【摘要】 采用機電一體化的設(shè)計思路與方法，選用科學(xué)合理的機構(gòu)，使該智能控制全自動沏茶機具備較高的自動化水平與模塊化功能。從入水到出茶水一鍵解決，不但安全可靠，而且富有茶藝的美感。它順應(yīng)家電智能化的發(fā)展，適合現(xiàn)代人需求。

【關(guān)鍵詞】 智能控制 全自動 沏茶機 設(shè)計與制作

一、設(shè)計背景

中國茶文化歷史悠久，底蘊深厚。越來越多的人開始注重沏茶的環(huán)境和工序，各種各樣的沏茶機也應(yīng)運而生。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前大多沏茶機普遍存在自動化程度較低，操作較復(fù)雜等問題。智能控制全自動沏茶機不僅能自動完成沏茶所有工序，還可根據(jù)茶葉的種類選擇不同的沏茶方式，使人們充分享受品茶的樂趣。充分綜合了計算機、控制論、機械學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科理論，使用了嵌入式軟件操作、傳感器感知、人機交互界面等技術(shù)，最終實現(xiàn)了智能化和全自動。

二、設(shè)計思路

茶作為世界三大飲料之首，但現(xiàn)有的沏茶機大多只具有煮茶的功能，與真正的茶藝相去甚遠。所以智能化的全自動沏茶機既要能精確控制溫度、茶量、水量等各種要素，也要能充分遵照茶道完成沏茶的所有步驟。

根據(jù)上述背景和相應(yīng)的產(chǎn)品需求，所設(shè)計的沏茶機應(yīng)使沏茶的每個工序自動完成并且工序之間相互配合，以工業(yè)化的流程實現(xiàn)整個沏茶過程，所包含的基本步驟應(yīng)有：選茶、熱水壺注水、加熱溫控、置茶、高沖、低泡、洗茶、分茶、敬茶等。通過分析各步驟的特點，合理設(shè)置結(jié)構(gòu)，合理安排空間，采用機電一體化和功能模塊化的設(shè)計思路，將全自動沏茶機劃分為六大系統(tǒng)：觸摸屏操作系統(tǒng)，熱水及溫控系統(tǒng)，自動選擇茶葉及導(dǎo)槽取茶系統(tǒng)，洗茶沏茶系統(tǒng)，自動倒茶水系統(tǒng)，自動送茶杯軌道系統(tǒng)（如圖）。

2.1觸摸屏操作系統(tǒng)

人機友好的界面可以幫助人們更直觀地了解茶文化以及不同種類茶葉的特點、功效。在觸摸屏上點擊選茶按鈕，通過藍牙將命令傳輸給沏茶機，沏茶機啟動，并按照所選茶葉設(shè)計最佳工藝進行沏泡。使用者也可以自行設(shè)定沏茶的模式和參數(shù)。

2.2熱水及溫控系統(tǒng)

水泵從水箱輸送適量的水至熱水器，熱水器可將水加熱至100攝氏度。由于不同茶葉對水溫的要求不同，所以如果所沏茶葉的最適水溫低于100攝氏度，溫控系統(tǒng)啟動，可將水調(diào)整致相宜的溫度，同時避免千沸水的產(chǎn)生。

2.3自動選擇茶葉及導(dǎo)槽取茶系統(tǒng)

沏茶機可以選擇多種茶葉，分別儲存在各茶桶中，點觸對應(yīng)的鍵，選出該種茶葉。非工作狀態(tài)時，茶桶密閉，防止茶葉串味及受潮。

2.4洗茶沏茶系統(tǒng)

洗茶是飲茶必不可少的一步，它可去除茶葉表面有害物質(zhì)，同時使茶葉舒展和茶汁浸出。將熱水注入茶壺后，裝有茶葉的茶壺左右搖擺多次后，移動到指定位置，將水倒出，達到洗茶目的，在洗茶后開始沏茶，沏茶機會根據(jù)不同茶葉設(shè)置不同的沏茶時間。

2.5自動倒茶水系統(tǒng)

沏好茶水后，茶壺對準(zhǔn)茶海翻轉(zhuǎn)一定角度，將茶水注入茶海。茶海平移并依據(jù)茶海中茶水的余量設(shè)定相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)角度，為各茶杯注滿茶水。

2.6自動送茶杯軌道系統(tǒng)

在茶盤四周設(shè)有按鍵，按下按鍵，空茶杯自動傳送到茶海前方，待茶水注入后，再將茶杯傳送到客人面前。該過程可單獨重復(fù)，實現(xiàn)續(xù)茶功能。

三、各模塊結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)上述思路，結(jié)合沏茶的具體步驟和全自動沏茶機所設(shè)定的六大系統(tǒng)，具體劃分、制作為十個功能模塊，并通過十大模塊的順序協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了沏茶過程的智能化和自動化。

十大模塊為：觸摸屏操作模塊、智能控制模塊、熱水器模塊、溫控模塊、自動選擇茶葉及導(dǎo)槽取茶模塊、洗茶沏茶及傾倒模塊、揭壺蓋模塊、濾茶及茶海平移模塊、茶海斟茶模塊、自動送茶杯軌道模塊。

