在系統(tǒng)中設(shè)定80 ℃為溫度參考值，水溫在不斷地加熱過程中，DS18B20 溫度傳感器檢測的實際溫度與目標(biāo)溫度不斷進(jìn)行比較，直到泡茶水溫大于或等于80 ℃，再通過系統(tǒng)計算得出溫度差，然后使用PID 算法對泡茶水溫進(jìn)行溫度控制，最后將計算出的調(diào)節(jié)方案由PWM輸出到電磁加熱器的供電輸入端，就可以控制是否繼續(xù)加熱，從而控制加熱時間，實現(xiàn)溫度的控制。

保溫功能：在泡好茶之后如果沒有及時飲用茶水，在室溫下會逐漸降溫，使茶水口感變差，因此需要控制茶水的溫度，使其溫度保持在適宜飲用的范圍，考慮到很多人喜歡喝燙茶，喜歡喝茶前吹一吹，慢慢品嘗，適合飲用的水溫在35 ℃到40 ℃之間，所以本保溫功能中設(shè)置保溫溫度為50 ℃。

2 結(jié)論

本課題所研究設(shè)計的產(chǎn)品是家居智能泡茶器設(shè)計，家居智能泡茶器設(shè)計主要包括功能設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩個部分，其中硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括單片機、水泵、電機、溫度傳感器和液位傳感器等元器件的合理選型等等；軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括泡茶程序和PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。