陳鑌

摘 要：隨著社會的進步與不斷發(fā)展，越來越多的智能技術(shù)走進我們的生活，智能化生活是未來發(fā)展的一種趨勢.現(xiàn)有的泡茶機在設(shè)計時沒有考慮到茶水的沖泡比例、沖泡時間、沖泡次數(shù)等因素，茶湯口感品質(zhì)的不足.針對上述情況本文設(shè)計了一種新型智能泡茶機.新型智能泡茶機系統(tǒng)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(jiān)控，結(jié)合直流電機水泵等實現(xiàn)對于不同茶品的現(xiàn)沖現(xiàn)泡的控制.在軟件上采用RT-Thread嵌入式實時操作系統(tǒng)來完成泡茶的一系列動作，從而實現(xiàn)泡茶的智能化、精確化.實踐證明，新型的智能泡茶機系統(tǒng)具有很好的實用價值.

關(guān)鍵詞：STM32F103;RT-Thread嵌入式實時系統(tǒng);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(tǒng)手動的功夫茶套裝.也有很多的養(yǎng)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(tǒng)手動泡茶壺只是將茶和水分隔開并沒能實現(xiàn)其他的功能，而市面上常見的泡茶壺、養(yǎng)生壺等又進一步地實現(xiàn)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(yīng)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(shè)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(xiàn)不同人對于茶濃清淡的需求，同時結(jié)合人機交互界面合RT-Thread線性實時操作系統(tǒng)，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(tǒng)喝茶的習慣.又不會與時代脫節(jié).

1 新型智能泡茶機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究設(shè)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?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，該泡茶機的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)和液位檢測系統(tǒng)，防止清水在加熱過程中發(fā)生意外溢出.

2 新型智能泡茶機硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件總體框架

新型智能泡茶機系統(tǒng)的控制器和通信系統(tǒng)由電源模塊、STM32F103最小系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、液位檢測系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)等組成.如圖2所示.STM32F103最小系統(tǒng)是整個硬件的核心，它接收各個傳感器傳回的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對整個泡茶過程的監(jiān)控和控制.人機交互系統(tǒng)是與用戶溝通的橋梁，用戶在人機交互系統(tǒng)上可以實現(xiàn)茶口感的定制.溫度檢測系統(tǒng)和液位檢測系統(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.最后電機控制系統(tǒng)是防止在茶葉傾倒和清洗的過程中，出現(xiàn)傾角過大而扯斷電線或者水管的現(xiàn)象.整個過程中電源模塊為各個系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸、電機轉(zhuǎn)動等提供電能，保證系統(tǒng)正常工作.

2.2 新型智能泡茶機加熱裝置系統(tǒng)設(shè)計

加熱系統(tǒng)主要由加熱環(huán)、溫度檢測系統(tǒng)和液位檢測系統(tǒng)構(gòu)成，溫度檢測采用100K（25℃的環(huán)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(xù)的數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化溫度.如3所示.

液位檢測系統(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限位的上下浮球構(gòu)成，浮球的內(nèi)部是兩個感應(yīng)常閉開關(guān)，當液位到達設(shè)定高度時感應(yīng)開關(guān)處于斷開狀態(tài).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(fā)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(tǒng)設(shè)計

新型智能泡茶機泡茶系統(tǒng)由茶葉稱重裝置、非接觸式液位感應(yīng)器、電機控制裝置以及水泵和水閥構(gòu)成.其中電機控制裝置由翻轉(zhuǎn)傾倒的直流減速電機和用于限制電機轉(zhuǎn)角的限位檢測裝置構(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，通過電機控制裝置，將茶倒入泡茶機構(gòu)，如圖5所示.抽水泵將燒開的水抽至泡茶機構(gòu)內(nèi)，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(tǒng)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(wù)系統(tǒng)設(shè)計

新型智能泡茶機云服務(wù)系統(tǒng)由人機交互系統(tǒng)、單片機、泡茶機支付系統(tǒng)、支付系統(tǒng)云服務(wù)后臺組成.人機交互系統(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.確定下單之后人機交互系統(tǒng)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給單片機和泡茶機支付系統(tǒng).隨后用戶掃碼并進行支付，支付確認之后，支付系統(tǒng)向單片機發(fā)送啟動泡茶指令，同時泡茶的訂單數(shù)據(jù)通過支付系統(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 新型智能泡茶機系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)是一個復雜的多任務(wù)系統(tǒng)，需要實現(xiàn)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(shù)據(jù)交互等.為了實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性和充分利用單片機內(nèi)核CPU的性能，選用RT-Thread的內(nèi)核多任務(wù)管理機制對系統(tǒng)各任務(wù)進行協(xié)調(diào)管理[3].系統(tǒng)的軟件框如圖8所示.