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(dú)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(shí)現(xiàn)和快節(jié)奏的生活方式也推動(dòng)著泡茶方式向自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。智能化泡茶器的出現(xiàn)對(duì)人們的日常生活和推動(dòng)茶文化的發(fā)展具有重要意義。

對(duì)于家居智能泡茶器的研究，國內(nèi)外也早有智能化泡茶機(jī)和帶有泡茶功能的咖啡機(jī)，電磁式泡茶機(jī)是目前市面上應(yīng)用比較廣泛的泡茶機(jī)，該泡茶機(jī)設(shè)置一個(gè)加熱壺和一個(gè)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(dòng)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(duì)真正熱愛泡茶喝茶的人來說是一款非常不錯(cuò)的產(chǎn)品，但是對(duì)于那些沒有時(shí)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(duì)智能化的期待，也沒有實(shí)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(jī)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(jī)，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(diǎn)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(dòng)，無需走到茶吧機(jī)面前就能實(shí)現(xiàn)控制，是上班族和年輕人的一大福音。同時(shí)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(jī)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(jī)一樣裝在上面，就不用費(fèi)力裝上去。但是該茶吧機(jī)的功能化更偏向于可遙控的家用飲水機(jī)，并沒有側(cè)重于泡茶功能[1]的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于目前市面上常見的泡茶機(jī)、立式茶吧機(jī)等僅僅解決了茶水分離問題和水溫問題, 而對(duì)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(shí)間、茶水比例等則沒有相應(yīng)的解決方案[2]；而對(duì)于智能化的泡茶機(jī)，許多人也一直在研究，如楊錦湘研究的基于用戶體驗(yàn)的智能泡茶機(jī)設(shè)計(jì)[3]、張溪的基于單片機(jī)控制的智能泡茶機(jī)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(jì)的智能泡茶機(jī)，利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)智能化泡茶功能。因此，本研究通過設(shè)計(jì)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(shí)能迎合年輕人對(duì)家居智能化的憧憬和對(duì)性價(jià)比的重視，推動(dòng)茶文化的發(fā)展。

1 家居智能泡茶器設(shè)計(jì)

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(dòng)加水、自動(dòng)加熱、根據(jù)不同茶葉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泡茶、自動(dòng)提醒等功能模塊。自動(dòng)加水功能的實(shí)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(jī)控制加水，同時(shí)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(dòng)加熱模塊中使用電磁加熱的方法對(duì)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(diǎn)；自動(dòng)泡茶和自動(dòng)提醒模塊主要由單片機(jī)控制，以及溫度、液位傳感器，蜂鳴器等硬件的支持下實(shí)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(jì)

單片機(jī)作為整個(gè)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(qiáng)大、功能越來越多、成本越來越低，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一款價(jià)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(shí)際需要的功能，本家居智能泡茶器選用STM32F103RCT6 單片機(jī)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(jī)交互模塊、溫度檢測(cè)模塊、水位檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、加水模塊和報(bào)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(jì)的控制系統(tǒng)框圖中電源模塊為整個(gè)智能泡茶器的運(yùn)作提供電力，而人機(jī)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(shí)間等；按鍵是方便用戶控制水泵實(shí)現(xiàn)一鍵加水、選擇泡茶種類等功能。整個(gè)人機(jī)交互模塊在用戶使用時(shí)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(cè)模塊和水位檢測(cè)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(dòng)作，例如加熱、加水等功能。驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)水泵和電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵和電機(jī)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(bào)警模塊用于智能泡茶器工作狀態(tài)異常報(bào)警，如水位異常報(bào)警、干燒報(bào)警等。

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

（2） 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)。在泡茶器工作時(shí)為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)，本設(shè)計(jì)選用DS18B20 溫度傳感器，該傳感器是溫度檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)常用的傳感器，因?yàn)槠漭敵龅男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)，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(qiáng)，測(cè)溫誤差小等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20 只需要連接一個(gè)接口就可以讓單片機(jī)與DS18B20 達(dá)到雙向信號(hào)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(cè)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(cè)模塊設(shè)計(jì)。在泡茶器中液位檢測(cè)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(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)的需求。把該液位傳感器的幾個(gè)探頭分別安裝在泡茶器內(nèi)壁，對(duì)水位進(jìn)行把控，保證用戶在加熱時(shí)泡茶器內(nèi)水位處于安全工作狀態(tài)。