3.1觸摸屏操作模塊

通過觸摸屏，使用者不僅可以了解茶道相關(guān)知識，也可以了解各種茶葉的特點，從而根據(jù)自己的喜好選擇茶葉。點擊選茶按鈕，沏茶機即按照所選茶葉的工藝開始沏茶。使用者亦可自由設(shè)置沏茶的各種參數(shù)，包括茶水的濃度、沖泡次數(shù)以及背景音樂等。

3.2智能控制模塊

控制器是整個智能控制模塊的中樞，產(chǎn)品所需的電源、輸入信號、輸出信號都可以連入控制器中。首先，控制器根據(jù)觸摸屏傳來的指令進入相應(yīng)的程序模塊，在接收到傳感器反饋的信息后結(jié)合內(nèi)置的程序和設(shè)定的參數(shù)進行判斷處理，最后再作用于各執(zhí)行模塊，比如控制電機的正反轉(zhuǎn)、加熱裝置的啟動和停止。

智能控制模塊可以控制自動沏茶機完成所有的動作并對各元件運行狀態(tài)進行監(jiān)控，機電一體化使得整個系統(tǒng)可以有條不紊，按部就班地完成沏茶的全部過程。

熱水器內(nèi)置溫度傳感器以檢測溫度；儲茶桶推板上設(shè)置有壓力傳感器以檢測出茶量；電機輸出軸附近設(shè)有計數(shù)裝置能夠檢測電機的總轉(zhuǎn)數(shù)；各種傳動部件附近設(shè)有限位開關(guān)、光敏傳感器以精準(zhǔn)確定各器皿的位置。

3.3熱水器模塊

熱水壺內(nèi)置加熱裝置和溫度傳感器。熱水器的入水口和水泵相連，可自動加水。出水口由電機帶動可自行升降，達到向茶壺注入熱水的目的。升降電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，螺母和熱水器工作臺上移，從而使熱水器內(nèi)液面高于茶壺口。非工作狀態(tài)，熱水器下降，以節(jié)約空間。轉(zhuǎn)向電機把熱水器出水口旋轉(zhuǎn)至茶壺上方。

3.4溫控模塊

熱水器外壁上繞有散熱管，散熱管通過冷卻箱和冷卻風(fēng)扇散熱。茶葉對水溫有要求，當(dāng)所需溫度低于100攝氏度時該冷卻系統(tǒng)啟動，使其快速達到所需溫度后保溫。

3.5自動選擇茶葉及導(dǎo)槽取茶模塊

根據(jù)所選擇的茶葉，電機帶動不同的選茶絲杠轉(zhuǎn)動，使螺母上升。再帶動連桿，推出儲茶桶中的茶葉。由控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器信息控制電機的轉(zhuǎn)速和時間，從而達到所需的茶葉量。電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，打開茶桶蓋，上升的茶葉通過導(dǎo)槽進入茶壺。

3.6洗茶沏茶及傾倒模塊

洗茶：洗茶是飲茶必不可少的一部分，它在清除茶葉表明有害物質(zhì)的同時使茶汁浸出。電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，使茶壺底盤以絲杠為軸心左右搖擺，實現(xiàn)洗茶功能。此處運用四連桿機構(gòu)。

傾倒裝置：電機轉(zhuǎn)動，使導(dǎo)軌向后移動，應(yīng)用杠桿原理使茶壺翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)傾倒茶水的功能。

3.7揭壺蓋模塊

茶壺在絲杠的帶動下可以左右移動。壺蓋鉤放下后，茶壺后移，轉(zhuǎn)動壺蓋鉤可以使壺蓋揭起。

3.8濾茶及茶海平移模塊

在電機的帶動下齒輪轉(zhuǎn)動，使茶漏提起或放下。電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使茶海平移。濾茶時，茶海移動到茶漏下方，茶漏放下，隨后茶海移出，同時帶動茶漏移出，此時茶壺將茶水注入茶海，過濾茶水。

3.9茶海斟茶模塊

倒茶時，茶海先移回，把茶漏放回茶漏架，之后再平移到適當(dāng)?shù)奈恢玫共琛ｋ姍C帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動齒輪，通過支撐板使茶海翻轉(zhuǎn)，將過濾后的茶水倒入各個茶杯。

3.10自動送茶杯軌道模塊

在茶盤的下部設(shè)置電機帶動定滑輪組。通過絲線實現(xiàn)傳送茶杯功能。按不同的選茶按鍵選擇不同的茶杯或選擇續(xù)杯。

四、樣機制作及實際效果

4.1樣機制作

為了論證設(shè)計的可行性和更方便直觀地調(diào)整方案、優(yōu)化設(shè)計，按1：1的比例，選擇“慧魚創(chuàng)意組合模型”部分組件及自制件進行了沏茶機樣機的制作。

第一步，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計思路和設(shè)計方案將各系統(tǒng)進行模塊化的制作，包括在必要的位置安放各種傳感器。