（4） 系統(tǒng)報(bào)警模塊設(shè)計(jì)。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(shí)，容易發(fā)生設(shè)備干燒或者水溢出漏電危險(xiǎn)，因此必須要有系統(tǒng)報(bào)警模塊在檢測(cè)到水位異常時(shí)發(fā)出聲音提醒用戶，保證用戶的安全。因此，該系統(tǒng)報(bào)警模塊主要采用蜂鳴器和三極管等元器件通過震動(dòng)發(fā)出聲音。

（5） 加水模塊設(shè)計(jì)。加水模塊中主要依靠步進(jìn)電機(jī)和微型水泵實(shí)現(xiàn)定量加水。步進(jìn)電機(jī)工作實(shí)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；微型水泵配合小軟管實(shí)現(xiàn)從桶裝水中抽取水加到泡茶器中。步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、容易控制、維修方便,而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,其驅(qū)動(dòng)控制除功率放大電路外，都可以由軟件實(shí)現(xiàn)。

（6） 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)本產(chǎn)品需要使用步進(jìn)電機(jī)、和各類傳感器等器件，由于單片機(jī)輸出功率不能滿足其驅(qū)動(dòng)條件，所以還需要各類器件專用的驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)器件。由于步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才能啟動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)發(fā)出的信號(hào)一定是脈沖信號(hào)，如果步進(jìn)電機(jī)沒有接收到脈沖信號(hào)，它就不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，無法正常工作，故需要選用合適的驅(qū)動(dòng)器，最終選用這款uln2003 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其價(jià)格實(shí)惠、在電機(jī)帶齒輪減速時(shí)噪音極低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

（7） 電源模塊設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)中包含電磁加熱、步進(jìn)電機(jī)、微型水泵、傳感器和STM32 單片機(jī)，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(yùn)作，主要包括家用電磁加熱需要的220 V、步進(jìn)電機(jī)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(jī)運(yùn)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(jì)

結(jié)合本智能泡茶器的功能設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)，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(cè)茶葉量- 自動(dòng)加水- 液位檢測(cè)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(cè)時(shí)，如不滿足要求，則發(fā)出水位過低報(bào)警信號(hào)）。在泡茶器啟動(dòng)后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后用戶通過人機(jī)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(duì)沖泡水溫和時(shí)間都有些差異，只有用對(duì)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(duì)市面上常見的6 大類茶葉按其泡制時(shí)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(shí)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(duì)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(huì)通過程序控制微型水泵和電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)加水，通過水位傳感器檢測(cè)，在水位正常的情況下開始泡茶，泡茶完成后會(huì)提醒用戶茶已泡好。

本設(shè)計(jì)中所研究的智能泡茶器系統(tǒng)的人機(jī)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(shí)現(xiàn)讓泡茶器隨著用戶的實(shí)際需求進(jìn)行泡茶。在單片機(jī)的按鍵控制功能中，根據(jù)按鍵進(jìn)行輸入指令部分識(shí)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(shí)際使用時(shí)易出現(xiàn)波形顯示時(shí)抖動(dòng)較小，以致程序編寫時(shí)，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(jì)系統(tǒng)選擇掃描方式識(shí)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(shí)間才能讓茶的茶香和茶湯充分突出。因?yàn)樗诩訜岬倪^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(shí)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(duì)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(jì)最終選用PID 控溫法對(duì)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(gè)參數(shù)線性組合進(jìn)行控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的精確控制[8]。PID 算法是一種非常典型的、實(shí)用性強(qiáng)的控制算法，廣泛運(yùn)用與各個(gè)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(shí)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(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，通過計(jì)算初始設(shè)定值與反饋環(huán)節(jié)獲取的實(shí)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(duì)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(cè)的實(shí)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(jì)算得出溫度差，然后使用PID 算法對(duì)泡茶水溫進(jìn)行溫度控制，最后將計(jì)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

保溫功能：在泡好茶之后如果沒有及時(shí)飲用茶水，在室溫下會(huì)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(jì)的產(chǎn)品是家居智能泡茶器設(shè)計(jì)，家居智能泡茶器設(shè)計(jì)主要包括功能設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，其中硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)、水泵、電機(jī)、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(jì)主要包括泡茶程序和PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。