第二步，按各模塊的不同工作方式和工作空間將其合理布局，再用各種加強穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)連接各個模塊以確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。最后把所有傳感器、執(zhí)行元件與可編程控制器相連。

第三步，對所使用的可編程控制器進行程序編寫。首先結(jié)合硬件不斷采集、記錄和調(diào)試各種參數(shù)，之后廣泛查閱資料，記錄各種茶的最佳沖泡方法，編寫相適應(yīng)的程序模塊。最終實現(xiàn)控制器對各執(zhí)行元件精確有效地控制，使各模塊無縫銜接、流暢配合，保證沏茶機運行的可靠性和程序運行的穩(wěn)定性。

第四步，對觸摸屏進行程序編寫，實現(xiàn)對沏茶機的遠程控制以及友好的人機交互界面。

在實際制作、程序編寫、反復(fù)調(diào)試和使用實踐之后，所制作的樣機達到了對產(chǎn)品的設(shè)計初衷。從而論證了設(shè)計的可行性。

4.2技術(shù)參數(shù)

4.3實際效果

現(xiàn)以“紅茶皇后”祁門紅茶的功夫泡法為例說明整個沏茶機的工作過程。

首先，在觸摸屏上翻閱了解茶文化以及各種茶葉的品質(zhì)、功效及沏泡方法。在了解了祁門紅茶相關(guān)知識后，選定該茶葉并設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，按相應(yīng)的啟動按鍵，觸摸屏通過藍牙發(fā)送指令給沏茶機，沏茶機開始工作、

水泵輸送適量的泉水至熱水器，熱水器開始工作，將水加熱至微沸，壺中上浮的水泡仿佛“蟹眼”，此過程大約1分鐘。由于該茶的最佳沖泡溫度為90℃～95℃，溫控系統(tǒng)啟動，迅速將水調(diào)整至所需溫度并保溫。

與此同時，揭蓋鉤已將壺蓋揭起，茶壺后移至出茶口。儲茶桶中的推桿推出4克左右的茶葉，導(dǎo)槽裝置可以幫助茶葉順利的進入茶壺。接下來，注水口旋轉(zhuǎn)至茶壺上方注入半壺水。之后，茶壺前移，蓋好壺蓋，開始洗茶。茶壺左右搖擺多次達到洗茶均勻，預(yù)熱壺身的目的。隨后，茶壺會將第一次的洗茶水倒入茶海。

接下來茶壺、茶海將同步工作，茶壺會再次移至注水口，由高到低，再由低到高地注入200毫升水。茶葉與水之比為1：50，為該茶最佳沖泡比例?！案邲_低斟”則有利于讓茶葉在水的激蕩下充分浸潤，以利于香味從分發(fā)揮。茶海會將第一次的洗茶水經(jīng)廢水口倒掉。茶海上方設(shè)有漏斗，用來過濾茶水，為此專門設(shè)有茶漏架，負責(zé)自動揭起或放下茶漏。此時，茶水已靜置了3分鐘，此為該茶最佳沖泡時間。接下來茶壺會前移，將沏好的茶水倒入茶海。沏茶的總時間約為4分鐘

接下來，使用者可以根據(jù)需要選擇茶杯，按下茶杯選擇鍵，空茶杯會自動迅速傳送到茶海前方，茶海會根據(jù)茶杯中水的多少傾斜不同的角度，保證茶杯內(nèi)倒入適量的茶水，之后再將茶杯傳送到飲茶者面前。

當(dāng)飲茶者品完第一杯茶后，可以根據(jù)需要選擇續(xù)茶。

五、產(chǎn)品的不足及改進

1）進一步優(yōu)化模塊，獨立設(shè)計外殼，整體精美包裝，使得沏茶機可以靈活拆裝，同時也有利于沏茶機的清潔和維護。

2）觸摸屏操作系統(tǒng)使得產(chǎn)品成本較高。如今，智能手機十分普及，將研發(fā)相應(yīng)的APP控制程序軟件，用手機代替觸摸屏，以降低產(chǎn)品的總成本，使得產(chǎn)品更利于推廣。

六、應(yīng)用價值

該智能控制全自動沏茶機安全、便捷、高效、省時、省力，從入水到出茶水，一鍵解決。機電一體化可確保沏出上好佳飲，讓人們在品茶的同時享受精致生活。它順應(yīng)家電智能化的發(fā)展，適合現(xiàn)代人需求，應(yīng)用前景廣闊，市場潛力巨大。

參 考 文 獻

[1]濮良貴 紀(jì)明剛主編 機械設(shè)計 高等教育出版社，2008

[2]張忠將 李敏主編 SolidWorks 2010 機械工業(yè)出版社，2011

[3]周祖德 唐永紅主編 機電一體化 第一版 華中科技大學(xué)出版社，2002

[4]范增平著 生活茶藝館 吉林科學(xué)技術(shù)出版社

[5]余悅著 中國茶韻 中央民族大學(xué)出版社

第一作者簡介：楊學(xué)軍，男，山西河津人，太原理工大學(xué)，博士在讀，工程師。郵編：030024

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